To pytanie można rozumieć na różne sposoby. Dlatego istnieją różne odpowiedzi.
Czy istnieje inna prędkość światła w powietrzu lub wodzie?
Tak. Światło jest spowolnione w przezroczystych substancjach, takich jak powietrze, woda lub szkło. To, ile razy światło zwalnia, zależy od współczynnika załamania światła (współczynnika załamania światła) ośrodka. Zawsze jest większe niż jeden. Tego odkrycia dokonał Leon Foucault w 1850 roku.
Kiedy mówią o „prędkości światła”, zwykle mają na myśli prędkość światła w próżni. To ona jest oznaczona literą c.
Czy prędkość światła jest stała w próżni?
W 1983 roku Konferencja Generalna ds. Miar i Wag (Conference Generale des Poids et Mesures) przyjęła następującą definicję miernika SI:
Metr to długość ścieżki światła w próżni w czasie 1/299 792 458 sekund
Film promocyjny:
To również określiło, że prędkość światła w próżni jest dokładnie równa 299792458 m / s. Krótka odpowiedź na pytanie „Czy c jest stałą”: Tak, c jest stałą z definicji!
Ale to nie wszystko. System SI jest bardzo praktyczny. Jego definicje opierają się na najbardziej znanych metodach pomiarowych i są stale aktualizowane. Obecnie, aby uzyskać najdokładniejszy pomiar odległości makroskopowych, wysyłany jest impuls światła laserowego i mierzony jest czas, w jakim światło przebywa wymaganą odległość. Czas mierzy zegar atomowy. Dokładność najlepszego zegara atomowego wynosi 1/10 13. To właśnie ta definicja miernika zapewnia minimalny błąd pomiaru odległości.
Definicje układu SI opierają się na pewnym zrozumieniu praw fizyki. Na przykład zakłada się, że cząsteczki światła, czyli fotony, nie mają masy. Gdyby foton miał małą masę spoczynkową, to definicja miernika w układzie SI nie byłaby poprawna, ponieważ prędkość światła zależałaby od długości fali. Z definicji nie wynikałoby, że prędkość światła jest stała. Konieczne byłoby uściślenie definicji licznika poprzez dodanie koloru używanego światła.
Z eksperymentów wiadomo, że masa fotonu jest bardzo mała lub równa zeru. Możliwa niezerowa masa fotonu jest tak mała, że nie ma znaczenia dla określenia licznika w dającej się przewidzieć przyszłości. Nie można wykazać, że jest to dokładne zero, ale we współczesnych ogólnie przyjętych teoriach jest to zero. Jeśli jednak nie jest to zero, a prędkość światła nie jest stała, to teoretycznie powinna istnieć wielkość c - górna granica prędkości światła w próżni i możemy zadać pytanie "czy ta wielkość c jest stała?"
W przeszłości licznik i sekundę określano na różne sposoby w oparciu o lepsze techniki pomiarowe. Definicje mogą się zmienić w przyszłości. W 1939 r. Drugi został określony jako 1/84600 średniej długości dnia, a metr jako odległość między zagrożeniami na pręcie ze stopu platyny i irydu przechowywanego we Francji.
Teraz, przy pomocy zegara atomowego, ustalono, że zmienia się średnia długość dnia. Określany jest czas standardowy, czasami dodając lub odejmując od niego ułamek sekundy. Prędkość obrotu Ziemi spada o około 1/100 000 sekundy na rok z powodu sił pływowych między Ziemią a Księżycem. Ze względu na ściskanie metalu mogą wystąpić jeszcze większe zmiany długości standardowego metra.
W rezultacie w tym czasie prędkość światła mierzona w m / s zmieniała się nieznacznie w czasie. Jest oczywiste, że zmiany wartości c były bardziej spowodowane zastosowanymi jednostkami niż niestałością samej prędkości światła, ale błędne jest założenie, że prędkość światła stała się stała, tylko dlatego, że jest stała w układzie SI.
Definicje w układzie SI ujawniły, że aby odpowiedzieć na nasze pytanie, musimy wyjaśnić, co mamy na myśli, kiedy mówimy o stałości prędkości światła. Musimy zdefiniować jednostki długości i czasu, aby zmierzyć wielkość c. Zasadniczo różne odpowiedzi można uzyskać, wykonując pomiary w laboratorium i korzystając z obserwacji astronomicznych. (Jeden z pierwszych pomiarów prędkości światła został wykonany w 1676 roku przez Olafa Roemera na podstawie zaobserwowanych zmian w okresie zaćmień księżyców Jowisza).
