Dette spørsmålet kan forstås på forskjellige måter. Derfor er det forskjellige svar.
Er det en annen lyshastighet i luft eller vann?
Ja. Lys bremses ned i gjennomsiktige stoffer som luft, vann eller glass. Hvor mange ganger lyset bremses, bestemmes av brytningsindeksen (brytningsindeksen) til mediet. Den er alltid større enn en. Denne oppdagelsen ble gjort av Leon Foucault i 1850.
Når de snakker om "lysets hastighet", mener de vanligvis lysets hastighet i et vakuum. Det er hun som er utpekt av bokstaven c.
Er lysets hastighet konstant i et vakuum?
I 1983 vedtok General Conference on Weights and Measures (Conference Generale des Poids et Mesures) følgende definisjon av SI-måleren:
En meter er lyslengde i lys i vakuum i løpet av 1/299 792 458 sekunder
Salgsfremmende video:
Dette bestemte også at lysets hastighet i et vakuum er nøyaktig lik 299792458 m / s. Kort svar på spørsmålet "Er c en konstant": Ja, c er en definisjon per definisjon!
Men det er ikke hele svaret. SI-systemet er veldig praktisk. Definisjonene er basert på de mest kjente målemetodene og blir kontinuerlig revidert. I dag, for en mest mulig nøyaktig måling av makroskopiske avstander, sendes det en puls med laserlys og det tar tid det tar for lyset å reise den nødvendige avstanden. Tid måles med en atomur. Nøyaktigheten til den beste atomklokken er 1/10 13. Det er denne definisjonen av måleren som gir minstefeil ved måling av avstanden.
Definisjonene av SI-systemet er basert på en viss forståelse av fysikkens lover. For eksempel antas det at lyspartikler, fotoner, ikke har masse. Hvis fotonet hadde en liten hvilemasse, ville definisjonen av måleren i SI-systemet ikke være riktig, fordi lysets hastighet vil avhenge av bølgelengden. Det følger ikke av definisjonen at lysets hastighet er konstant. Det ville være nødvendig å avgrense definisjonen av måleren ved å legge til fargen på lyset som skal brukes.
Det er kjent fra eksperimenter at massen til et foton er veldig liten eller lik null. Den mulige massen uten null for et foton er så liten at det er uten betydning for å bestemme måleren i overskuelig fremtid. Det kan ikke vises at dette er et nøyaktig null, men i moderne allment aksepterte teorier er det null. Hvis det likevel ikke er null, og lysets hastighet ikke er konstant, bør det teoretisk være en mengde c - den øvre grensen for lysets hastighet i et vakuum, og vi kan stille spørsmålet "er denne mengden c en konstant?"
I det siste ble meter og sekund bestemt på forskjellige måter basert på bedre måleteknikker. Definisjoner kan endre seg i fremtiden. I 1939 ble den andre definert som 1/84600 av den gjennomsnittlige lengden på en dag, og måleren som avstanden mellom risikoene på en stang av en legering av platina og iridium lagret i Frankrike.
Nå, ved hjelp av en atomur, er det blitt fastslått at den gjennomsnittlige lengden på en dag endres. Standardtiden er spesifisert, noen ganger legge til eller trekke fra en brøkdel av et sekund fra den. Jordens rotasjonshastighet bremser med omtrent 1/100 000 sekund per år på grunn av tidevannskreftene mellom Jorden og Månen. Det kan bli enda større endringer i lengden på standardmåleren på grunn av komprimeringen av metallet.
Som et resultat endret på det tidspunktet lysets hastighet, målt i enheter på m / s, litt over tid. Det er tydelig at endringene i verdien av c var mer forårsaket av enhetene som ble brukt enn av uoverensstemmelsen til selve lysets hastighet, men det er feil å anta at lysets hastighet nå har blitt konstant, bare fordi den er konstant i SI-systemet.
Definisjonene i SI-systemet avslørte at for å svare på spørsmålet vårt, må vi avklare hva vi mener når vi snakker om konstansen til lysets hastighet. Vi må definere definisjoner av enheter med lengde og tid for å måle mengden c. I prinsippet kan forskjellige svar fås når du måler i et laboratorium og når du bruker astronomiske observasjoner. (En av de første målingene av lysets hastighet ble gjort i 1676 av Olaf Roemer basert på de observerte endringene i formørkelsesperioden til Jupiters måner.)
