Гіббс ф

Постійна чи швидкість світла?

Це питання можна розуміти по-різному, відповідно, по-різному доведеться і відповідати:

• Чи змінюється швидкість світла при його попаданні в повітря або воду?

• Чи завжди c. тобто, швидкість світла у вакуумі?

• Що вважає спеціальна теорія відносності?

• Що вважає загальна теорія відносності?

Чи змінюється швидкість світла при його попаданні в повітря або воду?

Так. Світло уповільнює свій рух в таких прозорих середовищах, як повітря, вода або скло. Ставлення, в якому відбувається таке уповільнення, називається показником заломлення середовища і воно завжди більше одиниці *. Це відкрив Жан Фокол в 1850 р

* Строго кажучи, показник заломлення не завжди більше одиниці. Наприклад, для рентгенівських променів він майже завжди менше одиниці. Відбувається це тому, що так звана фазова швидкість рентгенівських променів в середовищі більше швидкості світла, а показник заломлення це відношення саме фазовоїшвидкості. Швидкість же самих фотонів - це так звана групова швидкість, яка завжди менше c (звичайно, крім тих випадків, коли це не так :-). Для простоти в цій відповіді ми цю тонкість не розглядаємо.

Найчастіше, коли люди в загальному говорять «швидкість світла», то мають на увазі «швидкість світла у вакуумі». Саме ця величина позначається буквою c.

Чи завжди c. тобто, швидкість світла у вакуумі?

У 1983 р на Генеральній конференції мір і ваг було прийнято наступне визначення метра в системі одиниць СІ (Система Інтернаціональна):

Метр є відстань, яку проходить світло у вакуумі за час в 1/299 792 458 секунди.

Це призвело до того, що швидкість світла стала дорівнює в точності 299 792 458 метрів в секунду. І, таким чином, відповідь на питання, чи завжди c. стає простим до надзвичайності: так, c постійно за визначенням!

Однак, це ще не все. Система СІ побудована на дуже практичних міркуваннях. Її визначення приймаються в відповідність з найбільш точними відомими методиками вимірювання і вони постійно переглядаються. Сьогодні існують способи вимірювання макроскопічного відстані шляхом випускання лазерного імпульсу і вимірювання часу, який він витрачає, щоб пройти цю відстань. Час вимірюється за допомогою дуже точних атомних годин (точність кращих атомних годин досягає одну 10 ^ 13 ву частку!). Саме тому розумно визначити одиницю метра саме таким способом, щоб звести до мінімуму можливі помилки.

При побудові СІ було зроблено декілька припущень про те, які є закони фізики. Наприклад, передбачалося, що у частинки світла - у фотона - ні маси. Якби у фотона була маса спокою, то визначення метра в СІ втратило б сенс, так як швидкість світла стала б залежати від довжини його хвилі. Тоді можна було б ухвалити, що вона постійна. Тоді у визначенні метра треба було б ще вказати, світло якого кольору треба використовувати. Досвід показує, що якщо у фотона і є якась маса спокою, то вона дуже маленька. Див. Питання чи є маса у світла. У всякому разі, вона настільки мала, що в доступному для огляду майбутньому не зіграє помітної ролі в визначення метра, але все-таки, незважаючи на те, що в даний час панують теорії, які виходять із того, що маса фотона дорівнює нулю, прямо довести цього ми не можемо. Якби маса фотона не була б дорівнює нулю, то швидкість не була б постійна, але з теоретичної точки зору могло б існувати число c. яке б було максимально можливою швидкістю світла і все одно можна було б питати, чи завжди c.

Раніше було, що метр і секунда були визначені кількома різними способами, відмінними від нинішнього, відповідно до методами вимірювань, що існували в той час. В майбутньому методи можуть знову змінитися. Звернувшись до 1939 р, ми побачимо, що секунда визначалася, як 1/84 600 ная частина середньої продолжіетльності сонячного дня, а метр визначався як довжина між двома ризиками на платиново-іридієвих стрижні, що зберігається у Франції. Зараз ми знаємо, що середня довжина сонячного дня змінюється, так як виміряли її за допомогою точних атомних годин. Стандартний час іноді підводиться на секунду вперед або назад, щоб відобразити цей факт. Крім того, обертання Землі поступово сповільнюється, приблизно на 1/100 000 ву частку секунди в рік, через гальмуючого дії сил тяжіння між Землею, Місяцем і Сонцем. А в довжині металевого стержня можливі ще більші зміни через розширення матеріалу. Все це призводило до того, що швидкість світла, виміряна в м / с згодом повільно змінювалася. Ясно, що така зміна швидкості більш природно вважати проявом зміни одиниць вимірювання, ніж самій швидкості світла, але точно також нерозумно стверджувати, що зараз швидкість світла незмінна тому, що система СІ так визначила одиниці, що вона стала постійною.

Визначення СІ просто показують нам, наскільки важливо спочатку чітко розуміти, що ми маємо на увазі під сталістю швидкості світла, перш ніж буде можна відповісти на це питання. Спочатку треба домовитися, коли ми вимірюємо швидкість світла, що використовується в якості стандартної лінійки і стандартних годин. В принципі, ми можемо зіткнутися зі значними розбіжностями між результатами вимірювань зроблених в лабораторії, з результатами астрономічних спостережень (одне з перших вимірів швидкості світла було зроблено Оле Кристенсеном Ремер в 1676 р при спостереженні видимої різниці в тривалості затемнень супутників Юпітера).

