Šo jautājumu var saprast dažādi. Tāpēc ir dažādas atbildes.
Vai gaisā vai ūdenī ir atšķirīgs gaismas ātrums?
Jā. Gaisma tiek palēnināta caurspīdīgās vielās, piemēram, gaisā, ūdenī vai stiklā. Cik reizes gaisma palēninās, nosaka barotnes refrakcijas indekss (refrakcijas indekss). Tas vienmēr ir lielāks par vienu. Šo atklājumu izdarīja Leons Foucault 1850. gadā.
Kad viņi runā par "gaismas ātrumu", tie parasti nozīmē gaismas ātrumu vakuumā. Tā ir viņa, kas apzīmēta ar burtu c.
Vai gaismas ātrums vakuumā ir nemainīgs?
1983. gadā Vispārējā svaru un mēru konferencē (Conference Generale des Poids et Mesures) tika pieņemta šāda SI mērītāja definīcija:
Metrs ir gaismas ceļa garums vakuumā 1/299 792 458 sekunžu laikā
Reklāmas video:
Tas arī noteica, ka gaismas ātrums vakuumā ir precīzi vienāds ar 299792458 m / s. Īsa atbilde uz jautājumu "Vai c ir konstante": Jā, c pēc definīcijas ir konstante!
Bet tā nav visa atbilde. SI sistēma ir ļoti praktiska. Tās definīcijas ir balstītas uz pazīstamākajām mērīšanas metodēm un tiek pastāvīgi pārskatītas. Šodien, lai precīzāk izmērītu makroskopiskos attālumus, tiek nosūtīts lāzera gaismas impulss un izmērīts laiks, kas vajadzīgs, lai gaisma novirzītu nepieciešamo attālumu. Laiku mēra ar atomu pulksteni. Labākā atomu pulksteņa precizitāte ir 1/10 13. Tieši šī skaitītāja definīcija nodrošina minimālo kļūdu attāluma mērīšanā.
SI sistēmas definīcijas ir balstītas uz zināmu fizikas likumu izpratni. Piemēram, tiek pieņemts, ka gaismas daļiņām, fotoniem, nav masas. Ja fotonam būtu maza atpūtas masa, tad skaitītāja definīcija SI sistēmā nebūtu pareiza, jo gaismas ātrums būtu atkarīgs no viļņa garuma. No definīcijas neizriet, ka gaismas ātrums ir nemainīgs. Būtu jāprecizē skaitītāja definīcija, pievienojot izmantojamās gaismas krāsu.
No eksperimentiem ir zināms, ka fotona masa ir ļoti maza vai vienāda ar nulli. Iespējamā fotona masa, kas nav nulle, ir tik maza, ka tai nav nozīmes, lai noteiktu skaitītāju tuvākajā nākotnē. Nevar parādīt, ka tā ir precīza nulle, bet mūsdienu vispārpieņemtajās teorijās tā ir nulle. Ja tomēr tas nav nulle un gaismas ātrums nav konstants, tad teorētiski vajadzētu būt lielumam c - gaismas ātruma augšējai robežai vakuumā, un mēs varam uzdot jautājumu "vai šis daudzums c ir konstante?"
Agrāk skaitītāju un sekundi noteica dažādos veidos, pamatojoties uz labākām mērīšanas metodēm. Definīcijas nākotnē var mainīties. 1939. gadā otrais tika definēts kā 1/84600 no dienas vidējā garuma, bet metrs - kā attālums starp riskiem, ko uz stieņa rada platīna un iridija sakausējuma stieņi, ko glabā Francijā.
Tagad ar atomu pulksteņa palīdzību ir noteikts, ka vidējais dienas garums mainās. Tiek norādīts standarta laiks, dažreiz pievienojot vai atņemot sekundes daļu. Zemes rotācijas ātrums palēninās apmēram par 1/100 000 sekundē gadā plūdmaiņu spēka dēļ starp Zemi un Mēnesi. Metāla saspiešanas dēļ standarta mēraparāta garumā var būt vēl lielākas izmaiņas.
Rezultātā tajā laikā gaismas ātrums, ko mēra m / s vienībās, laika gaitā nedaudz mainījās. Ir skaidrs, ka c vērtības izmaiņas vairāk izraisīja izmantotās vienības, nevis pati gaismas ātruma nepastāvība, taču ir nepareizi uzskatīt, ka gaismas ātrums tagad ir kļuvis nemainīgs tikai tāpēc, ka tas ir konstants SI sistēmā.
Definīcijas SI sistēmā atklāja, ka, lai atbildētu uz mūsu jautājumu, mums jāprecizē, ko mēs domājam, runājot par gaismas ātruma noturību. Lai izmērītu daudzumu c, mums jādefinē garuma un laika vienības. Principā, veicot mērījumus laboratorijā un izmantojot astronomiskos novērojumus, var iegūt dažādas atbildes. (Vienu no pirmajiem gaismas ātruma mērījumiem 1676. gadā veica Olafs Rēmers, balstoties uz novērotajām izmaiņām Jupitera pavadoņu aptumsuma periodā.)
