Tuto otázku lze chápat různými způsoby. Proto existují různé odpovědi.
Existuje jiná rychlost světla ve vzduchu nebo ve vodě?
Ano. Světlo se zpomaluje v průhledných látkách, jako je vzduch, voda nebo sklo. Kolikrát se světlo zpomalí, je určeno indexem lomu (indexem lomu) média. Je vždy větší než jedna. Tento objev provedl Leon Foucault v roce 1850.
Když mluví o „rychlosti světla“, obvykle znamenají rychlost světla ve vakuu. Dopisem je označena ona.
Je rychlost vakua konstantní ve vakuu?
V roce 1983 přijala Generální konference pro váhy a míry (Conference Generale des Poids et Mesures) následující definici měřiče SI:
Měřič je délka dráhy světla ve vakuu během 1/299 792 458 sekund
Propagační video:
To také určilo, že rychlost světla ve vakuu se přesně rovná 299792458 m / s. Krátká odpověď na otázku „Je c konstanta“: Ano, c je konstanta z definice!
Ale to není celá odpověď. Systém SI je velmi praktický. Jeho definice jsou založeny na nejznámějších metodách měření a jsou neustále revidovány. Dnes se pro nejpřesnější měření makroskopických vzdáleností vysílá puls laserového světla a měří se doba potřebná k tomu, aby světlo projelo požadovanou vzdálenost. Čas se měří atomovými hodinami. Přesnost nejlepších atomových hodin je 1/10 13. Právě tato definice měřiče poskytuje minimální chybu při měření vzdálenosti.
Definice systému SI jsou založeny na jistém pochopení fyzikálních zákonů. Předpokládá se například, že částice světla, fotony, nemají hmotu. Pokud by měl foton malou klidovou hmotu, pak by definice měřiče v systému SI nebyla správná, protože rychlost světla by záležela na vlnové délce. Z definice nevyplývá, že rychlost světla je konstantní. Bylo by nezbytné upřesnit definici měřiče přidáním barvy světla, které má být použito.
Z experimentů je známo, že hmotnost fotonu je velmi malá nebo se rovná nule. Možná nenulová hmotnost fotonu je tak malá, že není relevantní pro stanovení měřiče v dohledné budoucnosti. Nelze ukázat, že se jedná o přesnou nulu, ale v moderních obecně přijímaných teoriích je to nula. Pokud to přesto není nula a rychlost světla není konstantní, pak by teoreticky měla existovat veličina c - horní mez rychlosti světla ve vakuu a můžeme položit otázku „je toto množství c konstanta?“
V minulosti byly měřiče a sekundy stanovovány různými způsoby na základě lepších technik měření. Definice se mohou v budoucnu změnit. V roce 1939 byl druhý definován jako 1/84600 průměrné délky dne a metr jako vzdálenost mezi riziky na tyči slitiny platiny a iridia uložených ve Francii.
Nyní se pomocí atomových hodin ukázalo, že se průměrná délka dne mění. Standardní čas je určen, někdy od něj sečte nebo odečte zlomek sekundy. Rychlost rotace Země se zpomaluje asi o 1/100 000 sekundy za rok v důsledku přílivových sil mezi Zemí a Měsícem. V důsledku stlačení kovu mohou být ještě větší změny délky standardního měřiče.
V důsledku toho se v té době rychlost světla, měřená v jednotkách m / s, v průběhu času mírně změnila. Je zřejmé, že změny hodnoty c byly více způsobeny používanými jednotkami než nestabilitou samotné rychlosti světla, ale je chybné předpokládat, že rychlost světla se nyní ustálila, jen proto, že je v systému SI konstantní.
Definice v systému SI odhalily, že abychom mohli odpovědět na naši otázku, musíme objasnit, co tím myslíme, když mluvíme o stálosti rychlosti světla. Musíme definovat definice jednotek délky a času pro měření množství c. Při měření v laboratoři a při použití astronomických pozorování lze v zásadě získat různé odpovědi. (Jedno z prvních měření rychlosti světla bylo provedeno v roce 1676 Olafem Roemerem na základě pozorovaných změn v období zatmění Jupiterových měsíců.)