Na przykład moglibyśmy wziąć definicje ustalone między 1967 a 1983 rokiem. Następnie miernik został zdefiniowany jako 1650763,73 długości fali czerwono-pomarańczowego światła ze źródła na kryptonie-86, a drugi został zdefiniowany (tak jak jest obecnie) jako 9192631770 okresów promieniowania odpowiadających przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami cezu-133. W przeciwieństwie do poprzednich definicji, są one oparte na absolutnych wielkościach fizycznych i mają zastosowanie zawsze i wszędzie. Czy możemy powiedzieć, że prędkość światła jest stała w tych jednostkach?
Z kwantowej teorii atomu wiemy, że częstotliwości i długości fal są określane głównie przez stałą Plancka, ładunek elektronu, masy elektronu i jądra oraz prędkość światła. Z wymienionych parametrów można uzyskać wielkości bezwymiarowe, takie jak stała struktury drobnoziarnistej oraz stosunek mas elektronu i protonu. Wartości tych bezwymiarowych wielkości nie zależą od wyboru jednostek miary. Dlatego bardzo ważne jest pytanie, czy te wartości są stałe?
Gdyby się zmieniły, wpłynęłoby to nie tylko na prędkość światła. Cała chemia opiera się na tych wartościach, od nich zależą właściwości chemiczne i mechaniczne wszystkich substancji. Prędkość światła zmieniałaby się na różne sposoby przy wyborze różnych definicji jednostek miary. W tym przypadku bardziej sensowne byłoby przypisanie tej zmiany zmianie ładunku lub masy elektronu niż zmianie samej prędkości światła.
Dość wiarygodne obserwacje pokazują, że wartości tych bezwymiarowych wielkości nie zmieniały się przez większość życia Wszechświata. … Zobacz artykuł FAQ Czy stałe fizyczne zmieniały się w czasie?
[Właściwie stała drobnej struktury zależy od skali energii, ale tutaj mamy na myśli jej niską granicę energii.]
Szczególna teoria względności
Definicja miernika w układzie SI opiera się również na założeniu, że teoria względności jest poprawna. Prędkość światła jest stała zgodnie z podstawowym postulatem teorii względności. Ten postulat zawiera dwie idee:
- Prędkość światła nie zależy od ruchu obserwatora.
- Prędkość światła nie zależy od współrzędnych w czasie i przestrzeni.
Pomysł, że prędkość światła jest niezależna od prędkości obserwatora, jest sprzeczny z intuicją. Niektórzy nawet nie mogą się zgodzić, że ten pomysł ma sens. W 1905 roku Einstein wykazał, że idea ta jest logicznie poprawna, jeśli porzucimy założenie o absolutnej naturze czasu i przestrzeni.
W 1879 r. Wierzono, że światło powinno rozchodzić się przez jakiś ośrodek w kosmosie, tak jak dźwięk rozchodzi się przez powietrze i inne substancje. Michelson i Morley rozpoczęli eksperyment, aby wykryć eter, obserwując zmianę prędkości światła, gdy kierunek ruchu Ziemi względem Słońca zmienia się w ciągu roku. Ku ich zaskoczeniu nie wykryto żadnej zmiany w prędkości światła.
Fitzgerald zasugerował, że jest to efekt skrócenia długości układu doświadczalnego, gdy porusza się on w eterze o taką wielkość, przez co nie można wykryć zmiany prędkości światła. Lorenz rozszerzył ten pomysł na tempo zegara i udowodnił, że nie można wykryć eteru.
Einstein uważał, że zmiany długości i tempa zegarów najlepiej rozumieć jako zmiany w przestrzeni i czasie, a nie zmiany w obiektach fizycznych. Absolutna przestrzeń i czas, wprowadzone przez Newtona, muszą zostać porzucone. Wkrótce potem matematyk Minkowski wykazał, że teorię względności Einsteina można interpretować w kategoriach czterowymiarowej geometrii nieeuklidesowej, traktując przestrzeń i czas jako jedną całość - czasoprzestrzeń.
Teoria względności jest nie tylko oparta na matematyce, ale jest również poparta licznymi bezpośrednimi eksperymentami. Później eksperymenty Michelsona-Morleya powtórzono z większą dokładnością.
W 1925 roku Dayton Miller ogłosił, że odkrył zmiany w prędkości światła. Otrzymał nawet nagrodę za to odkrycie. W latach pięćdziesiątych dodatkowe rozważenie jego pracy wykazało, że wyniki były najwyraźniej związane z dziennymi i sezonowymi zmianami temperatury w jego układzie doświadczalnym.
