Постійна чи швидкість світла

Щоб визначити швидкість (пройдену відстань / витрачений час) ми повинні вибрати стандарти відстані і часу. Різні стандарти можуть дати різні результати вимірювання швидкості.

Постійна чи швидкість світла?

Це питання можна зрозуміти по різному. Тому є різні відповіді.

В повітрі або воді інша швидкість світла?

Так. Світло сповільнюється в прозорих речовинах, таких як повітря, вода або скло. У скільки разів сповільнюється світло визначається коефіцієнтом рефракції (показником заломлення) середовища. Він завжди більше одиниці. Це відкриття зробив Леон Фуко в 1850 році.

Коли говорять про "швидкості світла", то зазвичай мають вигляд швидкість світла у вакуумі. Саме її позначають буквою c.

Постійна чи швидкість світла у вакуумі?

У 1983 році Генеральною конференцією з мір та ваг (Conference Generale des Poids et Mesures), прийнято наступне визначення метра в системі СІ:

Метр - це довжина шляху світла у вакуумі за час 1/299 792 458 секунди

Цим же визначено, що швидкість світла у вакуумі точно дорівнює 299792458 м / с. Коротка відповідь на питання "Чи є c константою": Так, c константа за визначенням!

Але це не вся відповідь. Система СІ дуже практична. Її визначення засновані на кращих відомих методах вимірювання, і постійно переглядаються. На сьогодні для самого точного вимірювання макроскопічних відстаней посилають імпульс світла лазера і вимірюють час, за який світло проходить необхідну відстань. Час вимірюється атомними годинниками. Точність кращих атомних годин 1/10 13. Саме таке визначення метра забезпечує мінімальну похибку вимірювання відстані.

Визначення системи СІ засновані на деяких уявленнях про законах фізики. Наприклад, передбачається, що частки світла фотони не мають маси. Якби фотон мав невелику масу спокою, то визначення метра в системі СІ було б не коректним, тому що швидкість світла залежала б від довжини хвилі. З ухвали не було б, що швидкість світла постійна. Знадобилося б уточнити визначення метра, додавши колір світла, який повинен використовуватися.

З експериментів відомо, що маса фотона дуже мала або дорівнює нулю. Можлива ненульова маса фотона так мала, що вона не має значення для визначення метра в доступному для огляду майбутньому. Не можна показати, що це точний нуль, але в сучасних загальновизнаних теоріях це нуль. Якщо все-таки не нуль, і швидкість світла не константа, то теоретично повинна бути величина c - верхня межа швидкості світла у вакуумі, і ми можемо поставити запитання "чи є ця величина c константою?"

Раніше метр і секунда визначалися різними способами заснованими на кращих методах вимірювань. Визначення можуть змінитися і в майбутньому. У 1939 році секунда визначалася, як 1/84600 від середньої довжини доби, а метр, як відстань між ризиками на що зберігався у Франції стрижні зі сплаву платини та іридію.

Зараз за допомогою атомного годинника встановлено, що середня довжина доби змінюється. Стандартний час уточнюють, іноді додаючи або віднімаючи від нього частку секунди. Швидкість обертання Землі сповільнюється приблизно на 1/100000 секунди на рік через приливних сил між Землею і Місяцем. У довжині зразка метра можуть бути ще більші зміни через стиснення металу.

В результаті в ті часи швидкість світла, виміряна в одиницях м / с, трохи змінювалася з часом. Ясно, що зміни величини c були більше викликані використовуваними одиницями вимірювання, ніж непостійністю самої швидкості світла, але неправильно вважати що швидкість світла тепер стала постійною, тільки тому, що вона константа в системі СІ.

Визначення в системі СІ виявили, що для відповіді на наш на питання, потрібно уточнити, що ми маємо на увазі, кажучи про сталість швидкості світла. Ми повинні поставити визначення одиниць довжини і часу для вимірювання величини c. В принципі, можна отримати різні відповіді при вимірюванні в лабораторії і при використанні астрономічних спостережень. (Одне з перших вимірів швидкості світла зробив в 1676 році Олаф Ремер на основі спостережуваних зміні періоду затемнень супутників Юпітера.)

Для прикладу, ми могли б взяти визначення, встановлені між 1967 і 1983 роками. Тоді метр визначався, як 1650763.73 довжини хвилі червоно-оранжевого світла джерела на криптоні-86, а секунда була визначена (як і сьогодні) як 9192631770 періодів випромінювання, відповідного переходу між двома надтонкими рівнями цезію-133. На відміну від колишніх визначень, ці засновані на абсолютних фізичних величинах, і застосовні завжди і всюди. Чи можна сказати, що швидкість світла постійна в цих одиницях?

З квантової теорії атома ми знаємо, що частоти і довжини хвиль в основному визначаються постійної Планка, зарядом електрона, масами електрона і ядра, і швидкістю світла. З перерахованих параметрів можна отримати безрозмірні величини, такі як постійна тонкої структури і ставлення мас електрона і протона. Значення цих безрозмірних величин не залежить від вибору одиниць виміру. Тому дуже важливим є питання, постійні чи ці значення?

Якби вони змінювалися, це вплинуло б не тільки на швидкість світла. Вся хімія заснована на цих значеннях, від них залежать хімічні і механічні властивості всіх речовин. Швидкість світла змінювалася б по різному при виборі різних визначень для одиниць виміру. У такому випадку було б більше сенсу приписати її зміна зміни заряду або маси електрона, ніж зміни самої швидкості світла.

