To vprašanje lahko razumemo na različne načine. Zato obstajajo različni odgovori.
Ali obstaja različna hitrost svetlobe v zraku ali vodi?
Da. Svetloba se upočasni v prozornih snoveh, kot so zrak, voda ali steklo. Kolikokrat se upočasni svetloba, določimo indeks loma (indeks loma) medija. Vedno je večja od ene. To odkritje je leta 1850 opravil Leon Foucault.
Ko govorijo o "hitrosti svetlobe", običajno mislijo na hitrost svetlobe v vakuumu. Črka c je označena ona.
Ali je hitrost svetlobe konstantna v vakuumu?
Leta 1983 je Generalna konferenca o utežih in ukrepih (Conference Generale des Poids et Mesures) sprejela naslednjo opredelitev merilnika SI:
Merilnik je dolžina poti svetlobe v vakuumu med 1/299 792 458 sekundami
Promocijski video:
To je tudi določilo, da je hitrost svetlobe v vakuumu točno enaka 299792458 m / s. Kratek odgovor na vprašanje "Ali je c stalnica": Da, c je po definiciji stalnica!
Vendar to ni celoten odgovor. Sistem SI je zelo praktičen. Njene opredelitve temeljijo na najbolj znanih merilnih metodah in se nenehno spreminjajo. Danes se za najbolj natančno merjenje makroskopskih razdalj pošlje impulz laserske svetlobe in izmeri čas, potreben, da svetloba prehodi potrebno razdaljo. Čas se meri z atomsko uro. Natančnost najboljše atomske ure je 1/10 13. Ta opredelitev merilnika zagotavlja minimalno napako pri merjenju razdalje.
Definicije sistema SI temeljijo na določenem razumevanju zakonov fizike. Na primer, domnevamo, da delci svetlobe, fotoni, nimajo mase. Če bi imel foton majhno počivalno maso, potem definicija merilnika v sistemu SI ne bi bila pravilna, saj bi bila hitrost svetlobe odvisna od valovne dolžine. Iz definicije ne bi izhajalo, da je hitrost svetlobe konstantna. Definicijo merilnika bi bilo treba natančneje določiti z dodajanjem barve svetlobe, ki se bo uporabljala.
Iz poskusov je znano, da je masa fotona zelo majhna ali enaka nič. Možna ne-nič masa fotona je tako majhna, da ni pomembna za določitev števca v doglednem času. Ni mogoče pokazati, da je to natančna nič, v sodobnih splošno sprejetih teorijah pa je nič. Če kljub temu ni nič in hitrost svetlobe ni konstantna, potem bi teoretično morala obstajati količina c - zgornja meja hitrosti svetlobe v vakuumu in lahko si postavimo vprašanje "ali je ta količina c konstanta?"
V preteklosti sta bila meter in sekunda določena na različne načine na podlagi boljših merilnih tehnik. Definicije se lahko v prihodnosti spremenijo. Leta 1939 je bila druga opredeljena kot 1/84600 povprečne dolžine dneva, merilnik pa kot razdalja med tveganji na drogu zlitine platine in iridija, shranjenih v Franciji.
Zdaj je s pomočjo atomske ure ugotovljeno, da se povprečna dolžina dneva spreminja. Določen je standardni čas, ki od njega včasih dodajamo ali odštejemo delček sekunde. Zemeljska hitrost vrtenja se zaradi plimovalnih sil med Zemljo in Luno upočasni za približno 1 / 100.000 sekunde na leto. Zaradi stiskanja kovine lahko pride do še večjih sprememb v dolžini standardnega števca.
Posledično se je takrat svetloba, merjena v enotah m / s, sčasoma nekoliko spreminjala. Jasno je, da so spremembe vrednosti c bolj povzročile uporabljene enote kot pa neskladnost hitrosti svetlobe, vendar je napačno domnevati, da je svetlobna hitrost zdaj postala stalna, samo zato, ker je stalnica v sistemu SI.
Opredelitve v sistemu SI so pokazale, da moramo odgovoriti na naše vprašanje, če želimo govoriti o stalnosti hitrosti svetlobe. Za merjenje količine c moramo določiti definicije enot dolžine in časa. Načeloma lahko dobimo različne odgovore pri meritvah v laboratoriju in pri uporabi astronomskih opazovanj. (Eno prvih meritev hitrosti svetlobe je leta 1676 opravil Olaf Roemer na podlagi opazovanih sprememb v obdobju mrka Jupitrove lune.)