Nowoczesne instrumenty fizyczne mogłyby z łatwością wykryć ruch eteru, gdyby istniał. Ziemia krąży wokół Słońca z prędkością około 30 km / s. Gdyby dodać prędkości, zgodnie z mechaniką Newtona, to ostatnie 5 cyfr wartości prędkości światła postulowanej w układzie SI byłoby bez znaczenia. Dzisiaj fizycy z CERN (Genewa) i Fermilab (Chicago) codziennie przyspieszają cząsteczki do poziomu włosa bliskiego prędkości światła. Jakakolwiek zależność prędkości światła od układu odniesienia byłaby już dawno zauważona, chyba że jest niedostrzegalnie mała.
A co by było, gdybyśmy zamiast teorii o zmianach w czasie i przestrzeni podążali za teorią Lorentza-Fitzgeralda, która sugerowała, że eter istnieje, ale nie można go wykryć z powodu fizycznych zmian długości obiektów materialnych i tempa zegara?
Aby ich teoria była spójna z obserwacjami, eter musi być niewykrywalny za pomocą zegara i linijki. Wszystko, łącznie z obserwatorem, skurczy się i zwolni dokładnie o wymaganą wielkość. Taka teoria mogłaby przewidywać dla wszystkich eksperymentów takie same prognozy, jak teoria względności. Wówczas eter byłby bytem metafizycznym, chyba że znaleźliby inny sposób jego wykrycia - nikt jeszcze takiego nie znalazł. Z punktu widzenia Einsteina taki byt byłby niepotrzebną komplikacją; lepiej byłoby usunąć go z teorii.
Ogólna teoria względności
Einstein opracował bardziej ogólną teorię względności, która wyjaśniała grawitację w kategoriach krzywizny czasoprzestrzeni i mówił o zmianie prędkości światła w tej nowej teorii. W 1920 roku w książce Relativity. Teoria specjalna i ogólna”pisze:
… w ogólnej teorii względności prawo niezmienności prędkości światła w próżni, które jest jednym z dwóch fundamentalnych założeń szczególnej teorii względności, nie może […] być bezwarunkowo ważne. Krzywizna promienia światła może być zrealizowana tylko wtedy, gdy prędkość propagacji światła zależy od jego położenia.
Ponieważ Einstein mówił o wektorze prędkości (prędkości i kierunku), a nie tylko o prędkości, nie jest jasne, czy miał na myśli, że zmienia się wielkość prędkości, ale odniesienie do szczególnej teorii względności mówi, że tak. To rozumienie jest absolutnie poprawne i ma znaczenie fizyczne, ale zgodnie ze współczesną interpretacją prędkość światła jest stała w ogólnej teorii względności.
Trudność polega na tym, że prędkość zależy od współrzędnych i możliwe są różne interpretacje. Aby określić prędkość (przebyty dystans / czas, który upłynął), musimy najpierw wybrać pewne standardy odległości i czasu. Różne standardy mogą dawać różne wyniki. Odnosi się to do szczególnej teorii względności: jeśli mierzymy prędkość światła w przyspieszającym układzie odniesienia, to w ogólnym przypadku różni się ona od c.
W szczególnej teorii względności prędkość światła jest stała w każdym inercjalnym układzie odniesienia. W ogólnej teorii względności odpowiednim uogólnieniem jest to, że prędkość światła jest stała w dowolnym swobodnie spadającym układzie odniesienia w wystarczająco małym regionie, aby pominąć siły pływowe. W powyższym cytacie Einstein nie mówi o swobodnie opadającym układzie odniesienia. Mówi o układzie odniesienia w spoczynku w stosunku do źródła grawitacji. W takim układzie odniesienia prędkość światła może różnić się od c ze względu na wpływ grawitacji (krzywizny czasoprzestrzeni) na zegar i linijkę.
Jeśli ogólna teoria względności jest poprawna, to stałość prędkości światła w inercjalnym układzie odniesienia jest tautologiczną konsekwencją geometrii czasoprzestrzeni. Podróż z prędkością cw inercjalnym układzie odniesienia odbywa się wzdłuż prostej linii świata po powierzchni stożka światła.
Użycie stałej c w układzie SI jako współczynnika dla połączenia licznika z drugim jest w pełni uzasadnione, zarówno teoretycznie, jak i praktycznie, ponieważ c to nie tylko prędkość światła - to podstawowa właściwość geometrii czasoprzestrzeni.
Podobnie jak w przypadku szczególnej teorii względności, przewidywania ogólnej teorii względności zostały potwierdzone przez wiele obserwacji.
W rezultacie dochodzimy do wniosku, że prędkość światła jest stała, nie tylko zgodnie z obserwacjami. W świetle dobrze sprawdzonych teorii fizycznych nie ma nawet sensu mówić o jego niestałości.