Ovo se pitanje može razumjeti na različite načine. Stoga postoje različiti odgovori.
Postoji li različita brzina svjetlosti u zraku ili vodi?
Da. Svjetlost se usporava u prozirnim tvarima poput zraka, vode ili stakla. Koliko puta se svjetlost usporava određuje se indeks loma (indeks loma) medija. Uvijek je veća od jedne. To je otkriće 1850. godine napravio Leon Foucault.
Kada govore o "brzini svjetlosti", obično znače brzinu svjetlosti u vakuumu. To je ona koja je označena slovom c.
Je li brzina svjetlosti konstantna u vakuumu?
Godine 1983. Opća konferencija o težini i mjerama (Conference Generale des Poids et Mesures) usvojila je sljedeću definiciju mjerača SI:
Metar je duljina puta svjetlosti u vakuumu tijekom 1/299 792 458 sekundi
Promotivni video:
Ovim se također utvrdilo da je brzina svjetlosti u vakuumu točno jednaka 299792458 m / s. Kratki odgovor na pitanje "Je li c konstanta": Da, c je konstanta po definiciji!
Ali to nije cijeli odgovor. Sustav SI je vrlo praktičan. Njegove definicije temelje se na najpoznatijim metodama mjerenja i stalno se revidiraju. Danas se za najpreciznije mjerenje makroskopskih udaljenosti šalje impuls laserske svjetlosti i mjeri se vrijeme koje svjetlo treba prijeći potrebnu udaljenost. Vrijeme se mjeri atomskim satom. Točnost najboljeg atomskog sata je 1/10 13. Upravo je ta definicija brojila najmanja pogreška u mjerenju udaljenosti.
Definicije sustava SI temelje se na nekom razumijevanju zakona fizike. Na primjer, pretpostavlja se da čestice svjetlosti, fotoni, nemaju masu. Ako bi foton imao malu masu mirovanja, tada definicija metra u SI sustavu ne bi bila točna, jer brzina svjetlosti ovisi o valnoj duljini. Iz definicije ne bi slijedilo da je brzina svjetlosti konstantna. Trebalo bi precizirati definiciju metra dodavanjem boje svjetla koje se koristi.
Iz pokusa je poznato da je masa fotona vrlo mala ili jednaka nuli. Moguća ne-nulta masa fotona toliko je mala da je nebitno za određivanje brojila u doglednoj budućnosti. Ne može se pokazati da je to tačna nula, ali u modernim općenito prihvaćenim teorijama to je nula. Ako, ipak, nije nula, a brzina svjetlosti nije konstantna, tada bi teoretski trebala postojati količina c - gornja granica brzine svjetlosti u vakuumu, i možemo postaviti pitanje "je li ta količina c konstanta?"
U prošlosti su se metar i sekunda određivali na različite načine na temelju boljih tehnika mjerenja. Definicije se u budućnosti mogu promijeniti. Godine 1939. drugi je definiran kao 1/84600 prosječne duljine dana, a mjerač kao udaljenost između rizika na šipci od legure platine i iridija pohranjene u Francuskoj.
Sada je uz pomoć atomskog sata utvrđeno da se prosječna dužina dana mijenja. Specificirano je standardno vrijeme, ponekad dodavanje ili oduzimanje dijela sekunde od njega. Zemljina brzina rotacije usporava se za otprilike 1 / 100.000 sekunde godišnje zbog sila plime između Zemlje i Mjeseca. Mogu se dogoditi još veće promjene u duljini standardnog metra zbog kompresije metala.
Kao rezultat toga, u to se vrijeme brzina svjetlosti, mjerena u jedinicama m / s, vremenom malo mijenjala. Jasno je da su promjene vrijednosti c više uzrokovale korištene jedinice, nego neusaglašenost same brzine svjetlosti, ali pogrešno je pretpostaviti da je brzina svjetlosti sada postala konstantna, samo zato što je konstanta u sustavu SI.
Definicije u sustavu SI otkrile su da da bismo odgovorili na naše pitanje, moramo razjasniti što mislimo kad govorimo o postojanosti brzine svjetlosti. Moramo definirati definicije jedinica duljine i vremena za mjerenje količine c. U principu se mogu dobiti različiti odgovori kada se mjere u laboratoriju i kada se koriste astronomska promatranja. (Jedno od prvih mjerenja brzine svjetlosti izvršio je 1676. Olaf Roemer na temelju uočenih promjena u razdoblju pomračenja Jupiterovih Mjeseca.)
