Seda küsimust saab mõista erinevalt. Seetõttu on erinevaid vastuseid.
Kas õhus või vees on erinev valguse kiirus?
Jah. Valgus aeglustub läbipaistvates ainetes, nagu õhk, vesi või klaas. Valguse murdumisnäitaja (murdumisnäitaja) määrab mitu korda valgus aeglustub. See on alati suurem kui üks. Selle avastuse tegi Leon Foucault 1850. aastal.
Valguskiirusest rääkides tähendavad nad tavaliselt valguse kiirust vaakumis. Just tema on tähistatud tähega c.
Kas valguse kiirus on vaakumis püsiv?
1983. aastal võttis kaalude ja mõõtmete üldkonverents (Conference Generale des Poids et Mesures) vastu SI-arvesti järgmise määratluse:
Mõõtur on valguse tee pikkus vaakumis 1/299 792 458 sekundi jooksul
Reklaamvideo:
See määras ka, et valguse kiirus vaakumis on täpselt võrdne 299792458 m / s. Lühike vastus küsimusele "Kas c on konstant": Jah, c on määratluse järgi konstant!
Kuid see pole kogu vastus. SI-süsteem on väga praktiline. Selle määratlused põhinevad kõige tuntumatel mõõtmismeetoditel ja neid vaadatakse pidevalt läbi. Täna saadetakse makroskoopiliste vahemaade kõige täpsemaks mõõtmiseks laservalgusimpulss ja mõõdetakse aeg, mis kulub valguse vajaliku vahemaa läbimiseks. Aega mõõdetakse aatomkella abil. Parima aatomkella täpsus on 1/10 13. Just see mõõturi määratlus tagab minimaalse vea kauguse mõõtmisel.
SI-süsteemi määratlused põhinevad mõnel füüsikaseaduste mõistmisel. Näiteks eeldatakse, et valguse osakestel, footonitel, puudub mass. Kui footonil oleks väike puhkemass, siis pole SI-süsteemi arvesti määratlus õige, sest valguse kiirus sõltub lainepikkusest. Määratlusest ei järeldu, et valguse kiirus on püsiv. Mõõturi määratlust oleks vaja täpsustada, lisades kasutatava valguse värvi.
Katsetest on teada, et footoni mass on väga väike või võrdne nulliga. Fotoni võimalik nullist erinev mass on nii väike, et sellel pole lähitulevikus arvesti määramiseks tähtsust. Ei saa näidata, et see on täpne null, kuid tänapäevastes üldtunnustatud teooriates on see null. Kui sellegipoolest pole see null ja valguse kiirus pole konstantne, siis peaks teoreetiliselt olema mingi kogus c - valguse kiiruse ülemine piir vaakumis ja võime esitada küsimuse "kas see kogus c on konstant?"
Varem määrati arvesti ja teine erinevatel viisidel, tuginedes parematele mõõtmistehnikatele. Mõisted võivad tulevikus muutuda. 1939. aastal defineeriti teine kui 1/84600 päeva keskmisest pikkusest ja meeter Prantsusmaal ladustatud plaatina ja iriidiumi sulami vardal olevate riskide vahekauguseks.
Nüüd on aatomkella abil kindlaks tehtud, et päeva keskmine pikkus muutub. Täpsustatakse tavaline aeg, lisades või lahutades sellest mõnikord sekundi murdosa. Maa pöörlemiskiiruse tõttu Maa ja Kuu vahel aeglustub Maa pöörlemiskiirus umbes 1/100 000 sekundi võrra aastas. Standardmõõturi pikkuses võib metalli kokkusurumise tõttu veelgi suuremaid muutusi olla.
Selle tulemusel muutus valguse kiirus, mõõdetuna ühikutes m / s, aja jooksul pisut. On selge, et c väärtuse muutused olid rohkem põhjustatud kasutatavatest ühikutest kui valguse kiiruse enda püsimatusest, kuid on vale eeldada, et valguse kiirus on nüüd muutunud konstantseks lihtsalt sellepärast, et see on SI-süsteemis konstant.
SI-süsteemi määratlustest selgus, et oma küsimusele vastamiseks peame täpsustama, mida mõtleme, kui räägime valguse kiiruse püsivusest. Koguse c mõõtmiseks peame määratlema pikkuse ja aja ühikud. Põhimõtteliselt võib laboris mõõtmisel ja astronoomiliste vaatluste kasutamisel saada erinevaid vastuseid. (Üks esimesi valguse kiiruse mõõtmisi tegi 1676. aastal Olaf Roemer, tuginedes Jupiteri kuude ekleerimise perioodil täheldatud muutustele.)
