Šį klausimą galima suprasti skirtingai. Todėl atsakymų yra įvairių.
- „Salik.biz“
Ar ore ar vandenyje yra kitoks šviesos greitis?
Taip. Šviesą lėtina skaidrios medžiagos, tokios kaip oras, vanduo ar stiklas. Kiek kartų šviesa sulėtėja, lemia terpės lūžio rodiklis (lūžio rodiklis). Jis visada yra didesnis nei vienas. Šį atradimą padarė Leon Foucault 1850 m.
Kai jie kalba apie „šviesos greitį“, jie paprastai reiškia šviesos greitį vakuume. Būtent ji yra pažymėta raide c.
Ar vakuume šviesos greitis yra pastovus?
1983 m. Generalinėje svorio ir matmenų konferencijoje (Conference Generale des Poids et Mesures) buvo priimtas toks SI matuoklio apibrėžimas:
Metras yra šviesos kelio ilgis vakuume per 1/299 792 458 sekundes
Reklaminis vaizdo įrašas:
Tai taip pat nustatė, kad šviesos greitis vakuume yra tiksliai lygus 299792458 m / s. Trumpas atsakymas į klausimą „Ar c yra konstanta“: Taip, c yra konstanta pagal apibrėžimą!
Bet tai ne visas atsakymas. SI sistema yra labai praktiška. Jos apibrėžimai grindžiami žinomiausiais matavimo metodais ir yra nuolat keičiami. Šiandien tiksliausiam makroskopinių atstumų matavimui siunčiamas lazerio šviesos impulsas ir matuojamas laikas, per kurį šviesa nuvažiuoja reikiamą atstumą. Laikas matuojamas atominiu laikrodžiu. Geriausio atominio laikrodžio tikslumas yra 1/10 13. Būtent šis skaitiklio apibrėžimas suteikia mažiausią paklaidą matuojant atstumą.
SI sistemos apibrėžimai yra pagrįsti tam tikru fizikos dėsnių supratimu. Pavyzdžiui, daroma prielaida, kad šviesos dalelės, fotonai, neturi masės. Jei fotonas turėtų nedidelę poilsio masę, tada skaitiklio apibrėžimas SI sistemoje nebūtų teisingas, nes šviesos greitis priklausys nuo bangos ilgio. Iš apibrėžimo neišplauktų, kad šviesos greitis yra pastovus. Reikėtų patikslinti skaitiklio apibrėžimą pridedant naudojamos šviesos spalvą.
Iš eksperimentų žinoma, kad fotono masė yra labai maža arba lygi nuliui. Galima nulio fotono masė yra tokia maža, kad artimoje ateityje nėra svarbu nustatyti skaitiklį. Negalima parodyti, kad tai yra tikslus nulis, tačiau šiuolaikinėse visuotinai pripažintose teorijose jis yra lygus nuliui. Jei vis dėlto jis nėra lygus nuliui, o šviesos greitis nėra pastovus, tada teoriškai turėtų būti dydis c - viršutinė šviesos greičio riba vakuume, ir mes galime užduoti klausimą „ar šis kiekis c yra konstanta?“
Anksčiau skaitiklis ir antrasis buvo nustatomi skirtingais būdais, remiantis geresniais matavimo būdais. Apibrėžtys ateityje gali keistis. 1939 m. Antrasis buvo apibrėžtas kaip 1/84600 vidutinio dienos ilgio, o metras - kaip atstumas tarp platinos ir iridžio lydinio lazdele esančių rizikų, saugomų Prancūzijoje.
Dabar, naudojant atominį laikrodį, buvo nustatyta, kad vidutinė dienos trukmė keičiasi. Nurodomas standartinis laikas, kartais pridedant arba atimant iš jo sekundės dalį. Žemės potvynio sukimosi greitis sulėtėja maždaug 1/100 000 sekundės per metus dėl potvynio jėgų tarp Žemės ir Mėnulio. Dėl metalo suspaudimo gali būti dar didesni standartinio skaitiklio ilgio pokyčiai.
Todėl tuo metu šviesos greitis, matuojamas m / s vienetais, laikui bėgant šiek tiek pasikeitė. Aišku, kad c vertės pokyčius labiau lėmė naudojami vienetai, o ne pats šviesos greičio nenuoseklumas, tačiau klaidinga manyti, kad šviesos greitis dabar tapo pastovus vien todėl, kad jis yra konstanta SI sistemoje.
Iš SI sistemos apibrėžimų paaiškėjo, kad norėdami atsakyti į mūsų klausimą, turime išsiaiškinti, ką turime omenyje kalbėdami apie šviesos greičio pastovumą. Privalome apibrėžti ilgio ir laiko vienetus, kad išmatuotume dydį c. Iš esmės, matuojant laboratorijoje ir naudojant astronominius stebėjimus, galima gauti skirtingus atsakymus. (Vienas iš pirmųjų šviesos greičio matavimų 1676 m. Atliktas Olafo Roemerio, remiantis stebimais Jupiterio mėnulių užtemimo laikotarpio pokyčiais.)