Na primjer, mogli bismo uzeti definicije utvrđene između 1967. i 1983. Tada je mjerač definiran kao 1650763,73 valne duljine crveno-narančaste svjetlosti od izvora na kriptonu-86, a drugi je definiran (kao što je to danas) kao 9192631770 razdoblja zračenja, što odgovara prijelazu između dvije hiperfine razine cezija-133. Za razliku od prethodnih definicija, one se temelje na apsolutnim fizičkim veličinama, a primjenjive su uvijek i svugdje. Možemo li reći da je brzina svjetlosti u ovim jedinicama konstantna?
Iz kvantne teorije atoma znamo da frekvencije i valne duljine uglavnom određuju Planckova konstanta, naboj elektrona, mase elektrona i jezgra i brzina svjetlosti. Količine bez dimenzija mogu se dobiti iz navedenih parametara, kao što je konstanta fine strukture i omjer masa elektrona i protona. Vrijednosti ovih bezdimenzionalnih veličina ne ovise o izboru mjernih jedinica. Stoga je pitanje vrlo važno, jesu li te vrijednosti konstantne?
Ako bi se promijenili, to ne bi utjecalo samo na brzinu svjetlosti. Sva se kemija temelji na tim vrijednostima, o njima ovise kemijska i mehanička svojstva svih tvari. Brzina svjetlosti mijenjala bi se na različite načine pri odabiru različitih definicija za mjerne jedinice. U ovom slučaju, imalo bi smisla njegovu promjenu pripisati promjeni naboja ili mase elektrona nego promjeni brzine same svjetlosti.
Dovoljno pouzdana opažanja pokazuju da se vrijednosti tih bezdimenzionalnih količina nisu mijenjale tijekom većeg dijela života svemira. … Pogledajte članak s često postavljanim pitanjima Jesu li se fizičke konstante s vremenom mijenjale?
[Zapravo konstanta fine strukture ovisi o skali energije, ali ovdje mislimo na njezinu nisku granicu energije.]
Specijalna teorija relativnosti
Definicija brojila u sustavu SI temelji se i na pretpostavci da je teorija relativnosti ispravna. Brzina svjetlosti je konstanta u skladu s osnovnim postulatom teorije relativnosti. Ovaj postulat sadrži dvije ideje:
- Brzina svjetlosti ne ovisi o kretanju promatrača.
- Brzina svjetlosti ne ovisi o koordinati u vremenu i prostoru.
Ideja da brzina svjetlosti ne ovisi o promatračkoj brzini kontraintuitivna je. Neki se ljudi čak ne mogu složiti da ova ideja ima smisla. Einstein je 1905. pokazao da je ta ideja logično ispravna ako odustanemo od pretpostavke o apsolutnoj prirodi prostora i vremena.
1879. godine vjerovalo se da svjetlost treba širiti kroz neki medij u svemiru, poput zvuka koji širi zrakom i drugim tvarima. Michelson i Morley postavili su eksperiment za otkrivanje etera promatrajući promjenu brzine svjetlosti kada se smjer gibanja Zemlje u odnosu na Sunce tijekom godine mijenja. Na njihovo iznenađenje, nije uočena promjena brzine svjetlosti.
Fitzgerald je sugerirao da je to rezultat skraćivanja duljine pokusne postave dok se ona kreće kroz eter za toliku količinu da je nemoguće otkriti promjenu brzine svjetlosti. Lorenz je tu ideju proširio na ritam sata i dokazao da se eter ne može otkriti.
Einstein je vjerovao da se promjene u duljini i brzini satova najbolje razumiju kao promjene u prostoru i vremenu, a ne kao promjene u fizičkim objektima. Apsolutni prostor i vrijeme, koje je uveo Newton, moraju se napustiti. Ubrzo nakon toga, matematičar Minkowski pokazao je da se Einsteinova teorija relativnosti može interpretirati u smislu četverodimenzionalne ne-euklidske geometrije, razmatrajući prostor i vrijeme kao jednu cjelinu - prostor-vrijeme.
Teorija relativnosti nije samo matematički utemeljena, već je podržana i brojnim izravnim eksperimentima. Kasnije su Michelson-Morleyevi eksperimenti ponovljeni s većom točnošću.
Dayton Miller je 1925. objavio da je otkrio promjene u brzini svjetlosti. Čak je dobio i nagradu za ovo otkriće. U 1950-ima, dodatno razmatranje njegovog rada pokazalo je da su rezultati očito povezani s dnevnim i sezonskim promjenama temperature u njegovom pokusnom okruženju.