Näiteks võiksime võtta definitsioonid, mis kehtestati aastatel 1967–1983. Siis määratleti arvesti krüptoon-86 punase-oranži valgusallika lainepikkusena 1650763,73 ja teine (nagu see on tänapäeval) 9192631770 kiirgusperioodina, mis vastab üleminekule tseesium-133 kahe ülitäpse taseme vahel. Erinevalt varasematest määratlustest põhinevad need absoluutsetel füüsikalistel suurustel ja on rakendatavad alati ja kõikjal. Kas võib öelda, et valguse kiirus on neis ühikutes püsiv?
Aatomi kvantteooriast teame, et sagedused ja lainepikkused on peamiselt määratud Plancki konstandi, elektroni laengu, elektroni ja tuuma masside ning valguse kiirusega. Mõõtmeteta koguseid saab saada loetletud parameetritest, nagu peene struktuuriga konstant ja elektronide ja prootonide massisuhe. Nende mõõtmeteta suuruste väärtused ei sõltu mõõtühikute valimisest. Seetõttu on küsimus väga oluline, kas need väärtused on püsivad?
Kui need muutuksid, ei mõjutaks see ainult valguse kiirust. Kogu keemia põhineb neil väärtustel, nendest sõltuvad kõigi ainete keemilised ja mehaanilised omadused. Valguse kiirus muutuks erinevalt, kui valitakse mõõtühikutele erinevad määratlused. Sel juhul oleks mõttekam omistada selle muutumine elektroni laengu või massi muutusele kui valguse kiiruse muutumisele ise.
Piisavalt usaldusväärsed tähelepanekud näitavad, et nende mõõtmeteta suuruste väärtused ei muutunud enamuse universumi elu jooksul. … Vaadake KKK artiklit Kas füüsikalised konstandid on aja jooksul muutunud?
[Tegelikult sõltub peene struktuuriga konstant energia ulatusest, kuid siin peame silmas selle madalat energiapiiri.]
Spetsiaalne relatiivsusteooria
Mõõturi määratlus SI-süsteemis põhineb ka eeldusel, et relatiivsusteooria on õige. Valguskiirus on konstant vastavalt relatiivsusteooria põhipostulaadile. See postulaat sisaldab kaht ideed:
- Valguse kiirus ei sõltu vaatleja liikumisest.
- Valguse kiirus ei sõltu koordinaatidest ajas ja ruumis.
Idee, et valguse kiirus ei sõltu vaatleja kiirusest, on vastupidine. Mõned inimesed ei saa isegi nõustuda, et see idee on mõttekas. 1905. aastal näitas Einstein, et see idee on loogiliselt õige, kui loobuda eeldusest ruumi ja aja absoluutse olemuse kohta.
1879. aastal usuti, et valgus peaks levima ruumis läbi mõne keskkonna, nagu heli levib õhu ja muude ainete kaudu. Michelson ja Morley asutasid katse eetri tuvastamiseks, jälgides valguse kiiruse muutust, kui Maa liikumise suund Päikese suhtes aasta jooksul muutub. Nende üllatuseks ei tuvastatud muutusi valguse kiiruses.
Fitzgerald leidis, et see on eksperimentaalse seadistuse pikkuse lühenemise tulemus, kuna see liigub eetrist läbi nii palju, et valguse kiiruse muutust on võimatu tuvastada. Lorenz laiendas seda ideed kella tempos ja tõestas, et eetrit ei suudeta tuvastada.
Einstein arvas, et kellade pikkuse ja tempo muutusi saab kõige paremini mõista muutustena ruumis ja ajas, mitte aga füüsiliste objektide muutustena. Newtoni kasutuselevõetud absoluutsest ruumist ja ajast tuleb loobuda. Varsti pärast seda näitas matemaatik Minkowski, et Einsteini relatiivsusteooriat saab tõlgendada neljamõõtmelise mitte-eukleidilise geomeetriaga, pidades ruumi ja aega ühtseks tervikuks - ruum-aeg.
Relatiivsusteooria ei põhine ainult matemaatiliselt, vaid seda toetavad ka arvukad otsesed katsed. Hiljem korrati Michelson-Morley katseid suurema täpsusega.
1925. aastal teatas Dayton Miller, et on avastanud muutused valguse kiiruses. Selle avastuse eest sai ta isegi auhinna. 1950ndatel näitas tema töö täiendav kaalumine, et tulemused olid tema katselises seadistuses ilmselt seotud päeva- ja hooajaliste temperatuurimuutustega.