For eksempel kan vi ta definisjonene som ble opprettet mellom 1967 og 1983. Deretter ble måleren definert som 1650763,73 bølgelengder med rød-oransje lys fra kilden på krypton-86, og det andre ble definert (som det er i dag) som 9192631770 stråleperioder som tilsvarer overgangen mellom to hyperfine nivåer av cesium-133. I motsetning til tidligere definisjoner, er disse basert på absolutte fysiske mengder, og gjelder alltid og overalt. Kan vi si at lysets hastighet er konstant i disse enhetene?
Fra kvanteteorien til atomet vet vi at frekvenser og bølgelengder hovedsakelig bestemmes av Plancks konstant, ladningen til elektronet, massene til elektronet og kjernen og lysets hastighet. Dimensjonsløse mengder kan oppnås fra de listede parametrene, for eksempel finstrukturskonstanten og forholdet mellom massene til elektron og proton. Verdiene av disse dimensjonsløse mengdene avhenger ikke av valget av måleenheter. Derfor er spørsmålet veldig viktig, er disse verdiene konstante?
Hvis de endret seg, ville det ikke bare påvirke lysets hastighet. All kjemi er basert på disse verdiene, de kjemiske og mekaniske egenskapene til alle stoffene er avhengige av dem. Lysets hastighet ville endre seg på forskjellige måter når du velger forskjellige definisjoner for måleenhetene. I dette tilfellet vil det være mer fornuftig å tilskrive endringen til en endring i ladningen eller massen til et elektron enn til en endring i lysets hastighet.
Pålitelige observasjoner viser at verdiene til disse dimensjonsløse mengdene ikke endret seg i løpet av det meste av universets liv. … Se FAQ-artikkelen Har fysiske konstanter endret seg med tiden?
[Faktisk er den fine strukturkonstanten avhengig av skalaen til energi, men her mener vi dens lave energigrense.]
Spesiell relativitetsteori
Definisjonen av måleren i SI-systemet er også basert på antagelsen om at relativitetsteorien er korrekt. Lysets hastighet er en konstant i samsvar med grunnleggende postulatet i relativitetsteorien. Dette postulatet inneholder to ideer:
- Lysets hastighet avhenger ikke av observatørens bevegelse.
- Lysets hastighet avhenger ikke av koordinater i tid og rom.
Tanken om at lysets hastighet er uavhengig av hastigheten til observatøren er motsatt. Noen mennesker kan ikke engang være enige i at denne ideen er fornuftig. I 1905 viste Einstein at denne ideen er logisk korrekt hvis vi forlater antakelsen om rom og tids absolutte natur.
I 1879 ble det antatt at lys skulle forplante seg gjennom et medium i rommet, som lyd som forplantes gjennom luft og andre stoffer. Michelson og Morley satte opp et eksperiment for å oppdage eter ved å observere endringen i lysets hastighet når jordens bevegelse i forhold til sola endres i løpet av året. Til deres overraskelse ble det ikke påvist noen endring i lysets hastighet.
Fitzgerald antydet at dette er et resultat av å forkorte lengden på det eksperimentelle oppsettet når det beveger seg gjennom eteren med en slik mengde at det er umulig å oppdage en endring i lysets hastighet. Lorenz utvidet denne ideen til tempoet på klokken, og beviste at eteren ikke kunne oppdages.
Einstein mente at endringer i lengde og tempo på klokker best forstås som endringer i rom og tid, snarere enn endringer i fysiske objekter. Absolutt rom og tid, introdusert av Newton, må forlates. Like etter viste matematikeren Minkowski at Einsteins relativitetsteori kan tolkes i form av firedimensjonal ikke-euklidisk geometri, idet han betrakter rom og tid som en enhet - rom-tid.
Relativitetsteorien er ikke bare matematisk basert, den støttes også av en rekke direkte eksperimenter. Senere ble Michelson-Morley-eksperimentene gjentatt med større nøyaktighet.
I 1925 kunngjorde Dayton Miller at han hadde oppdaget endringer i lysets hastighet. Han mottok til og med en pris for dette funnet. På 1950-tallet viste ytterligere vurdering av hans arbeid at resultatene tilsynelatende var relatert til endringer på dagtid og sesongmessige temperaturer i hans eksperimentelle oppsett.
