Ezt a kérdést különféleképpen lehet megérteni. Ezért vannak különböző válaszok.
Más a fénysebesség a levegőben vagy a vízben?
Igen. Az átlátszó anyagokban, például levegőben, vízben vagy üvegben a fény lelassul. A közeg törésmutatója (törésmutatója) határozza meg, hogy hányszor csökken a fény. Mindig nagyobb, mint egy. Ezt a felfedezést Leon Foucault tette 1850-ben.
Amikor a "fénysebességről" beszélnek, általában a fénysebességet jelzik vákuumban. Őt jelöli a c betű.
A fénysebesség állandó-e vákuumban?
1983-ban a Súly- és Mérnöki Általános Konferencia (Conference Generale des Poids et Mesures) elfogadta a SI-mérő következő meghatározását:
A méter a fény útjának hossza vákuumban 1/299 792 458 másodperc alatt
Promóciós videó:
Ez azt is meghatározta, hogy a fénysebesség vákuumban pontosan megegyezik 299792458 m / s-val. Rövid válasz a „c állandó” kérdésre: Igen, c definíció szerint állandó!
De ez nem az egész válasz. Az SI rendszer nagyon praktikus. Meghatározásai a legismertebb mérési módszereken alapulnak, és azokat folyamatosan felülvizsgálják. Manapság a makroszkopikus távolságok legpontosabb méréséhez lézerfény impulzust küldünk, és megmérjük azt az időt, amíg a fény eljut a kívánt távolságig. Az időt egy atomóra méri. A legjobb atomóra pontossága 1/10 13. A mérő ezen meghatározása adja a minimális hibát a távolság mérésénél.
Az SI rendszer meghatározásai a fizikai törvények bizonyos megértésén alapulnak. Feltételezzük például, hogy a fény részecskéinek, a fotonoknak nincs tömegük. Ha a fotonnak kicsi nyugalmi tömege lenne, akkor a mérő meghatározása az SI rendszerben nem lenne helyes, mivel a fénysebesség a hullámhossztól függ. A meghatározásból nem következik, hogy a fénysebesség állandó. A mérő meghatározását finomítani kellene a felhasznált fény színének hozzáadásával.
Kísérletekből ismert, hogy a foton tömege nagyon kicsi vagy nulla. A foton lehetséges nullán kívüli tömege olyan kicsi, hogy nincs jelentősége a mérő meghatározására a belátható jövőben. Nem lehet megmutatni, hogy ez egy pontos nulla, de a modern általánosan elfogadott elméletekben nulla. Ha ennek ellenére nem nulla, és a fénysebesség nem állandó, akkor elméletileg legyen egy c mennyiség - a fénysebesség felső határa vákuumban, és feltehetjük azt a kérdést, hogy "ez a mennyiség c állandó?"
A múltban a mérőt és a másodikat különböző módon határozták meg, jobb mérési technikák alapján. A meghatározások a jövőben változhatnak. 1939-ben a másodikat a nap átlagos hosszának 1/84600-éként, a métert pedig a platinaötvözet rúd és az irídium Franciaországban tárolt kockázatainak távolságaként határozták meg.
Egy atomóra segítségével megállapították, hogy egy nap átlagos hossza megváltozik. Meghatározza a szokásos időt, néha másodperc törtrészét hozzáadva vagy kivonva. A Föld forgási sebessége évente körülbelül 1/100 000 másodperccel lecsökken a föld és a hold közötti árapály-erők miatt. A standard mérőeszköz hosszában még nagyobb változások következhetnek be a fém összenyomása miatt.
Ennek eredményeként abban az időben a m / s mértékegységben mért fénysebesség az idő múlásával kissé megváltozott. Nyilvánvaló, hogy a c érték változását inkább a használt egységek okozták, mint maga a fénysebesség inkonstanciája, de helytelen azt feltételezni, hogy a fénysebesség állandóvá vált, csak azért, mert állandó az SI rendszerben.
A SI rendszer meghatározásai feltárták, hogy a kérdésünk megválaszolásához tisztáznunk kell, hogy mit értünk a fénysebesség állandóságáról. Meg kell határoznunk a hosszúság és az idő meghatározásait a c mennyiség mérésére. Elvileg különböző válaszok érhetők el laboratóriumi mérések és csillagászati megfigyelések felhasználásakor. (A fénysebesség egyik első mérését 1676-ban végezte Olaf Roemer, a Jupiter holdjai napfogyatkozásának megfigyelt változásai alapján.)
