Този въпрос може да се разбере по различни начини. Следователно има различни отговори.
Има ли различна скорост на светлината във въздуха или водата?
Да. Светлината се забавя в прозрачни вещества като въздух, вода или стъкло. Колко пъти светлината се забавя, се определя от показателя на пречупване (индекс на пречупване) на средата. Винаги е по-голям от един. Това откритие е направено от Леон Фуко през 1850 година.
Когато говорят за "скоростта на светлината", те обикновено имат предвид скоростта на светлината във вакуум. Именно тя е обозначена с буквата c.
Постоянна ли е скоростта на светлината във вакуум?
През 1983 г. Общата конференция за теглата и мерките (Conference Generale des Poids et Mesures) прие следното определение на метър SI:
Метър е дължината на пътя на светлината във вакуум през 1/299 792 458 секунди
Промоционално видео:
Това също определи, че скоростта на светлината във вакуум е точно равна на 299792458 m / s. Кратък отговор на въпроса "Константа c ли е": Да, c е константа по дефиниция!
Но това не е целият отговор. Системата SI е много практична. Определенията му се основават на най-известните методи за измерване и постоянно се преразглеждат. Днес за най-точно измерване на макроскопични разстояния те изпращат импулс от лазерна светлина и измерват времето, необходимо за светлината да измине необходимото разстояние. Времето се измерва с атомен часовник. Точността на най-добрия атомен часовник е 1/10 13. Именно това определение на измервателния уред осигурява минималната грешка при измерване на разстоянието.
Определенията на системата SI се основават на известно разбиране на законите на физиката. Например се приема, че частиците светлина, фотоните, нямат маса. Ако фотонът има малка маса на покой, тогава определението на измервателния уред в системата SI не би било правилно, тъй като скоростта на светлината ще зависи от дължината на вълната. От определението не би следвало, че скоростта на светлината е постоянна. Би било необходимо да се прецизира определението на метър, като се добави цветът на светлината, която ще се използва.
От експериментите е известно, че масата на фотона е много малка или равна на нула. Възможната ненулева маса на фотона е толкова малка, че няма значение за определяне на измервателния уред в обозримо бъдеще. Не може да се покаже, че това е точна нула, но в съвременните общоприети теории тя е нула. Ако въпреки това тя не е нула и скоростта на светлината не е постоянна, тогава теоретично трябва да има количество c - горната граница на скоростта на светлината във вакуум и можем да зададем въпроса "това количество c постоянно ли е?"
В миналото, метър и секунда се определяха по различни начини въз основа на по-добри техники за измерване. Определенията могат да се променят в бъдеще. През 1939 г. вторият е определен като 1/84600 от средната дължина на ден, а метърът - като разстоянието между рисковете върху прът от сплав от платина и иридий, съхраняван във Франция.
Сега с помощта на атомен часовник е установено, че средната продължителност на ден се променя. Посочва се стандартното време, понякога се добавя или изважда част от секундата от него. Скоростта на въртене на Земята се забавя с около 1/100 000 от секундата годишно поради приливните сили между Земята и Луната. Възможно е да има още по-големи промени в дължината на стандартния метър поради компресията на метала.
В резултат на това по това време скоростта на светлината, измерена в единици m / s, се променя леко с течение на времето. Ясно е, че промените в стойността на c са по-причинени от използваните единици, отколкото от нестабилността на самата скорост на светлината, но е погрешно да се предполага, че скоростта на светлината вече е станала постоянна, само защото е константа в системата SI.
Определенията в системата SI разкриват, че за да отговорим на нашия въпрос, трябва да изясним какво имаме предвид, когато говорим за постоянството на скоростта на светлината. Трябва да дефинираме определения на единици дължина и време, за да измерим количеството c. По принцип могат да се получат различни отговори при измерване в лаборатория и при използване на астрономически наблюдения. (Едно от първите измервания на скоростта на светлината е направено през 1676 г. от Олаф Румер въз основа на наблюдаваните промени в периода на затъмнение на луните на Юпитер.)