Kaasaegsed füüsilised instrumendid suutsid eetri liikumise hõlpsalt tuvastada, kui see oleks olemas. Maa liigub ümber Päikese kiirusega umbes 30 km / s. Kui lisada kiirused vastavalt Newtoni mehaanikale, siis pole SI-süsteemis postuleeritud valgusekiiruse viimased 5 numbrit mõttetud. Täna kiirendavad CERNi (Genf) ja Fermilabi (Chicago) füüsikud osakesi iga päev valguse kiirusele lähedaseks. Valguse kiiruse sõltuvust võrdlusraamistikust oleks juba ammu märgatud, kui see pole lubamatult väike.
Mis siis, kui ruumi ja aja muutumist käsitleva teooria asemel järgisime Lorentz-Fitzgeraldi teooriat, mis pakkus välja, et eeter on olemas, kuid seda ei saa tuvastada materiaalsete objektide pikkuse ja kellade kiiruse füüsikaliste muutuste tõttu?
Et nende teooria oleks vaatlustega kooskõlas, peab eeter olema kella ja joonlauaga tuvastamatu. Kõik, ka vaatleja, kahaneb ja aeglustub täpselt nõutud summa võrra. Selline teooria võiks teha kõigi katsete jaoks samu ennustusi kui relatiivsusteooria. Siis oleks eeter metafüüsiline üksus, välja arvatud juhul, kui nad leiavad selle avastamiseks mõne muu viisi - keegi pole sellist viisi veel leidnud. Einsteini seisukohast oleks selline üksus tarbetu komplikatsioon, parem oleks see teooriast eemaldada.
Üldine relatiivsusteooria
Einstein töötas välja üldisema relatiivsusteooria, mis selgitas gravitatsiooni kosmoseaja kumeruse osas ja ta rääkis valguse kiiruse muutumisest selles uues teoorias. Aastal 1920 raamatus Relatiivsus. Eriline ja üldine teooria”kirjutab ta:
[…] Relatiivsusteooria üldises teoorias ei saa valguse kiiruse püsivuse seadus vaakumis, mis on üks suhtelisuse eriteooria kahte põhieeldust, […] olla tingimusteta kehtiv. Valguskiire kumerust saab realiseerida ainult siis, kui valguse levimise kiirus sõltub selle asukohast.
Kuna Einstein rääkis kiiruse vektorist (kiirus ja suund), mitte ainult kiirusest, pole selge, kas ta mõtles, et kiiruse suurus muutub, kuid viide erirelatiivsusele ütleb, et jah, ta tegi seda. See arusaam on täiesti õige ja sellel on füüsiline tähendus, kuid vastavalt tänapäevasele tõlgendusele on valguse kiirus üldises relatiivsusteoorias püsiv.
Siin on keeruline see, et kiirus sõltub koordinaatidest ja võimalikud on erinevad tõlgendused. Kiiruse (läbitud vahemaa / läbitud aeg) määramiseks peame kõigepealt valima mõned vahemaa ja aja normid. Erinevad standardid võivad anda erinevaid tulemusi. See on rakendatav relatiivsusteooria eriteooria korral: kui mõõdate valguse kiirust kiirendavas võrdlusraamis, erineb see üldjuhul c-st.
Spetsiaalse relatiivsusteooria korral on valguse kiirus konstant igas inertsiaalses võrdlusraamis. Üldrelatiivsuse osas on sobiv üldistus see, et valguse kiirus on konstant igas vabalt langevas võrdlusraamis piisavalt väikeses piirkonnas, et loodejõudude tähelepanuta jätta. Ülaltoodud tsitaadis ei räägi Einstein vabalt langevast tugiraamistikust. Ta räägib raskusjõu allika suhtes puhkeasendist. Sellises võrdlusraamis võib valguse kiirus erineda c-st gravitatsiooni (ruumi-aja kumerus) mõju tõttu kellale ja joonlauale.
Kui üldine relatiivsusteooria on õige, siis on valguse kiiruse püsivus inertsiaalses võrdlusraamis ruumi-aja geomeetria tautoloogiline tagajärg. Inertsiaalses võrdlusraamis liikumine kiirusega c toimub mööda sirge maailmariiki heleda koonuse pinnal.
Konstandi c kasutamine SI-süsteemis arvesti ja teise vahelise ühenduse koefitsiendina on täielikult õigustatud, nii teoreetiliselt kui ka praktiliselt, kuna c pole ainult valguse kiirus - see on ruumi-aja geomeetria põhiline omadus.
Nagu erirelatiivsusteooria puhul, kinnitasid ka üldised relatiivsusteaduste ennustust paljud tähelepanekud.
Selle tulemusel jõuame järeldusele, et valguse kiirus on püsiv, mitte ainult kooskõlas vaatlustega. Hästi järeleproovitud füüsikaliste teooriate valguses pole isegi mõttetu rääkida selle püsimatusest.