Mohli bychom například vzít definice stanovené mezi lety 1967 a 1983. Pak byl měřič definován jako 1650763,73 vlnových délek červenooranžového světla ze zdroje na kryptonu-86 a druhý byl definován (jak je tomu dnes) jako 9192631770 periody záření odpovídající přechodu mezi dvěma hyperjemnými hladinami cesia-133. Na rozdíl od předchozích definic jsou založeny na absolutních fyzikálních veličinách a jsou použitelné vždy a všude. Můžeme říci, že v těchto jednotkách je rychlost světla konstantní?
Z kvantové teorie atomu víme, že frekvence a vlnové délky jsou určovány hlavně Planckovou konstantou, nábojem elektronu, hmotami elektronu a jádra a rychlostí světla. Z uvedených parametrů lze získat bezrozměrná množství, jako je konstanta jemné struktury a poměr hmot elektronů a protonů. Hodnoty těchto bezrozměrných veličin nezávisí na výběru měřících jednotek. Otázka je proto velmi důležitá, jsou tyto hodnoty konstantní?
Pokud by se změnily, neovlivnilo by to pouze rychlost světla. Celá chemie je založena na těchto hodnotách, závisí na nich chemické a mechanické vlastnosti všech látek. Rychlost světla se mění různými způsoby při výběru různých definic pro měrné jednotky. V tomto případě by bylo rozumnější přičítat jeho změnu změně náboje nebo hmotnosti elektronu než změně rychlosti světla samotného.
Spolehlivá pozorování ukazují, že hodnoty těchto bezrozměrných veličin se během většiny života vesmíru nezměnily. … Viz článek FAQ Změnili se fyzické konstanty s časem?
[Ve skutečnosti konstanta jemné struktury závisí na stupnici energie, ale zde máme na mysli její nízký energetický limit.]
Speciální teorie relativity
Definice měřiče v systému SI je rovněž založena na předpokladu, že teorie relativity je správná. Rychlost světla je konstantní v souladu se základním postulátem teorie relativity. Tento postulát obsahuje dva nápady:
- Rychlost světla nezávisí na pohybu pozorovatele.
- Rychlost světla nezávisí na souřadnicích v čase a prostoru.
Myšlenka, že rychlost světla je nezávislá na rychlosti pozorovatele, je neintuitivní. Někteří lidé se dokonce nemohou dohodnout, že tento nápad má smysl. V roce 1905 Einstein ukázal, že tato myšlenka je logicky správná, pokud opustíme předpoklad absolutní povahy prostoru a času.
V 1879, to bylo věřil, že světlo by se mělo šířit přes nějaké médium v prostoru, jako zvuk se šíří vzduchem a jinými látkami. Michelson a Morley zahájili experiment na detekci etheru pozorováním změny rychlosti světla, když se během roku mění směr pohybu Země vůči Slunci. K jejich překvapení nebyla detekována žádná změna rychlosti světla.
Fitzgerald navrhl, že toto je výsledek zkrácení délky experimentálního nastavení, když se pohybuje v éteru o takové množství, kvůli čemuž je nemožné detekovat změnu rychlosti světla. Lorenz rozšířil tuto myšlenku na tempo hodin a dokázal, že éter nelze detekovat.
Einstein věřil, že změny v délce a tempu hodin lze nejlépe chápat jako změny v prostoru a čase, spíše než změny ve fyzických objektech. Absolutní prostor a čas představený Newtonem musí být opuštěn. Brzy poté matematik Minkowski ukázal, že Einsteinovu teorii relativity lze interpretovat pomocí čtyřrozměrné neeuklidovské geometrie, přičemž prostor a čas považuje za jednu entitu - časoprostor.
Teorie relativity není založena pouze na matematice, je podporována také řadou přímých experimentů. Později se experimenty Michelson-Morley opakovaly s větší přesností.
V roce 1925 Dayton Miller oznámil, že objevil změny v rychlosti světla. Za tento objev dokonce získal cenu. V padesátých letech další posouzení jeho práce ukázalo, že výsledky zjevně souvisely s denními a sezónními změnami teploty v jeho experimentálním uspořádání.