Piemēram, mēs varam ņemt definīcijas, kas noteiktas no 1967. gada līdz 1983. gadam. Tad skaitītājs tika noteikts kā 1650763,73 sarkano oranžas gaismas viļņu garums no avota uz kriptonu-86, un otrais tika definēts (kā tas ir šodien) kā 9192631770 starojuma periodi, kas atbilst pārejai starp diviem cesija-133 hiperfiniša līmeņiem. Atšķirībā no iepriekšējām definīcijām, to pamatā ir absolūti fiziski lielumi, un tie ir piemērojami vienmēr un visur. Vai mēs varam teikt, ka gaismas ātrums šajās vienībās ir nemainīgs?
No atoma kvantu teorijas mēs zinām, ka frekvences un viļņu garumus galvenokārt nosaka Planka konstante, elektrona lādiņš, elektronu un kodola masas un gaismas ātrums. Lielumus bez izmēra var iegūt no uzskaitītajiem parametriem, piemēram, smalkās struktūras konstantes un elektronu un protonu masu attiecības. Šo bezizmēra lielumu vērtības nav atkarīgas no mērvienību izvēles. Tāpēc jautājums ir ļoti svarīgs: vai šīs vērtības ir nemainīgas?
Ja tie mainītos, tas neietekmētu tikai gaismas ātrumu. Visa ķīmija ir balstīta uz šīm vērtībām, no tām ir atkarīgas visu vielu ķīmiskās un mehāniskās īpašības. Gaismas ātrums mainītos dažādos veidos, izvēloties dažādas mērvienību definīcijas. Šajā gadījumā būtu saprātīgāk tās mainīt piedēvēt elektrona lādiņa vai masas izmaiņām, nevis pašas gaismas ātruma izmaiņām.
Pietiekami ticami novērojumi rāda, ka šo bezizmēra lielumu vērtības visuma dzīves laikā nemainījās. … Skatiet BUJ rakstu. Vai laika gaitā ir mainījušās fizikālās konstantes?
[Patiesībā smalkās struktūras konstante ir atkarīga no enerģijas mēroga, bet šeit mēs domājam tās zemo enerģijas robežu.]
Speciālā relativitātes teorija
Skaitītāja definīcija SI sistēmā balstās arī uz pieņēmumu, ka relativitātes teorija ir pareiza. Gaismas ātrums ir nemainīgs saskaņā ar relativitātes teorijas pamatpostulātu. Šajā postulātā ir divas idejas:
- Gaismas ātrums nav atkarīgs no novērotāja kustības.
- Gaismas ātrums nav atkarīgs no koordinātām laikā un telpā.
Ideja, ka gaismas ātrums nav atkarīgs no novērotāja ātruma, ir pretintuitīva. Daži cilvēki pat nevar piekrist, ka šai idejai ir jēga. 1905. gadā Einšteins parādīja, ka šī ideja ir loģiski pareiza, ja atsakāmies no pieņēmuma par telpas un laika absolūto raksturu.
1879. gadā tika uzskatīts, ka gaismai vajadzētu izplatīties caur kādu kosmosa vidi, līdzīgi kā skaņa izplatās caur gaisu un citām vielām. Miķelsons un Morlijs izveidoja eksperimentu ētera noteikšanai, novērojot gaismas ātruma izmaiņas, kad gada laikā mainās Zemes kustības virziens attiecībā pret Sauli. Viņu pārsteigumam, gaismas ātruma izmaiņas netika atklātas.
Ficdžeralds ierosināja, ka tas ir eksperimentālā iestatījuma saīsināšanas rezultāts, jo tas pārvietojas pa ēteri par tādu daudzumu, ka nav iespējams noteikt gaismas ātruma izmaiņas. Lorenss šo ideju paplašināja līdz pulksteņa tempam un pierādīja, ka ēteri nav iespējams atklāt.
Einšteins uzskatīja, ka pulksteņu garuma un tempu izmaiņas vislabāk saprot kā izmaiņas telpā un laikā, nevis kā izmaiņas fiziskos objektos. Jāatsakās no absolūtās telpas un laika, ko ieviesa Ņūtons. Drīz pēc tam matemātiķis Minkowski parādīja, ka Einšteina relativitātes teoriju var interpretēt četrdimensionālā ne-Eiklīda ģeometrijā, ņemot vērā telpu un laiku kā vienotu vienību - telpas-laiku.
Relativitātes teorija ir balstīta ne tikai matemātiski, bet arī balstīta uz daudziem tiešiem eksperimentiem. Vēlāk Miķelsona-Morleja eksperimenti tika atkārtoti ar lielāku precizitāti.
1925. gadā Deitons Millers paziņoja, ka ir atklājis gaismas ātruma izmaiņas. Viņš pat saņēma balvu par šo atklājumu. Piecdesmitajos gados viņa darba papildu apsvēršana parādīja, ka rezultāti acīmredzami bija saistīti ar dienas un sezonas temperatūras izmaiņām viņa eksperimentālajā iestatījumā.