Pavyzdžiui, galime paimti apibrėžimus, nustatytus 1967–1983 m. Tada skaitiklis buvo apibrėžtas kaip 1650763,73 raudonos-oranžinės šviesos bangos ilgio iš šaltinio, esančio kriptono-86, ir antrasis buvo apibrėžtas (kaip yra šiandien) kaip 9192631770 radiacijos laikotarpiai, atitinkantys perėjimą tarp dviejų hiperfiksuotų cezio-133 lygių. Skirtingai nuo ankstesnių apibrėžimų, jie pagrįsti absoliučiais fiziniais dydžiais ir yra taikomi visada ir visur. Ar galima sakyti, kad šviesos greitis šiuose vienetuose yra pastovus?
Iš atominės kvantinės teorijos mes žinome, kad dažnius ir bangos ilgį daugiausia lemia Plancko konstanta, elektrono krūvis, elektrono ir branduolio masės bei šviesos greitis. Dydis be matmenų gali būti gaunamas iš išvardytų parametrų, tokių kaip smulkiosios struktūros konstanta ir elektronų bei protonų masių santykis. Šių be matmenų dydžių vertės nepriklauso nuo pasirinktų matavimo vienetų. Todėl labai svarbus klausimas, ar šios vertybės yra pastovios?
Jei jie pasikeistų, tai paveiktų ne tik šviesos greitį. Visa chemija remiasi šiomis vertėmis, nuo jų priklauso visų medžiagų cheminės ir mechaninės savybės. Pasirinkus skirtingus matavimo vienetų apibrėžimus, šviesos greitis keistųsi skirtingai. Tokiu atveju būtų prasmingiau jo pokytį priskirti elektrono krūvio ar masės pokyčiui, o ne pačiam šviesos greičio pokyčiui.
Pakankami patikimi stebėjimai rodo, kad šių be matmenų dydžių vertės nepasikeitė per didžiąją dalį visatos gyvenimo. … Žr. DUK straipsnį Ar fizinės konstantos laikui bėgant pasikeitė?
[Iš tikrųjų smulkiosios struktūros konstanta priklauso nuo energijos masto, bet čia turime omenyje jos žemą energijos ribą.]
Specialioji reliatyvumo teorija
Skaitiklio apibrėžimas SI sistemoje taip pat grindžiamas prielaida, kad reliatyvumo teorija yra teisinga. Šviesos greitis yra konstanta pagal pagrindinį reliatyvumo teorijos postulatą. Šiame postulate yra dvi idėjos:
- Apšvietimo greitis nepriklauso nuo stebėtojo judesio.
- Apšvietimo greitis nepriklauso nuo koordinačių laike ir erdvėje.
Mintis, kad šviesos greitis nepriklauso nuo stebėtojo greičio, yra priešinga. Kai kurie žmonės net negali sutikti, kad ši idėja turi prasmę. 1905 m. Einšteinas parodė, kad ši idėja logiškai teisinga, jei atsisakome prielaidos apie absoliutų erdvės ir laiko pobūdį.
1879 m. Buvo manoma, kad šviesa turėtų sklisti per kokią nors terpę erdvėje, kaip garsas sklinda per orą ir kitas medžiagas. Michelsonas ir Morley surengė eksperimentą eteriui aptikti stebėdami šviesos greičio pokyčius, kai per metus keičiasi Žemės judėjimo kryptis Saulės atžvilgiu. Jų nuostabai, šviesos greičio pokytis nebuvo pastebėtas.
Fitzgeraldas teigė, kad tai yra eksperimentinės sąrankos ilgio sutrumpėjimo rezultatas, kai jis juda per eterį tokiu mastu, kad neįmanoma nustatyti šviesos greičio pokyčio. Lorencas išplėtė šią idėją iki paros greičio ir įrodė, kad eterio nepavyko aptikti.
Einšteinas manė, kad laikrodžių ilgio ir tempo pokyčiai geriausiai suprantami kaip erdvės ir laiko pokyčiai, o ne fizinių objektų pokyčiai. Reikia atsisakyti absoliučios erdvės ir laiko, kurį įvedė Niutonas. Netrukus po to matematikas Minkowskis parodė, kad Einšteino reliatyvumo teoriją galima aiškinti keturių dimensijų neeuklidinės geometrijos prasme, atsižvelgiant į erdvę ir laiką kaip į vieną visumą - erdvės-laiką.
Reliatyvumo teorija pagrįsta ne tik matematiniais pagrindais, bet ir paremta daugybe tiesioginių eksperimentų. Vėliau Michelsono-Morley eksperimentai buvo pakartoti didesniu tikslumu.
1925 m. Daytonas Milleris paskelbė atradęs šviesos greičio pokyčius. Jis netgi gavo apdovanojimą už šį atradimą. Šeštajame dešimtmetyje papildomai apsvarsčius jo darbą paaiškėjo, kad rezultatai, matyt, buvo susiję su dienos ir sezoniniais temperatūros pokyčiais jo eksperimentinėje aplinkoje.