Vegyük például az 1967 és 1983 közötti meghatározásokat. Ezután a mérőt 1650763,73 vörös-narancssárga fény hullámhosszaként definiáltuk a forrásból a kripton-86-on, és a második értéket (a mai állapotnak megfelelően) 9192631770 sugárzási periódusokként határoztuk meg, amelyek megfelelnek a cézium-133 két hiperfinom szintje közötti átmenetnek. A korábbi meghatározásokkal ellentétben ezek abszolút fizikai mennyiségeken alapulnak, és mindig és mindenütt alkalmazhatók. Elmondhatjuk, hogy ezekben az egységekben a fénysebesség állandó?
Az atom kvantumelméletéből tudjuk, hogy a frekvenciákat és a hullámhosszokat elsősorban a Planck állandó, az elektron töltése, az elektron és a mag tömege, valamint a fénysebesség határozza meg. A méretek nélküli mennyiségeket a felsorolt paraméterekből, például a finomszerkezeti állandóból, valamint az elektron és a proton tömegének hányadából lehet megszerezni. Ezeknek a méret nélküli mennyiségeknek az értékei nem függnek a mértékegységek megválasztásától. Ezért nagyon fontos a kérdés, állandóak ezek az értékek?
Ha megváltoznának, az nem csak a fény sebességét befolyásolja. Az összes kémia ezeken az értékeken alapszik, minden anyag kémiai és mechanikai tulajdonságai tőle függnek. A fénysebesség különböző módon változhat, ha a definíciókat választják meg a mértékegységekhez. Ebben az esetben ésszerűbb lenne, ha változását az elektron töltésének vagy tömegének változásainak tulajdonítanák, mint maga a fénysebesség változásának.
Elég megbízható megfigyelések azt mutatják, hogy ezeknek a méret nélküli mennyiségeknek az értékei nem változtak az univerzum életének nagy részében. … Lásd a GYIK cikket. A fizikai állandók idővel megváltoztak?
[Valójában a finom szerkezeti állandó az energia méretétől függ, de itt értjük az alacsony energiahatárt.]
A relativitáselmélet speciális elmélete
A mérőeszköz meghatározása az SI rendszerben azon a feltevésen alapul, hogy a relativitáselmélet helyes. A fénysebesség állandó, összhangban a relativitáselmélet alapvető posztulátumával. Ez a posztuláció két ötletet tartalmaz:
- A fénysebesség nem függ a megfigyelő mozgásától.
- A fénysebesség nem függ az időben és a térben lévő koordinátáktól.
Az az elképzelés, miszerint a fénysebesség független a megfigyelő sebességétől, ellentmondásos. Egyesek még csak nem is értenek egyet abban, hogy ennek az ötletnek van értelme. 1905-ben Einstein megmutatta, hogy ez az ötlet logikusan helyes, ha elhagyjuk a tér és az idő abszolút természetére vonatkozó feltételezést.
1879-ben azt hitték, hogy a fénynek terjednie kell valamilyen közegen keresztül az űrben, mint például a hang terjed a levegőn és más anyagokon keresztül. Michelson és Morley kísérletet készített az éter észlelésére a fénysebesség változásának megfigyelésével, amikor a Földnek a Naphoz viszonyított mozgási iránya az év során megváltozik. Meglepetésükre, a fénysebesség változását nem észlelték.
Fitzgerald szerint ez a kísérleti beállítás hosszának lerövidülése, mivel az éteren keresztül mozog, olyan mértékben, hogy lehetetlen észlelni a fénysebesség változását. Lorenz kiterjesztette ezt az ötletet az óra sebességére, és bebizonyította, hogy az étert nem lehet észlelni.
Einstein úgy vélte, hogy az órák hosszának és ütemének változásait a térben és az időben bekövetkező változásokként lehet a legjobban megérteni, nem pedig a fizikai tárgyak változásaként. A Newton által bevezetett abszolút helyet és időt el kell hagyni. Nem sokkal ezelõtt, Minkowski matematikus megmutatta, hogy Einstein relativitáselmélete értelmezhetõ négydimenziós nem-euklideszi geometria szempontjából, figyelembe véve a helyet és az idõt egyetlen entitásként - a téridõ.
A relativitáselmélet nem csak matematikailag alapul, hanem számos közvetlen kísérlet is alátámasztja. Később a Michelson-Morley kísérleteket nagyobb pontossággal megismételték.
1925-ben Dayton Miller bejelentette, hogy felfedezte a fénysebesség változásait. Még díjat kapott a felfedezésért. Az 1950-es években munkájának további megfontolása azt mutatta, hogy az eredmények nyilvánvalóan a nappali és szezonális hőmérsékleti változásokhoz kapcsolódtak kísérleti rendszerében.