Moderní fyzické nástroje by mohly snadno detekovat pohyb éteru, pokud existuje. Země se pohybuje kolem Slunce rychlostí asi 30 km / s. Pokud by byly rychlosti přidány v souladu s newtonovskou mechanikou, pak by posledních 5 číslic v hodnotě rychlosti světla postulované v systému SI nemělo smysl. Fyzici v CERN (Ženeva) a Fermilab (Chicago) dnes zrychlují částice každý den na vlasy blízké rychlosti světla. Jakákoli závislost rychlosti světla na referenčním rámci by byla zaznamenána už dávno, pokud není nepostřehnutelně malá.
Co kdybychom namísto teorie o změně prostoru a času následovali Lorentz-Fitzgeraldovu teorii, která naznačovala, že éter existuje, ale nemůže být detekován kvůli fyzickým změnám v délce hmotných objektů a v rychlosti hodin?
Aby byla jejich teorie v souladu s pozorováním, musí být éter nezjistitelný hodinami a vládcem. Všechno, včetně pozorovatele, by se stahovalo a zpomalovalo přesně o požadovanou částku. Taková teorie by mohla učinit stejné předpovědi pro všechny experimenty jako teorie relativity. Pak by éter byl metafyzickou entitou, pokud nenajdou nějaký jiný způsob, jak to odhalit - nikdo takový způsob ještě nenašel. Z pohledu Einsteina by taková entita byla zbytečnou komplikací, bylo by lepší ji z teorie odstranit.
Obecná teorie relativity
Einstein vyvinul obecnější teorii relativity, která vysvětlovala gravitaci z hlediska zakřivení spacetime, a hovořil o změně rychlosti světla v této nové teorii. V roce 1920, v knize Relativity. Zvláštní a obecná teorie “píše:
… V obecné teorii relativity nemůže být zákon konstanty rychlosti světla ve vakuu, který je jedním ze dvou základních předpokladů ve speciální teorii relativity, […] bezpodmínečně platný. Zakřivení paprsku světla může být realizováno pouze tehdy, když rychlost šíření světla závisí na jeho poloze.
Protože Einstein mluvil o vektoru rychlosti (rychlost a směr), a nejen o rychlosti, není jasné, zda měl na mysli, že se míra rychlosti mění, ale odkaz na speciální relativitu říká, že ano, udělal. Toto porozumění je absolutně správné a má fyzický význam, ale v souladu s moderní interpretací je rychlost světla v obecné teorii relativity konstantní.
Potíž je v tom, že rychlost závisí na souřadnicích a jsou možné různé interpretace. Abychom určili rychlost (ujetá vzdálenost / uplynulý čas), musíme nejprve vybrat nějaké standardy vzdálenosti a času. Různé standardy mohou poskytnout odlišné výsledky. To platí pro speciální teorii relativity: pokud změříte rychlost světla v akceleračním referenčním rámci, pak se obecně liší od c.
Ve speciální relativitě je rychlost světla konstantní v jakémkoli inerciálním referenčním rámci. Obecně je relativita vhodná zobecnění tak, že rychlost světla je konstantní v libovolném volně padajícím referenčním rámci v dostatečně malé oblasti, aby zanedbávala přílivové síly. Ve výše uvedené citaci Einstein nemluví o volně padajícím referenčním rámci. Mluví o referenčním rámci v klidu vzhledem ke zdroji gravitace. V takovém referenčním rámci se rychlost světla může lišit od c kvůli vlivu gravitace (zakřivení časoprostoru) na hodiny a pravítko.
Pokud je obecná teorie relativity správná, pak stálost rychlosti světla v inerciálním referenčním rámci je tautologickým důsledkem geometrie časoprostoru. Pojezd rychlostí c v inerciálním referenčním rámci je pohyb po přímé světové linii na povrchu světelného kužele.
Použití konstanty c v systému SI jako koeficientu pro spojení mezi měřičem a druhým je zcela teoreticky i prakticky odůvodněno, protože c není jen rychlost světla - je to základní vlastnost geometrie časoprostoru.
Stejně jako u speciální relativity byly předpovědi obecné relativity potvrzeny mnoha pozorováními.
Výsledkem je, že rychlost světla je konstantní, nejen v souladu s pozorováním. Ve světle osvědčených fyzikálních teorií nemá ani smysl mluvit o jeho nejasnostech.