Moderne fysiske instrumenter kunne lett oppdage bevegelsen til eteren hvis den eksisterte. Jorden beveger seg rundt sola med en hastighet på omtrent 30 km / s. Hvis hastighetene ble lagt til, i samsvar med Newtonsk mekanikk, ville de siste 5 sifrene i verdien av lysets hastighet, som er postulert i SI-systemet, være meningsløse. I dag akselererer fysikere ved CERN (Genève) og Fermilab (Chicago) partikler hver dag til et hår nær lysets hastighet. Enhver avhengighet av lysets hastighet på referanserammen ville blitt lagt merke til for lenge siden, med mindre den er umerkelig liten.
Hva hvis vi i stedet for en teori om endring i rom og tid fulgte Lorentz-Fitzgerald-teorien, som antydet at eteren eksisterer, men ikke kan oppdages på grunn av fysiske endringer i lengden på materielle gjenstander og i klokkens hastighet?
For at teorien skal være i samsvar med observasjoner, må eteren ikke påvises med en klokke og en linjal. Alt, inkludert observatøren, vil trekke seg sammen og redusere nøyaktig det nødvendige beløpet. En slik teori kan gi de samme spådommene for alle eksperimenter som relativitetsteorien. Da ville eteren være en metafysisk enhet, med mindre de finner en annen måte å oppdage den på - ingen har ennå funnet en slik måte. Fra Einsteins synspunkt ville en slik enhet være en unødvendig komplikasjon; det ville være bedre å fjerne den fra teorien.
Generell relativitetsteori
Einstein utviklet en mer generell relativitetsteori, som forklarte tyngdekraften med tanke på romtidens krumning, og han snakket om endringen i lysets hastighet i denne nye teorien. I 1920, i boka Relativitet. Den spesielle og generelle teorien”skriver han:
… i den generelle relativitetsteorien, kan loven om konstans for lysets hastighet i vakuum, som er en av to grunnleggende forutsetninger i den spesielle relativitetsteorien, […] ikke være ubetinget gyldig. Krumningen av en lysstråle kan bare realiseres når hastigheten for utbredelse av lys avhenger av dens posisjon.
Siden Einstein snakket om en vektor med hastighet (hastighet og retning), og ikke bare om hastighet, er det ikke klart om han mente at hastighetenes størrelse endret seg, men referansen til spesiell relativitetsteori sier at ja, det gjorde han. Denne forståelsen er helt korrekt, og har en fysisk betydning, men i samsvar med den moderne tolkningen er lysets hastighet konstant i den generelle relativitetsteorien.
Vanskeligheten her er at hastigheten avhenger av koordinatene, og forskjellige tolkninger er mulige. For å bestemme hastigheten (tilbakelagt / gått tid) må vi først velge noen avstand og tidsstandarder. Ulike standarder kan gi forskjellige resultater. Dette gjelder den spesielle relativitetsteorien: hvis du måler lysets hastighet i en akselererende referanseramme, så skiller den seg generelt fra c.
I spesiell relativitet er lysets hastighet en konstant i enhver treghetsramme. Generell relativitet er en passende generalisering at lysets hastighet er konstant i enhver fritt fallende referanseramme i et tilstrekkelig lite område til å forsømme tidevannskrefter. I sitatet ovenfor snakker ikke Einstein om en fritt fallende referanseramme. Han snakker om en referanseramme i ro i forhold til tyngdekilden. I en slik referanseramme kan lysets hastighet avvike fra c på grunn av tyngdekraften (rom-tidens krumning) på klokken og linjalen.
Hvis den generelle relativitetsteorien er korrekt, er konstanten av lysets hastighet i en treghetsramme en tautologisk konsekvens av geometrien i rom-tid. Kjøring med hastighet c i en treghetsreferanseramme er reise langs en rett verdenslinje på overflaten av en lys kjegle.
Bruken av konstanten c i SI-systemet som koeffisient for forbindelsen mellom måleren og den andre er helt berettiget, både teoretisk og praktisk, fordi c ikke bare er lysets hastighet - det er en grunnleggende egenskap for rom-tidsgeometri.
Som med spesiell relativitet, er spådommene om generell relativitet blitt bekreftet av mange observasjoner.
Som et resultat kommer vi frem til at lysets hastighet er konstant, ikke bare i samsvar med observasjoner. I lys av velprøvde fysiske teorier, er det ikke engang fornuftig å snakke om dets uholdbarhet.