Например, можем да вземем определенията, установени между 1967 и 1983 година. Тогава електромерът е определен като 1650763,73 дължини на вълната на червено-оранжев източник на светлина на криптон-86, а вторият е определен (както е днес) като 9192631770 периоди на излъчване, съответстващи на прехода между две хиперфиниални нива на цезий-133. За разлика от предишните определения, те се основават на абсолютни физични величини и са приложими винаги и навсякъде. Можем ли да кажем, че скоростта на светлината е постоянна в тези единици?
От квантовата теория на атома знаем, че честотите и дължините на вълните се определят главно от константата на Планк, заряда на електрона, от масивите на електрона и ядрото и от скоростта на светлината. Количествата без измерения могат да бъдат получени от изброените параметри, като константата на фината структура и съотношението на масите на електрона и протона. Стойностите на тези безразмерни количества не зависят от избора на мерни единици. Следователно въпросът е много важен, постоянни ли са тези стойности?
Ако те се промениха, това не би повлияло само на скоростта на светлината. Цялата химия се основава на тези стойности, химичните и механичните свойства на всички вещества зависят от тях. Скоростта на светлината би се променила по различни начини при избора на различни дефиниции за мерните единици. В този случай би било по-смислено промяната му да се приписва на промяна в заряда или масата на един електрон, отколкото на промяна в самата скорост на светлината.
Достатъчно надеждни наблюдения показват, че стойностите на тези безразмерни количества не са се променили през по-голямата част от живота на Вселената. … Вижте статията с често задавани въпроси Променили ли са се физическите константи с времето?
[Всъщност константата на фината структура зависи от мащаба на енергията, но тук имаме предвид нейната ниска енергийна граница.]
Специална теория на относителността
Определението на електромера в системата SI се основава и на предположението, че теорията на относителността е правилна. Скоростта на светлината е константа в съответствие с основния постулат на теорията на относителността. Този постулат съдържа две идеи:
- Скоростта на светлината не зависи от движението на наблюдателя.
- Скоростта на светлината не зависи от координатите във времето и пространството.
Идеята, че скоростта на светлината не зависи от скоростта на наблюдателя, е противоположна. Някои хора дори не могат да се съгласят, че тази идея има смисъл. През 1905 г. Айнщайн показа, че тази идея е логично правилна, ако се откажем от предположението за абсолютната природа на пространството и времето.
През 1879 г. се смяташе, че светлината трябва да се разпространява през някаква среда в пространството, като звук, разпространяващ се във въздуха и други вещества. Микелсън и Морли създават експеримент за откриване на етер, наблюдавайки промяната в скоростта на светлината, когато посоката на движението на Земята спрямо Слънцето се променя през годината. За тяхна изненада не се установи промяна в скоростта на светлината.
Фицджералд предположи, че това е резултат от съкращаването на дължината на експерименталната настройка, когато тя се движи през етера с такова количество, поради което е невъзможно да се открие промяна в скоростта на светлината. Лоренц разшири тази идея до темпото на часовника и доказа, че етерът не може да бъде открит.
Айнщайн вярвал, че промените в дължината и темповете на часовниците се разбират най-добре като промени в пространството и времето, а не като промени във физическите обекти. Абсолютното пространство и време, въведено от Нютон, трябва да бъде изоставено. Скоро след това математикът Минковски показа, че теорията на относителността на Айнщайн може да се тълкува като четириизмерна неевклидова геометрия, като разглежда пространството и времето като едно цяло - пространство-време.
Теорията на относителността не се основава само на математика, но се подкрепя и от множество преки експерименти. По-късно експериментите на Микелсън-Морли се повтарят с по-голяма точност.
През 1925 г. Дейтън Милър обявява, че е открил промени в скоростта на светлината. Той дори получи награда за това откритие. През 50-те години на миналия век допълнителното разглеждане на работата му показва, че резултатите очевидно са свързани с дневните и сезонните температурни промени в неговата експериментална настройка.