Za primer bi lahko vzeli opredelitve, ki so bile določene med letoma 1967 in 1983. Nato je bil merilnik opredeljen kot 1650763,73 valovnih dolžin rdeče-oranžne svetlobe od vira na kriptonu-86, drugi pa je bil opredeljen (kot je danes) kot 9192631770 obdobja sevanja, ki ustrezajo prehodu med dvema hiperfiniranima nivojema cezija-133. Za razliko od prejšnjih opredelitev temeljijo na absolutnih fizičnih količinah in so uporabne vedno in povsod. Ali lahko rečemo, da je hitrost svetlobe v teh enotah konstantna?
Iz kvantne teorije atoma vemo, da frekvence in valovne dolžine določajo predvsem Planckova konstanta, naboj elektrona, mase elektrona in jedra ter hitrost svetlobe. Količine brez dimenzij lahko dobimo iz naštetih parametrov, kot sta konstanta fine strukture in razmerje mas elektrona in protona. Vrednosti teh brezdimenzijskih količin niso odvisne od izbire merilnih enot. Zato je vprašanje zelo pomembno, ali so te vrednosti konstantne?
Če bi se spremenili, to ne bi vplivalo samo na hitrost svetlobe. Vsa kemija temelji na teh vrednostih, kemijske in mehanske lastnosti vseh snovi so odvisne od njih. Hitrost svetlobe bi se pri izbiri različnih definicij za merske enote spreminjala na različne načine. V tem primeru bi bilo bolj smiselno njegovo spremembo pripisati spremembi naboja ali mase elektrona kot spremembi same hitrosti svetlobe.
Dovolj zanesljiva opažanja kažejo, da se vrednosti teh brezdimenzijskih količin niso spreminjale v večini življenja vesolja. … Oglejte si članek Pogosta vprašanja Ali so se fizične konstante s časom spreminjale?
[Pravzaprav je konstanta fine strukture odvisna od obsega energije, tu pa mislimo na njeno nizko mejo energije.]
Posebna teorija relativnosti
Opredelitev števca v sistemu SI temelji tudi na predpostavki, da je teorija relativnosti pravilna. Hitrost svetlobe je stalnica v skladu z osnovnim postulatom teorije relativnosti. Ta postulat vsebuje dve zamisli:
- Hitrost svetlobe ni odvisna od gibanja opazovalca.
- Hitrost svetlobe ni odvisna od koordinat v času in prostoru.
Misel, da je svetlobna hitrost neodvisna od opazovalčeve hitrosti, je kontraintuitivna. Nekateri se sploh ne morejo strinjati, da je ta ideja smiselna. Leta 1905 je Einstein pokazal, da je ta ideja logično pravilna, če opustimo predpostavko o absolutni naravi prostora in časa.
Leta 1879 je veljalo, da mora svetloba širiti skozi nek medij v vesolju, kot se zvok širi po zraku in drugih snoveh. Michelson in Morley sta ustanovila eksperiment za zaznavanje etra z opazovanjem spremembe hitrosti svetlobe, ko se smer gibanja Zemlje glede na Sonce med letom spreminja. Na njihovo presenečenje ni bilo zaznati spremembe hitrosti svetlobe.
Fitzgerald je predlagal, da je to posledica skrajšanja dolžine eksperimentalne nastavitve, ko se ta giblje v etru za takšno količino, zaradi česar ni mogoče zaznati spremembe hitrosti svetlobe. Lorenz je to idejo razširil na tempo ure in dokazal, da etra ni mogoče zaznati.
Einstein je menil, da spremembe dolžine in tempa ur najbolje razumemo kot spremembe v prostoru in času, ne pa kot spremembe fizičnih predmetov. Absolutni prostor in čas, ki ga je uvedel Newton, je treba opustiti. Kmalu zatem je matematik Minkowski pokazal, da je Einsteinovo teorijo relativnosti mogoče razlagati v smislu štiridimenzionalne neevvlidske geometrije, če prostor in čas obravnava kot eno celoto - prostor-čas.
Teorija relativnosti ni le matematično utemeljena, podpirajo jo tudi številni neposredni eksperimenti. Kasneje so se poskusi Michelson-Morleyja ponovili z večjo natančnostjo.
Leta 1925 je Dayton Miller sporočil, da je odkril spremembe v hitrosti svetlobe. Za to odkritje je celo prejel nagrado. V petdesetih letih prejšnjega stoletja je njegovo dodatno delo pokazalo, da so bili rezultati očitno povezani z dnevnimi in sezonskimi temperaturnimi spremembami v njegovi eksperimentalni namestitvi.