Якщо, наприклад, взяти визначення одиниць такими, які вони були між 1967 і 1983 рр. Тоді метр був визначений як 1 650 763,73 довжин хвилі червоно-оранжевого світла, що випускається атомом криптону-86, а секунда була визначена, як і в даний час, як 9 192 631 770 коливань випромінювання, соответсвущего переходу між двома свехтонкімі рівнями а атомі цезію-133. На відміну від раніше згаданих визначень, ці побудовані на абсолютних фізичних величинах, що мають сенс завжди і всюди. Чи можемо ми сказати, постійна чи швидкість світла в цих одиницях?

З квантової теорії ми знаємо, що ці частоти і довжини хвиль в основному залежать від значень постійної Планка, мас електронів і нуклонів, а значить, ці параметри впливають і на швидкість світла. Виключаючи з параметрів розмірні одиниці, ми можемо прийти до кількох безрозмірним величинам, навроде постійної тонкої структури або відношення маси протона до маси електрона. Вони не залежать від одиниць виміру і тому набагато розумніше питати, чи змінюються вони. Якби вони змінилися, то змінилася б не тільки швидкість світла. Вся хімія залежить від значень цих постійних і тому значні зміни відбулися б в хімічних і механічних властивостях всіх речовин. До того ж, швидкість світла змінилася б по-різному в будь якій того, які визначення одиниць ми б вибрали! У цьому випадку також розумно вважати, що причиною змін є не зміна самої швидкості світла, а зміна заряду електрона або мас частинок.

У будь-якому випадку, досвід досить добре переконує нас, що ці величини не змінювалися протягом більшої частини життя Всесвіту.

[До речі, постійна тонкої структури змінюється в залежності від масштабів енергій, але тут йшлося про її низькоенергетичними межі]

Що вважає спеціальна теорія відносності?

Інше припущення, взяте за основу в системі СІ - це те, що спеціальна теорія відносності вірна. Основним постулатом теорії відносності є те, що швидкість світла постійна. Дане твердження розпадається на дві частини:

• Швидкість світла не залежить від руху спостерігача.

• Швидкість світла не змінюється в залежності від місця або часу.

Думка про те, що швидкість світла не залежить від швидкості спостерігача дуже суперечить нашим інтуїтивним уявленням. Деякі люди взагалі відмовляються приймати, що це можливо з точки зору логіки, але в 1905 р Ейнштейну вдалося показати, що все абсолютно логічно, якщо бути готовим відмовитися від упереджень про абсолютний характер простору і часу.

Тоді Фітцджеральд припустив, що причиною тому є скорочення експериментальної установки при русі крізь ефір, в точності компенсує зміна швидкості світла. Лоренц далі розвинув це припущення, додавши до нього уповільнення ходу годинника так, щоб рух ефіру виявлялося зовсім неспостережуваних. Потім Ейнштейн довів, що ці спотворення можна пояснити спотворенням самих простору і часу, а не фізичних об'єктів і що, таким чином, абсолютність простору і часу, введена Ньютоном, повинна бути відкинута. Відразу після цього математик Мінковський показав, що теорія відносності Ейнштейна може бути зрозуміла як неевклідова геометрія в 4-вимірному просторі-часі.

За допомогою сучасного обладнання легко можна було б виявити рух ефіру, якби він існував. Земля рухається навколо Сонця зі швидкістю 30 км / с, тому, якщо справедливо векторне складання швидкостей, як цього вимагає механіка Ньютона, то у визначенні метра в системі СІ останні 5 цифр швидкості світла були б безглуздими. Сьогодні в фізиці високих енергій в ЦЕРНі та лабораторії Фермі щодня прискорюють частки до швидкостей на волосок відрізняються від швидкості світла. Якби швидкість світла залежала б від швидкості системи відліку, це було б давно виявлено, якщо звичайно ця залежність насправді не є нікчемною.

Що вважає загальна теорія відносності?

Проблема тут в тому, що швидкість - це величина, яка залежить від координат, тобто, вона в певному сенсі неоднозначна. Щоб визначити швидкість (відстань ділити на час) спочатку треба вибрати якісь стандарти вимірювання відстаней і часів. Різні стандарти приведуть до різних результатів. Це вже так в спеціальній теорії: якщо виміряти швидкість світла в прискореній системі відліку, то вийде значення, відмінне від c.

У спеціальній теорії сталість швидкості світла затверджується лише з точки зору інерційних систем відліку. У загальній теорії це твердження розширюється до твердження про сталість швидкості світла в будь-який вільно падаючої системі відліку (в області, досить малої, щоб можна було знехтувати приливними силами). У вищезгаданому уривку Ейнштейн говорить не про вільно падаючої системі, а про систему, нерухомою щодо джерела гравітації. У такій системі швидкість світла може відрізнятися від c в основному через вплив гравітації (кривизни простору-часу) на годинник і лінійки.

Якщо загальна теорія відносності вірна, то сталість швидкості світла в інерційних системах відліку стає синонімом геометричних властивостей простору-часу. Причинний структура Всесвіту визначається геометрією нульових векторів. Рух зі швидкістю c означає рух за світовими лініях, дотичним нульовим векторах. Застосування c для перетворення між метрами і секундами, як у визначенні метра в системі СІ, абсолютно виправдано як з практичної, так і з теоретичної точки зору, адже c це не стільки швидкість руху світла, скільки фундаментальна особливість геометрії простору-часу.

Як і для приватної теорії, передбачення загальної теорії відносності були підтверджені в безлічі різних дослідах.

У підсумку можна сказати, що швидкість світла не просто постійна. Більш того, в світлі добре перевірених теорій виявляється, що припущення про те, що вона може змінитися - просто безглузді!