Mūsdienu fiziskie instrumenti varētu viegli noteikt ētera kustību, ja tā pastāvētu. Zeme pārvietojas ap Sauli ar ātrumu aptuveni 30 km / s. Ja ātrumi tiktu pievienoti saskaņā ar Ņūtona mehāniku, tad pēdējie 5 gaismas ātruma cipari, kas postīti SI sistēmā, būtu bezjēdzīgi. Mūsdienās CERN (Ženēva) un Fermilab (Čikāga) fiziķi katru dienu paātrina daļiņas matiem, kas ir tuvu gaismas ātrumam. Jebkura gaismas ātruma atkarība no atskaites rāmja būtu bijusi pamanāma jau sen, ja vien tas nebūtu nepieņemami mazs.
Ko darīt, ja teorijas par telpas un laika izmaiņām vietā mēs sekojām Lorenca-Ficdžeralda teorijai, kas ierosināja, ka ētera eksistē, bet to nevar noteikt materiālo objektu garuma un pulksteņa ātruma fizisko izmaiņu dēļ?
Lai viņu teorija atbilstu novērojumiem, ēterim jābūt nenosakāmam ar pulksteni un lineālu. Viss, ieskaitot novērotāju, saruks un palēnināsies tieši vajadzīgajā apjomā. Šāda teorija visiem eksperimentiem varētu dot tādas pašas prognozes kā relativitātes teorija. Tad ēteris būtu metafiziska vienība, ja vien viņi atrod kādu citu veidu, kā to atklāt - vēl neviens tādu nav atradis. No Einšteina viedokļa šāda vienība būtu nevajadzīgs sarežģījums, labāk to noņemt no teorijas.
Vispārīgā relativitātes teorija
Einšteins izstrādāja vispārīgāku relativitātes teoriju, kas izskaidroja smagumu kosmosa laika izliekuma izteiksmē, un viņš runāja par gaismas ātruma izmaiņām šajā jaunajā teorijā. 1920. gadā grāmatā Relativitāte. Īpašā un vispārīgā teorija”viņš raksta:
… vispārējā relativitātes teorijā vakuuma gaismas ātruma noturības likums, kas ir viens no diviem pamatpieņēmumiem speciālajā relativitātes teorijā, […] nevar būt bez nosacījumiem. Gaismas stara izliekumu var realizēt tikai tad, ja gaismas izplatīšanās ātrums ir atkarīgs no tā stāvokļa.
Tā kā Einšteins runāja par ātruma (ātruma un virziena) vektoru, nevis tikai par ātrumu, nav skaidrs, vai viņš domāja, ka mainās ātruma lielums, bet atsauce uz īpašo relativitāti saka, ka jā, viņš to izdarīja. Šī izpratne ir absolūti pareiza, un tai ir fiziska nozīme, taču saskaņā ar mūsdienu interpretāciju vispārējā relativitātes teorijā gaismas ātrums ir nemainīgs.
Grūtības sagādā tas, ka ātrums ir atkarīgs no koordinātām, un ir iespējamas dažādas interpretācijas. Lai noteiktu ātrumu (nobraukto attālumu / pagājušo laiku), vispirms jāizvēlas daži attāluma un laika standarti. Atšķirīgi standarti var dot atšķirīgus rezultātus. Tas ir piemērojams īpašajai relativitātes teorijai: ja mēra gaismas ātrumu paātrinātā atskaites ietvarā, tad parasti tas atšķiras no c.
Īpašā relativitātē gaismas ātrums ir nemainīgs jebkurā inerciālajā atsauces ietvarā. Vispārējā relativitātes jomā piemērots vispārinājums ir tāds, ka gaismas ātrums ir nemainīgs jebkurā brīvi krītošā atsauces ietvarā pietiekami mazā reģionā, lai neņemtu vērā plūdmaiņu spēkus. Iepriekš minētajā citātā Einšteins nerunā par brīvi krītošu atsauces ietvaru. Viņš runā par atskaites punktu miera stāvoklī attiecībā pret smaguma avotu. Šādā atskaites ietvarā gaismas ātrums var atšķirties no c, ņemot vērā gravitācijas (telpas laika izliekums) ietekmi uz pulksteni un lineālu.
Ja vispārīgā relativitātes teorija ir pareiza, tad gaismas ātruma noturība inerciālā atskaites ietvarā ir telpas-laika ģeometrijas tautoloģiskas sekas. Braukšana ar ātrumu c inerciālā atskaites rāmī ir pārvietošanās pa taisnu pasaules līniju uz gaismas konusa virsmas.
Konstantes c izmantošana SI sistēmā kā koeficientu savienojumam starp skaitītāju un otro ir pilnībā pamatota gan teorētiski, gan praktiski, jo c ir ne tikai gaismas ātrums - tas ir telpas-laika ģeometrijas pamatīpašība.
Tāpat kā īpašās relativitātes gadījumā, vispārējās relativitātes prognozes ir apstiprinājuši daudzi novērojumi.
Rezultātā mēs nonākam pie secinājuma, ka gaismas ātrums ir nemainīgs, ne tikai saskaņā ar novērojumiem. Ņemot vērā labi pārbaudītas fizikālās teorijas, nav jēgas pat runāt par tās nekonsekvenci.