Съвременните физически инструменти лесно биха могли да открият движението на етера, ако той съществува. Земята се движи около Слънцето със скорост около 30 км / с. Ако скоростите бяха добавени в съответствие с Нютоновата механика, тогава последните 5 цифри в стойността на скоростта на светлината, постулирани в системата SI, биха били безсмислени. Днес физиците в ЦЕРН (Женева) и Фермилаб (Чикаго) ускоряват частиците всеки ден до косъм, близък до скоростта на светлината. Всяка зависимост на скоростта на светлината от референтната рамка би била забелязана отдавна, освен ако тя е неусетно малка.
Какво става, ако вместо теория за промяната в пространството и времето, следваме теорията на Лоренц-Фицджералд, която предполага, че етер съществува, но не може да бъде открит поради физически промени в дължината на материалните обекти и скоростта на часовника?
За да бъде тяхната теория съвместима с наблюденията, етерът трябва да бъде неоткриваем с часовник и линийка. Всичко, включително наблюдателят, ще се сключи и намали с точно необходимата сума. Такава теория би могла да направи същите прогнози за всички експерименти като теорията на относителността. Тогава етерът би бил метафизична цялост, освен ако не намерят някакъв друг начин да го открият - никой все още не е намерил такъв начин. От гледна точка на Айнщайн подобно образувание би било ненужно усложнение; по-добре би било да се премахне от теорията.
Обща теория на относителността
Айнщайн разработи по-обща теория на относителността, която обясни гравитацията по отношение на кривината на космическото време и той говори за промяната на скоростта на светлината в тази нова теория. През 1920 г. в книгата Относителност. Специалната и обща теория”, той пише:
… В общата теория на относителността законът за постоянството на скоростта на светлината във вакуум, който е едно от двете основни предположения в специалната теория на относителността, […] не може да бъде безусловно валиден. Кривината на лъч светлина може да се осъществи само когато скоростта на разпространение на светлината зависи от нейното положение.
Тъй като Айнщайн говореше за вектор на скоростта (скорост и посока), а не само за скорост, не е ясно дали той е имал предвид, че величината на скоростта се променя, но позоваването на специалната относителност казва, че да, той го е направил. Това разбиране е абсолютно правилно и има физическо значение, но в съответствие с модерната интерпретация скоростта на светлината е постоянна в общата теория на относителността.
Трудността тук е, че скоростта зависи от координатите и са възможни различни интерпретации. За да определим скоростта (изминато разстояние / изминало време), първо трябва да изберем някои стандарти за разстояние и време. Различните стандарти могат да дадат различни резултати. Това е приложимо за специалната теория на относителността: ако измервате скоростта на светлината в ускоряваща се референтна рамка, то в общия случай тя се различава от c.
В специална относителност скоростта на светлината е константа във всяка инерционна референтна рамка. Като цяло относителността е подходящо обобщение, че скоростта на светлината е постоянна във всяка свободно падаща контролна рамка в достатъчно малък регион, за да пренебрегне приливните сили. В горния цитат Айнщайн не говори за свободно падаща референтна рамка. Той говори за референтна рамка в покой спрямо източника на гравитация. В такава референтна рамка скоростта на светлината може да се различава от c поради влиянието на гравитацията (кривина на пространството и времето) върху часовника и линейката.
Ако общата теория на относителността е правилна, то постоянството на скоростта на светлината в инерциална референтна рамка е тавтологично следствие от геометрията на пространството-времето. Пътуването със скорост с в инерциална референтна рамка е пътуване по права световна линия върху повърхността на светлинен конус.
Използването на константата c в системата SI като коефициент за връзката между измервателния уред и второто е напълно оправдано, както теоретично, така и практично, защото c е не само скоростта на светлината - тя е основно свойство на геометрията на пространството-времето.
Както при специалната относителност, прогнозите за обща относителност са потвърдени от много наблюдения.
В резултат на това стигаме до извода, че скоростта на светлината е постоянна, не само в съответствие с наблюденията. В светлината на добре проверените физически теории дори няма смисъл да се говори за неговата непостоянство.