A modern fizikai eszközök könnyen észlelhetik az éter mozgását, ha létezik. A Föld a Nap körül mozog, kb. 30 km / s sebességgel. Ha a sebességeket hozzákapcsoljuk a newtoni mechanika szerint, akkor a fénysebesség értékének utolsó, az SI rendszerben feltételezett öt számjegye értelmetlen lenne. Manapság a CERN (Genf) és a Fermilab (Chicago) fizikusai minden nap felgyorsítják a részecskéket a fénysebességhez közeli hajra. A fénysebességnek a referenciakerettől való bármilyen függését már régen észrevették, kivéve, ha ez elfogadhatatlanul kicsi.
Mi lenne, ha a tér és idő változásáról szóló elmélet helyett Lorentz-Fitzgerald elméletet követnénk, amely szerint az éter létezik, de az anyagi objektumok hosszának és az óra sebességének fizikai változásai miatt nem észlelhető?
Ahhoz, hogy elméletük összhangban legyen a megfigyelésekkel, az étert nem lehet észlelni egy órával és vonalzóval. Minden, beleértve a megfigyelőt is, pontosan a szükséges összeggel csökken és lelassul. Egy ilyen elmélet ugyanazokat az előrejelzéseket teheti minden kísérletre, mint a relativitáselmélet. Akkor az éter metafizikai entitás lenne, hacsak nem találnak más módszert a detektálására - még senki nem talált ilyen utat. Einstein szempontjából egy ilyen entitás szükségtelen komplikáció lenne, jobb, ha eltávolítják az elméletből.
A relativitáselmélet általános elmélete
Einstein kifejlesztett egy általánosabb relativitáselméletet, amely magyarázta a gravitációt a téridő görbületével, és beszélt a fénysebesség változásáról ebben az új elméletben. 1920-ban, a relativitás könyvében. A speciális és általános elmélet”írja:
… az általános relativitáselméletben a vákuumban levő fénysebesség állandóságának törvénye, amely a speciális relativitáselmélet két alapvető feltételezésének egyike, […] nem lehet feltétel nélkül érvényes. A fénysugár görbülete csak akkor valósul meg, ha a fény terjedésének sebessége a helyzetétől függ.
Mivel Einstein a sebesség (sebesség és irány) vektoráról beszélt, és nem csak a sebességről, nem világos, hogy a sebesség nagyságának megváltozásával értette-e, de a speciális relativitáselméletre való hivatkozás azt mondja, hogy igen. Ez a megértés teljesen helyes és fizikai jelentéssel bír, de a modern értelmezésnek megfelelően a fénysebesség állandó az általános relativitáselméletben.
A nehézség az, hogy a sebesség a koordinátáktól függ, és különböző értelmezések lehetséges. A sebesség (megtett távolság / eltelt idő) meghatározásához először ki kell választanunk néhány távolság- és időszabványt. A különböző szabványok eltérő eredményeket adhatnak. Ez vonatkozik a speciális relativitáselméletre: ha egy fénysebességet mérünk egy gyorsuló referenciakeretben, akkor általában ez eltér a c-től.
Speciális relativitásellenállás esetén a fénysebesség állandó minden tehetetlenségi referenciakeretben. Az általános relativitáselmélet szempontjából megfelelő általánosítás az, hogy a fénysebesség állandó marad minden szabadon eső referenciakeretben egy elég kicsi régióban ahhoz, hogy az árapály erők figyelmen kívül hagyhatók. A fenti idézetben Einstein nem egy szabadon eső referenciakeretről beszél. Beszélt a referenciakeretről nyugalmi helyzetben a gravitációs forráshoz viszonyítva. Egy ilyen referenciakeretben a fénysebesség eltérhet c-től, mivel a gravitáció (a tér-idő görbülete) befolyásolja az órát és az vonalzót.
Ha az általános relativitáselmélet helyes, akkor a fénysebesség állandósága egy tehetetlenségi referenciakeretben a téridő geometriájának tautológiai következménye. A tehetetlenségi referenciakeret c sebességgel történő haladása egy könnyű kúp felületén egy egyenes világvonal mentén halad.
A c állandó alkalmazása a SI rendszerben a mérő és a második közötti kapcsolat koefficienseként mind elméletileg, mind gyakorlatilag teljesen indokolt, mert c nem csak a fénysebesség - ez a tér-idő geometriájának alapvető tulajdonsága.
A speciális relativitáselmélethez hasonlóan az általános relativitáselmélet előrejelzéseit számos megfigyelés megerősítette.
Ennek eredményeként arra a következtetésre jutunk, hogy a fénysebesség állandó, nem csak a megfigyelésekkel összhangban. A jól bevált fizikai elméletek fényében semmi értelme nem beszélni annak bizonytalanságáról.