Túto otázku možno chápať rôznymi spôsobmi. Preto existujú rôzne odpovede.
Existuje iná rýchlosť svetla vo vzduchu alebo vo vode?
Áno. Svetlo sa spomaľuje v priehľadných látkach, ako sú vzduch, voda alebo sklo. Koľkokrát sa svetlo spomaľuje, je určené indexom lomu (indexom lomu) média. Je vždy väčší ako jeden. Tento objav urobil Leon Foucault v roku 1850.
Keď hovoria o „rýchlosti svetla“, zvyčajne znamenajú rýchlosť svetla vo vákuu. Písmeno c.
Je rýchlosť vákua konštantná vo vákuu?
V roku 1983 Generálna konferencia o váhach a mierach (Conference Generale des Poids et Mesures) prijala túto definíciu metra SI:
Merač je dĺžka dráhy svetla vo vákuu počas 1/299 792 458 sekúnd
Propagačné video:
To tiež určilo, že rýchlosť svetla vo vákuu sa presne rovná 299792458 m / s. Krátka odpoveď na otázku „Je konštanta c“: Áno, z definície je konštanta!
Ale to nie je celá odpoveď. Systém SI je veľmi praktický. Jeho definície sú založené na najznámejších metódach merania a sú neustále revidované. Dnes sa na čo najpresnejšie meranie makroskopických vzdialeností vysiela pulz laserového svetla a meria sa čas potrebný na prekonanie požadovanej vzdialenosti. Čas sa meria atómovými hodinami. Presnosť najlepších atómových hodín je 1/10 13. Táto definícia merača poskytuje minimálnu chybu pri meraní vzdialenosti.
Definície systému SI sú založené na určitom pochopení fyzikálnych zákonov. Napríklad sa predpokladá, že častice svetla, fotóny, nemajú hmotnosť. Keby mal fotón malú pokojovú hmotnosť, potom by definícia merača v systéme SI nebola správna, pretože rýchlosť svetla by závisela od vlnovej dĺžky. Z definície nevyplýva, že rýchlosť svetla je konštantná. Bolo by potrebné upresniť definíciu merača pridaním farby svetla, ktoré sa má použiť.
Z experimentov je známe, že hmotnosť fotónu je veľmi malá alebo sa rovná nule. Možná nenulová hmotnosť fotónu je taká malá, že nie je relevantná pre stanovenie meradla v dohľadnej budúcnosti. Nie je možné preukázať, že ide o presnú nulu, ale v moderných všeobecne akceptovaných teóriách je to nula. Ak to napriek tomu nie je nula a rýchlosť svetla nie je konštantná, potom by teoreticky mala existovať veličina c - horná hranica rýchlosti svetla vo vákuu a môžeme si položiť otázku „je táto veličina c konštantná?“.
V minulosti sa meter a druhý určovali rôznymi spôsobmi na základe lepších techník merania. Definície sa môžu v budúcnosti zmeniť. V roku 1939 bola druhá definovaná ako 1/84600 priemernej dĺžky dňa a meter ako vzdialenosť medzi rizikami na tyči zliatiny platiny a irídia uloženými vo Francúzsku.
Teraz sa pomocou atómových hodín zistilo, že sa priemerná dĺžka dňa mení. Je určený štandardný čas, niekedy sa od neho odpočíta zlomok sekundy. Rýchlosť rotácie Zeme sa spomalí približne o 1/100 000 sekundy za rok kvôli prílivovým silám medzi Zemou a Mesiacom. V dôsledku stlačenia kovu môžu byť ešte väčšie zmeny v dĺžke štandardného merača.
Výsledkom bolo, že v tom čase sa rýchlosť svetla meraná v jednotkách m / s v priebehu času mierne menila. Je zrejmé, že zmeny hodnoty c boli viac spôsobené použitými jednotkami ako nestálosťou rýchlosti svetla samotného, je však nesprávne predpokladať, že rýchlosť svetla sa teraz ustálila len preto, že je v systéme SI konštantná.
Definície v systéme SI odhalili, že na zodpovedanie našej otázky musíme objasniť, čo máme na mysli, keď hovoríme o stálosti rýchlosti svetla. Musíme zadefinovať definície jednotiek dĺžky a času na meranie množstva c. V zásade je možné získať rôzne odpovede pri meraní v laboratóriu a pri použití astronomických pozorovaní. (Jedno z prvých meraní rýchlosti svetla bolo vykonané v roku 1676 Olafom Roemerom na základe pozorovaných zmien v období zatmenia Jupiterových mesiacov.)