Sodobni fizični instrumenti bi zlahka zaznali gibanje etra, če bi obstajal. Zemlja se giblje okoli Sonca s hitrostjo približno 30 km / s. Če bi dodali hitrosti v skladu z Newtonovo mehaniko, bi bilo zadnjih 5 števk vrednosti svetlobne hitrosti, ki so bile v sistemu SI, nesmiselne. Danes fiziki v CERN-u (Ženeva) in Fermilab (Chicago) vsak dan pospešujejo delce do las, ki so blizu hitrosti svetlobe. Vsako odvisnost hitrosti svetlobe od referenčnega okvira bi opazili že zdavnaj, razen če je neopazno majhna.
Kaj pa, če bi namesto teorije o spremembi prostora in časa upoštevali teorijo Lorentz-Fitzgerald, ki je predlagala, da eter obstaja, vendar ga ni mogoče zaznati zaradi fizičnih sprememb dolžine materialnih predmetov in hitrosti ure?
Da bi bila njihova teorija skladna z opazovanji, mora biti eter neznan z uro in ravnilom. Vse, vključno z opazovalcem, bi se skrčilo in upočasnilo za natančno zahtevani znesek. Takšna teorija bi lahko dala enake napovedi za vse poskuse kot teorija relativnosti. Potem bi bil eter metafizična entiteta, če ne bi našli drugega načina, kako ga zaznati - tega še nihče ni našel. Z vidika Einsteina bi bila takšna entiteta nepotreben zaplet, bolje bi bilo, da bi jo odstranili iz teorije.
Splošna teorija relativnosti
Einstein je razvil splošnejšo teorijo relativnosti, ki je razlagala gravitacijo v smislu ukrivljenosti vesolja in v tej novi teoriji je govoril o spremembi hitrosti svetlobe. Leta 1920 v knjigi Relativnost. Posebna in splošna teorija, «piše:
[…] V splošni teoriji relativnosti zakon stalnosti hitrosti svetlobe v vakuumu, ki je ena od dveh temeljnih predpostavk posebne teorije relativnosti, […] ne more biti brezpogojno veljaven. Ukrivljenost žarka svetlobe je mogoče uresničiti le, če je hitrost širjenja svetlobe odvisna od njene lege.
Ker je Einstein govoril o vektorju hitrosti (hitrosti in smeri) in ne le o hitrosti, ni jasno, če je mislil, da se velikost hitrosti spreminja, vendar sklicevanje na posebno relativnost pravi, da je, da. To razumevanje je popolnoma pravilno in ima fizični pomen, vendar je v skladu s sodobno razlago svetlobna hitrost konstantna v splošni teoriji relativnosti.
Težava pri tem je, da je hitrost odvisna od koordinat in možne so različne interpretacije. Za določitev hitrosti (prevožena razdalja / čas) moramo najprej izbrati nekatere standarde za razdaljo in čas. Različni standardi lahko dajo različne rezultate. To velja tudi za posebno teorijo relativnosti: če merite hitrost svetlobe v pospeševalnem referenčnem okviru, se v splošnem razlikuje od c.
V posebni relativnosti je hitrost svetlobe stalnica v katerem koli inercialnem referenčnem okviru. Na splošno je relativnost primerna posplošitev, da je svetlobna hitrost konstantna v katerem koli prosto padajočem referenčnem okviru na dovolj majhnem območju, da zanemarimo sile plimovanja. V zgornjem citatu Einstein ne govori o prosto padajočem referenčnem okviru. Govori o referenčnem okviru v mirovanju glede na izvor gravitacije. V takem referenčnem okviru se lahko svetlobna hitrost razlikuje od c zaradi vpliva gravitacije (ukrivljenost prostora-časa) na uro in ravnilo.
Če je splošna teorija relativnosti pravilna, je stalnost hitrosti svetlobe v inercialnem referenčnem okviru tavtološka posledica geometrije prostora-časa. Potovanje s hitrostjo c v inercialnem referenčnem okviru je potovanje po ravni svetovni črti na površini svetlobnega stožca.
Uporaba konstante c v sistemu SI kot koeficienta za povezavo med števcem in sekundo je popolnoma teoretično in praktično upravičena, ker c ni le hitrost svetlobe - je temeljna lastnost geometrije prostora-časa.
Tako kot posebna relativnost so tudi napovedi splošne relativnosti potrdile številna opažanja.
Kot rezultat tega pridemo do zaključka, da je svetlobna hitrost konstantna, ne le v skladu z opazovanji. Glede na dobro preizkušene fizikalne teorije sploh ni smiselno govoriti o njeni neskladnosti.