Досить надійні спостереження показують, що значення цих безрозмірних величин не змінювалися протягом більшої частини життя всесвіту. See the FAQ article Have physical constants changed with time?

[Насправді постійна тонкої структури залежить від масштабу енергії, але тут ми маємо на увазі її низькоенергетичний межа.]

Спеціальна теорія відносності

Визначення метра в системі СІ також засновано на припущенні про коректність теорії відносності. Швидкість світла константа відповідно до основним постулатом теорії відносності. Це постулат містить дві ідеї:

• Швидкість світла не залежить від руху спостерігача.
• Швидкість світла не залежить від координат в часі і просторі.

Ідея про незалежність швидкості світла від швидкості спостерігача суперечить інтуїції. Деякі люди навіть не можуть погодитися, що ця ідея логічна. У 1905 році Ейнштейн показав, що ця ідея логічно коректна, якщо відмовитися від припущення про абсолютну природу простору і часу.

Фіцджеральд припустив, що це результат скорочення довжини експериментальної установки при її русі в ефірі на таку величину, через яку виявити зміна швидкості світла не вдається. Лоренц поширив цю ідею на темп ходу годинника, і довів, що ефір виявити неможливо.

Ейнштейн вважав, що зміна довжини і ходу годинника краще розуміти, як зміни простору і часу, а не зміни в фізичні об'єкти. Від абсолютного простору і часу, введених Ньютоном, потрібно відмовитися. Незабаром після цього математик Мінковський показав, що ейнштейнівська теорію відносності можна трактувати в термінах чотиривимірний неевклідової геометрії, розглядаючи простір і час як єдину сутність - простір-час.

У 1925 році Дейтон Міллер оголосив, що він виявив зміни в швидкості світла. Він навіть отримав нагороду за це відкриття. У п'ятдесятих роках додатковий розгляд його роботи показало, що результати, мабуть, були пов'язані з денними і сезонними змінами температури його експериментальної установки.

Сучасні фізичні інструменти могли б легко виявити рух ефіру, якби він існував. Земля рухається навколо Сонця зі швидкістю близько 30 км / с. Якби швидкості складалися, відповідно до ньютонівської механікою, то останні 5 цифр у величині швидкості світла, постулованій в системі СІ, були б безглуздими. Сьогодні фізики в CERN (Женева) і Fermilab (Чикаго) кожен день розганяють частки до швидкості на волосок від швидкості світла. Будь-яка залежність швидкості світла від системи відліку була б давно помічена, якщо тільки вона не непомітно мала.

Що, якщо замість теорії про зміну простору і часу, ми б пішли теорії Лоренца-Фіцджеральда, які припустили, що ефір існує, але його не можна виявити через фізичних змін в довжині матеріальних об'єктів і в темпі ходу годинника?

Щоб їх теорія узгоджувалася із спостереженнями, ефір повинен бути необнаружено за допомогою годинника і лінійки. Все, включаючи спостерігача, скорочувалася б і сповільнювався точно на потрібну величину. Така теорія могла б робити ті ж передбачення для всіх експериментів, що і теорія відносності. Тоді ефір був би метафізичної сутністю, якщо тільки не знайдуть якийсь інший спосіб його виявлення - такий спосіб поки ніхто не знайшов. З точки зору Ейнштейна така сутність була б непотрібним ускладненням, краще прибрати її з теорії.

Загальна теорія відносності

Складність тут в тому, що швидкість залежить від координат, і можливі різні тлумачення. Щоб визначити швидкість (пройдену відстань / витрачений час) ми повинні спочатку вибрати деякі стандарти відстані і часу. Різні стандарти можуть дати різні результати. Це можна застосувати і до спеціальної теорії відносності: якщо вимірювати швидкість світла в ускоряющейся системі відліку, то в загальному випадку вона відрізняється від c.

У спеціальній теорії відносності швидкість світла константа в будь-якій інерційній системі відліку. У загальній теорії відносності відповідним узагальненням є те, що швидкість світла константа в будь-якій вільно падаючої системі відліку в досить малій області, щоб можна було знехтувати приливними силами. У наведеній цитаті Ейнштейн не говорить про вільно падаючої системі відліку. Він каже про систему відліку, що знаходиться в спокої відносно джерела гравітації. У такій системі відліку швидкість світла може відрізнятися від c через вплив гравітації (кривизни постранстве-часу) на годинник і лінійки.

Якщо загальна теорія відносності вірна, то сталість швидкості світла в інерціальній системі відліку - це тавтологічну наслідок геометрії простору-часу. Подорож зі швидкістю c в інерціальній системі відліку - це подорож уздовж прямої світової лінії на поверхні світлового конуса.

Використання в системі СІ константи c. як коефіцієнта для зв'язку метра і секунди повністю виправдано, як теоретично, так і практично тому, що c не тільки швидкість світла - це фундаментальна властивість геометрії простору-часу.

Як і для спеціальної теорії відносності, передбачення загальної теорії відносності підтверджені багатьма спостереженнями.

У підсумку ми приходимо до висновку, що швидкість світла постійна не тільки відповідно до спостереженнями. У світлі добре перевірених фізичних теорій навіть не має сенсу говорити про її мінливості.