Napríklad by sme mohli brať definície stanovené v rokoch 1967 až 1983. Potom bol merač definovaný ako 1650763,73 vlnových dĺžok zdroja červenooranžového svetla na kryptone-86 a druhý bol definovaný (ako dnes) ako 9192631770 periód žiarenia zodpovedajúcich prechodu medzi dvoma hyperjemnými hladinami cézia-133. Na rozdiel od predchádzajúcich definícií sú založené na absolútnych fyzikálnych veličinách a sú uplatniteľné vždy a všade. Dá sa povedať, že v týchto jednotkách je rýchlosť svetla konštantná?
Z kvantovej teórie atómu vieme, že frekvencie a vlnové dĺžky sú určené predovšetkým Planckovou konštantou, nábojom elektrónu, hmotnosťou elektrónu a jadra a rýchlosťou svetla. Z uvedených parametrov je možné získať bezrozmerné veličiny, ako je konštanta jemnej štruktúry a pomer hmotností elektrónu a protónu. Hodnoty týchto bezrozmerných veličín nezávisia od výberu meracích jednotiek. Preto je otázka veľmi dôležitá, sú tieto hodnoty konštantné?
Ak by sa zmenili, neovplyvnilo by to iba rýchlosť svetla. Celá chémia je založená na týchto hodnotách, chemické a mechanické vlastnosti všetkých látok od nich závisia. Pri výbere rôznych definícií meracích jednotiek by sa rýchlosť svetla menila rôznymi spôsobmi. V tomto prípade by bolo rozumnejšie pripísať zmenu na náboj alebo hmotnosť elektrónu ako na zmenu rýchlosti svetla.
Dostatočne spoľahlivé pozorovania ukazujú, že hodnoty týchto bezrozmerných veličín sa počas väčšiny života vesmíru nezmenili. … Pozrite si článok Časté otázky Zmenili sa fyzikálne konštanty s časom?
[V skutočnosti konštanta jemnej štruktúry závisí od rozsahu energie, ale tu máme na mysli jej nízku energetickú hranicu.]
Špeciálna teória relativity
Definícia merača v systéme SI je tiež založená na predpoklade, že teória relativity je správna. Rýchlosť svetla je konštantná v súlade so základným postulátom teórie relativity. Tento postulát obsahuje dva nápady:
- Rýchlosť svetla nezávisí od pohybu pozorovateľa.
- Rýchlosť svetla nezávisí od súradníc v čase a priestore.
Myšlienka, že rýchlosť svetla je nezávislá od rýchlosti pozorovateľa, je neintuitívna. Niektorí ľudia sa dokonca nemôžu dohodnúť, že táto myšlienka má zmysel. V roku 1905 Einstein ukázal, že táto myšlienka je logicky správna, ak upustíme od predpokladu absolútnej povahy priestoru a času.
V roku 1879 sa verilo, že svetlo by sa malo šíriť cez nejaké médium vo vesmíre, napríklad zvuk sa šíri vzduchom a inými látkami. Michelson a Morley začali experiment na detekciu éteru pozorovaním zmeny rýchlosti svetla, keď sa v priebehu roka zmení smer pohybu Zeme vzhľadom na Slnko. K ich prekvapeniu sa nezistila žiadna zmena rýchlosti svetla.
Fitzgerald navrhol, že je to výsledok skrátenia dĺžky experimentálnej zostavy, keď sa pohybuje v éteri o také množstvo, kvôli čomu nie je možné zistiť zmenu rýchlosti svetla. Lorenz rozšírila túto myšlienku na tempo hodín a dokázala, že éter sa nedal zistiť.
Einstein veril, že zmeny v dĺžke a tempe hodín sa najlepšie chápu ako zmeny v priestore a čase, nie ako zmeny vo fyzických objektoch. Je potrebné opustiť absolútny priestor a čas, ktorý predstavil Newton. Čoskoro potom matematik Minkowski ukázal, že Einsteinova teória relativity sa dá interpretovať ako štvorrozmernú neeuklidovskú geometriu, pričom priestor a čas považuje za jednu entitu - priestor-čas.
Teória relativity nie je iba matematicky založená, ale podporuje ju aj množstvo priamych experimentov. Neskôr sa experimenty s Michelsonom-Morleym opakovali s väčšou presnosťou.
V roku 1925 Dayton Miller oznámil, že objavil zmeny v rýchlosti svetla. Za tento objav dokonca dostal cenu. V 50-tych rokoch ďalšie posúdenie jeho práce ukázalo, že výsledky zjavne súviseli s dennými a sezónnymi zmenami teploty v experimentálnom usporiadaní.