Suvremeni fizički instrumenti lako bi mogli otkriti kretanje etera ako postoji. Zemlja se kreće oko Sunca brzinom od oko 30 km / s. Ako se dodaju brzine, u skladu s Newtonovom mehanikom, tada bi zadnjih 5 znamenki vrijednosti brzine svjetlosti, postulirane u SI sustavu, bilo besmisleno. Danas fizičari u CERN-u (Ženeva) i Fermilab (Chicago) svakodnevno ubrzavaju čestice do dlake koja je blizu brzine svjetlosti. Svaka ovisnost o brzini svjetlosti od referentnog okvira primjetila bi se davno, osim ako je ona neprimetno mala.
Što ako smo umjesto teorije o promjeni prostora i vremena slijedili teoriju Lorentz-Fitzgerald koja je sugerirala da eter postoji, ali ga ne možemo otkriti zbog fizičkih promjena u duljini materijalnih objekata i brzini takta?
Da bi njihova teorija bila u skladu s promatranjima, eter se mora ne prepoznati uz sat i ravnalo. Sve bi se, uključujući promatrača, ugovaralo i usporavalo za točno traženi iznos. Takva teorija mogla bi dati ista predviđanja za sve eksperimente kao i teorija relativnosti. Tada bi eter bio metafizička cjelina, ukoliko ne nađu neki drugi način da ga otkriju - nitko još nije pronašao takav način. S Einsteinovog stajališta, takav bi entitet bio nepotrebna komplikacija, bilo bi bolje ukloniti ga iz teorije.
Opća teorija relativnosti
Einstein je razvio općenitiju teoriju relativnosti, koja je objasnila gravitaciju u smislu zakrivljenosti prostora i vremena, a u novoj je teoriji govorio o promjeni brzine svjetlosti. 1920. godine u knjizi Relativnost. Posebnu i opću teoriju “, piše:
… u općoj teoriji relativnosti zakon postojanosti brzine svjetlosti u vakuumu, koji je jedna od dvije temeljne pretpostavke posebne teorije relativnosti, […] ne može bezuvjetno vrijediti. Zakrivljenost zrake svjetlosti može se ostvariti samo kad brzina širenja svjetlosti ovisi o njenom položaju.
Budući da je Einstein govorio o vektoru brzine (brzini i smjeru), a ne samo o brzini, nije jasno je li mislio da se veličina brzine mijenja, ali upućivanje na posebnu relativnost kaže da je, jeste. Ovo je razumijevanje apsolutno ispravno i ima fizičko značenje, ali u skladu s modernim tumačenjem, brzina svjetlosti je konstantna u općoj teoriji relativnosti.
Teškoća je u tome što brzina ovisi o koordinatama i moguća su različita tumačenja. Da bismo odredili brzinu (prijeđenu udaljenost / proteklo vrijeme) prvo moramo odabrati neke standarde udaljenosti i vremena. Različiti standardi mogu dati različite rezultate. To je primjenjivo za posebnu teoriju relativnosti: ako mjerite brzinu svjetlosti u ubrzavajućem referentnom okviru, onda se u općenitom slučaju razlikuje od c.
U posebnoj relativnosti brzina svjetlosti je konstanta u bilo kojem inercijalnom referentnom okviru. Općenito, relativnost je prikladna generalizacija da je brzina svjetlosti konstantna u bilo kojem slobodno padajućem referentnom okviru u dovoljno malom području da zanemarimo sile plima. U gornjem citatu, Einstein ne govori o slobodno padajućem referentnom okviru. On govori o referentnom okviru u mirovanju u odnosu na izvor gravitacije. U takvom se referentnom okviru brzina svjetlosti može razlikovati od c zbog utjecaja gravitacije (zakrivljenost prostora-vremena) na sat i ravnalo.
Ako je opća teorija relativnosti ispravna, tada je postojanost brzine svjetlosti u inercijalnom referentnom okviru tautološka posljedica geometrije prostora-vremena. Putovanje brzinom c u inercijalnom referentnom okviru je putovanje ravnom svjetskom linijom na površini svjetlosnog konusa.
Upotreba konstante c u SI sustavu kao koeficijenta za vezu između brojila i sekunde u potpunosti je opravdana, i teorijski i praktično, jer c nije samo brzina svjetlosti - ona je temeljno svojstvo geometrije prostora i vremena.
Kao i kod posebne relativnosti, predviđanja opće relativnosti potvrđena su brojnim opažanjima.
Kao rezultat toga, dolazimo do zaključka da je brzina svjetlosti konstantna, ne samo u skladu s opažanjima. U svjetlu dobro provjerenih fizičkih teorija, čak i nema smisla govoriti o njegovoj nedosljednosti.