Šiuolaikiniai fiziniai instrumentai galėjo lengvai aptikti eterio judėjimą, jei jis egzistuotų. Žemė aplink Saulę juda maždaug 30 km / s greičiu. Jei greitis būtų pridėtas pagal Niutono mechaniką, paskutiniai 5 šviesos greičio skaitmenys, išdėstyti SI sistemoje, būtų beprasmiai. Šiandien CERN (Ženeva) ir Fermilab (Čikaga) fizikai kiekvieną dieną dalelių pagreitina plaukus, artimus šviesos greičiui. Bet kokia šviesos greičio priklausomybė nuo atskaitos rėmo būtų buvusi pastebėta jau seniai, nebent jis būtų nepriimtinai mažas.
Kas būtų, jei vietoje teorijos apie erdvės ir laiko pokyčius vadovautumėmės Lorentz-Fitzgerald teorija, kurioje teigiama, kad eteris egzistuoja, tačiau jo negalima aptikti dėl fizinių materialių objektų ilgio ir laikrodžio greičio pokyčių?
Kad jų teorija atitiktų stebėjimus, eteris neturi būti aptinkamas laikrodžiu ir liniuote. Viskas, įskaitant stebėtoją, susitrauktų ir sulėtėtų tiksliai reikiama suma. Tokia teorija galėtų sudaryti tokias pačias prognozes visiems eksperimentams kaip reliatyvumo teorija. Tuomet eteris būtų metafizinis darinys, nebent jie rastų kokį nors kitą būdą jį aptikti - dar niekas tokio nesurado. Einšteino požiūriu, toks subjektas būtų nereikalingas komplikacija, geriau jį pašalinti iš teorijos.
Bendroji reliatyvumo teorija
Einšteinas sukūrė bendresnę reliatyvumo teoriją, kuri paaiškino gravitaciją erdvėlaikio kreivės atžvilgiu, ir jis papasakojo apie šviesos greičio pokyčius šioje naujoje teorijoje. 1920 m., Knygoje „Santykis“. Specialioji ir bendroji teorija “, - rašo jis:
… bendrojoje reliatyvumo teorijoje šviesos greičio pastovumo dėsnis vakuume, kuris yra viena iš dviejų pagrindinių specialiosios reliatyvumo teorijos prielaidų, […] negali būti besąlygiškai galiojantis. Šviesos spindulio kreivumą galima realizuoti tik tada, kai šviesos sklidimo greitis priklauso nuo jo padėties.
Kadangi Einšteinas kalbėjo apie greičio (greičio ir krypties) vektorių, o ne tik apie greitį, neaišku, ar jis turėjo omenyje, kad greičio dydis keičiasi, tačiau nuoroda į specialiąją reliatyvumo teoriją sako, kad taip, jis taip ir padarė. Šis supratimas yra visiškai teisingas ir turi fizinę reikšmę, tačiau pagal šiuolaikinę interpretaciją šviesos greitis yra pastovus bendrojoje reliatyvumo teorijoje.
Sunkumas yra tas, kad greitis priklauso nuo koordinačių ir galimos skirtingos interpretacijos. Norėdami nustatyti greitį (nuvažiuotą atstumą / praleistą laiką), pirmiausia turime pasirinkti keletą atstumo ir laiko standartų. Skirtingi standartai gali duoti skirtingus rezultatus. Tai taikytina specialiajai reliatyvumo teorijai: jei matuojate šviesos greitį spartėjančiame atskaitos taške, tada bendruoju atveju jis skiriasi nuo c.
Esant ypatingam reliatyvumui, šviesos greitis yra konstanta bet kuriame inerciniame atskaitos taške. Kalbant apie reliatyvumą, tinkamas apibendrinimas yra tas, kad šviesos greitis yra pastovus bet kuriame laisvai krentančiame atskaitos taške pakankamai mažame regione, kad būtų išvengta potvynio jėgų. Aukščiau pateiktoje citatoje Einšteinas nekalba apie laisvai krintančią atskaitos sistemą. Jis pasakoja apie atskaitos rėmus ramybėje, palyginti su gravitacijos šaltiniu. Tokiame atskaitos taške šviesos greitis gali skirtis nuo c dėl gravitacijos (erdvės-laiko kreivės) įtakos laikrodžiui ir liniuotei.
Jei bendroji reliatyvumo teorija yra teisinga, tada šviesos greičio pastovumas inerciniame atskaitos taške yra tautologinė erdvės-laiko geometrijos pasekmė. Inerciniame atskaitos rėme važiavimas greičiu c eina tiesia pasaulio linija, esančia ant lengvo kūgio paviršiaus.
Pastovios c naudojimas SI sistemoje kaip ryšio tarp skaitiklio ir antrojo koeficientas yra visiškai pateisinamas tiek teoriškai, tiek praktiškai, nes c yra ne tik šviesos greitis - tai esminė erdvės-laiko geometrijos savybė.
Kaip ir specialiojo reliatyvumo atveju, bendrojo reliatyvumo prognozę patvirtino daugybė stebėjimų.
Dėl to darome išvadą, kad šviesos greitis yra pastovus ne tik atsižvelgiant į stebėjimus. Atsižvelgiant į gerai patikrintas fizines teorijas, net nėra prasmės kalbėti apie jo nenuoseklumą.