Moderné fyzikálne nástroje dokážu ľahko zistiť pohyb éteru, ak existuje. Zem sa pohybuje okolo Slnka rýchlosťou približne 30 km / s. Keby sa rýchlosti pridali v súlade s newtonovskou mechanikou, potom by posledných 5 číslic hodnoty rýchlosti svetla postulovaných v systéme SI nemalo zmysel. Dnes fyzici v CERN (Ženeva) a Fermilab (Chicago) každý deň zrýchľujú častice na vlasy blízke rýchlosti svetla. Akákoľvek závislosť rýchlosti svetla od referenčného rámca by sa zaznamenala už dávno, pokiaľ to nie je nepatrne malé.
Čo ak namiesto teórie o zmene priestoru a času sme postupovali podľa Lorentz-Fitzgeraldovej teórie, ktorá naznačuje, že éter existuje, ale nedá sa zistiť kvôli fyzickým zmenám v dĺžke hmotných objektov a tempe hodín?
Aby bola ich teória konzistentná s pozorovaniami, éter musí byť nezistiteľný hodinami a pravítkom. Všetko vrátane pozorovateľa by sa uzavrelo a spomalilo presne o požadovanú sumu. Takáto teória by mohla urobiť rovnaké predpovede pre všetky experimenty ako teória relativity. Potom by éter bol metafyzickou entitou, pokiaľ nenájdu iný spôsob, ako ho odhaliť - zatiaľ nikto taký spôsob nenašiel. Z pohľadu Einsteina by takáto entita bola zbytočnou komplikáciou, bolo by lepšie ju z teórie odstrániť.
Všeobecná teória relativity
Einstein vyvinul všeobecnejšiu teóriu relativity, ktorá vysvetlila gravitáciu z hľadiska zakrivenia časopriestoru a hovoril o zmene rýchlosti svetla v tejto novej teórii. V roku 1920 v knihe Relativita. Špeciálna a všeobecná teória “píše:
… Vo všeobecnej teórii relativity nemôže byť zákon o stálosti rýchlosti svetla vo vákuu, ktorý je jedným z dvoch základných predpokladov osobitnej teórie relativity, […] bezpodmienečne platný. Zakrivenie lúča svetla sa dá dosiahnuť len vtedy, keď rýchlosť šírenia svetla závisí od jeho polohy.
Pretože Einstein hovoril o vektore rýchlosti (rýchlosť a smer), a nielen o rýchlosti, nie je jasné, či tým myslel, že sa mení veľkosť rýchlosti, ale odkaz na osobitnú relativitu hovorí, že áno, urobil. Toto porozumenie je úplne správne a má fyzický význam, ale v súlade s moderným výkladom je rýchlosť svetla konštantná vo všeobecnej teórii relativity.
Problém je v tom, že rýchlosť závisí od súradníc a sú možné rôzne interpretácie. Aby sme určili rýchlosť (ubehnutá vzdialenosť / uplynutý čas), musíme si najprv zvoliť nejaké štandardy vzdialenosti a času. Rôzne normy môžu priniesť rôzne výsledky. Platí to pre špeciálnu teóriu relativity: ak meriate rýchlosť svetla v zrýchľujúcom sa referenčnom rámci, potom sa vo všeobecnosti líši od c.
V špeciálnej relativite je rýchlosť svetla konštantná v akomkoľvek inerciálnom referenčnom rámci. Všeobecne je relativita vhodná zovšeobecnenie tak, že rýchlosť svetla je konštantná v ľubovoľnom voľne padajúcom referenčnom rámci v dostatočne malej oblasti, aby sa zanedbali prílivové sily. V citácii vyššie nehovorí Einstein o voľne padajúcom referenčnom rámci. Hovorí o referenčnom rámci v pokoji vzhľadom na zdroj gravitácie. V takomto referenčnom rámci sa rýchlosť svetla môže líšiť od c kvôli vplyvu gravitácie (zakrivenia časopriestoru) na hodiny a pravítko.
Ak je všeobecná teória relativity správna, potom stálosť rýchlosti svetla v inerciálnom referenčnom rámci je tautologickým dôsledkom geometrie časopriestoru. Cesta rýchlosťou c v inerciálnom referenčnom rámci je dráha po priamke svetovej čiary na povrchu ľahkého kužeľa.
Použitie konštanty c v systéme SI ako koeficientu pre spojenie medzi glukomerom a druhým je úplne teoreticky aj prakticky opodstatnené, pretože c nie je iba rýchlosť svetla - je to základná vlastnosť časopriestorovej geometrie.
Rovnako ako v prípade osobitnej relativity, predpovede všeobecnej relativity boli potvrdené mnohými pozorovaniami.
Výsledkom je, že rýchlosť svetla je konštantná, nielen v súlade s pozorovaniami. Vo svetle osvedčených fyzikálnych teórií nemá zmysel hovoriť ani o jeho nejasnostiach.