Această întrebare poate fi înțeleasă în diferite moduri. Prin urmare, există răspunsuri diferite.
Există o viteză diferită de lumină în aer sau apă?
Da. Lumina încetinește în substanțe transparente precum aerul, apa sau sticla. De câte ori lumina încetinește este determinată de indicele de refracție (indicele de refracție) al mediului. Este întotdeauna mai mare decât unul. Această descoperire a fost făcută de Leon Foucault în 1850.
Când vorbesc despre „viteza luminii”, înseamnă de obicei viteza luminii în vid. Ea este cea care este desemnată prin litera c.
Viteza luminii este constantă în vid?
În 1983, Conferința generală privind greutățile și măsurile (Conference General des Poids et Mesures) a adoptat următoarea definiție a contorului SI:
Un contor este lungimea de cale a luminii într-un vid în timpul 1/299 792 458 secunde
Video promotional:
Acest lucru a determinat, de asemenea, că viteza luminii într-un vid este exact egală cu 299792458 m / s. Răspuns scurt la întrebarea „Este c o constantă”: Da, c este o constantă prin definiție!
Dar nu acesta este răspunsul întreg. Sistemul SI este foarte practic. Definițiile sale se bazează pe cele mai cunoscute metode de măsurare și sunt revizuite constant. Astăzi, pentru măsurarea cât mai exactă a distanțelor macroscopice, se transmite un impuls de lumină laser și se măsoară timpul necesar pentru ca lumina să parcurgă distanța necesară. Timpul este măsurat de un ceas atomic. Precizia celui mai bun ceas atomic este 1/10 13. Această definiție a contorului este cea care oferă eroarea minimă la măsurarea distanței.
Definițiile sistemului SI se bazează pe unele înțelegeri ale legilor fizicii. De exemplu, se presupune că particulele de lumină, fotonii, nu au nicio masă. Dacă fotonul ar avea o masă mică de repaus, atunci definiția contorului în sistemul SI nu ar fi corectă, deoarece viteza luminii ar depinde de lungimea de undă. Nu ar rezulta din definiția că viteza luminii este constantă. Ar fi necesar să rafinați definiția contorului adăugând culoarea luminii care va fi utilizată.
Din experimente se știe că masa unui foton este foarte mică sau egală cu zero. Masa posibilă non-zero a unui foton este atât de mică încât este irelevant pentru determinarea contorului în viitorul prevăzut. Nu se poate arăta că acesta este un zero exact, dar în teoriile moderne acceptate în general este zero. Dacă, cu toate acestea, nu este zero și viteza luminii nu este constantă, atunci teoretic ar trebui să existe o cantitate c - limita superioară a vitezei luminii în vid și putem pune întrebarea „este această cantitate c o constantă?”
În trecut, metrul și secunda erau determinate în moduri diferite, bazate pe tehnici de măsurare mai bune. Definițiile se pot schimba în viitor. În 1939, a doua a fost definită ca 1/84600 din lungimea medie a unei zile, iar contorul ca distanța dintre riscurile pe o tijă dintr-un aliaj de platină și iridiu păstrat în Franța.
Acum, cu ajutorul unui ceas atomic, s-a stabilit că durata medie a unei zile se schimbă. Timpul standard este specificat, uneori adunând sau scăzând o fracțiune de secundă din acesta. Viteza de rotație a Pământului încetinește cu aproximativ 1 / 100.000 de secunde pe an din cauza forțelor de maree dintre Pământ și Lună. Pot fi schimbări și mai mari în lungimea contorului standard datorită comprimării metalului.
Drept urmare, la acea dată viteza luminii, măsurată în unități de m / s, s-a modificat ușor în timp. Este clar că modificările valorii c au fost cauzate mai mult de unitățile utilizate decât de inconstanța vitezei luminii în sine, dar este greșit să presupunem că viteza luminii a devenit acum constantă, doar pentru că este o constantă în sistemul SI.
Definițiile din sistemul SI au relevat faptul că pentru a răspunde la întrebarea noastră, trebuie să clarificăm ce înseamnă noi atunci când vorbim despre constanța vitezei luminii. Trebuie să definim definițiile unităților de lungime și timp pentru a măsura cantitatea c. În principiu, diferite răspunsuri pot fi obținute atunci când se măsoară într-un laborator și când se utilizează observații astronomice. (Una dintre primele măsurători ale vitezei luminii a fost făcută în 1676 de Olaf Roemer pe baza modificărilor observate în perioada de eclipsă a lunilor lui Jupiter.)
De exemplu, am putea lua definițiile stabilite între 1967 și 1983. Apoi, contorul a fost definit ca 1650763.73 lungimi de undă de lumină roșie-portocalie de la sursa de pe kripton-86, iar al doilea a fost definit (așa cum este astăzi) ca 9192631770 perioade de radiație corespunzătoare tranziției între două niveluri hiperfine de cesiu-133. Spre deosebire de definițiile anterioare, acestea se bazează pe cantități fizice absolute și sunt aplicabile întotdeauna și oriunde. Putem spune că viteza luminii este constantă în aceste unități?
Din teoria cuantică a atomului, știm că frecvențele și lungimile de undă sunt determinate în primul rând de constanta lui Planck, de sarcina electronului, de masele electronului și nucleului și de viteza luminii. Cantitățile fără dimensiuni pot fi obținute din parametrii enumerați, cum ar fi constanta de structură fină și raportul dintre masele electronului și protonului. Valorile acestor cantități fără dimensiuni nu depind de alegerea unităților de măsură. Prin urmare, întrebarea este foarte importantă, aceste valori sunt constante?
Dacă s-ar schimba, nu ar afecta doar viteza luminii. Toată chimia se bazează pe aceste valori, proprietățile chimice și mecanice ale tuturor substanțelor depind de ele. Viteza luminii s-ar schimba în moduri diferite atunci când alegem definiții diferite pentru unitățile de măsură. În acest caz, ar avea mai mult sens să-i atribuim schimbarea unei modificări a încărcării sau masei unui electron decât unei schimbări a vitezei luminii în sine.
Observații suficient de fiabile arată că valorile acestor cantități fără dimensiuni nu s-au schimbat în timpul majorității vieții universului. … Consultați articolul Întrebări frecvente S-au schimbat constantele fizice cu timpul?
[De fapt, constanta structurii fine depinde de scara de energie, dar aici ne referim la limita sa redusă de energie.]
Teorie specială a relativității
Definiția contorului în sistemul SI se bazează, de asemenea, pe presupunerea că teoria relativității este corectă. Viteza luminii este o constantă în conformitate cu postulatul de bază al teoriei relativității. Acest postulat conține două idei:
- Viteza luminii nu depinde de mișcarea observatorului.
- Viteza luminii nu depinde de coordonate în timp și spațiu.
Ideea că viteza luminii este independentă de viteza observatorului este contraintuitivă. Unii oameni nici măcar nu pot fi de acord că această idee are sens. În 1905, Einstein a arătat că această idee este logic corectă dacă abandonăm presupunerea despre natura absolută a spațiului și a timpului.
În 1879, se credea că lumina ar trebui să se propage prin intermediul unui mediu în spațiu, precum sunetul se propagă prin aer și alte substanțe. Michelson și Morley au pus la punct un experiment pentru detectarea eterului prin observarea schimbării vitezei luminii atunci când direcția mișcării Pământului în raport cu Soarele se schimbă în cursul anului. Spre surprinderea lor, nu a fost detectată nicio modificare a vitezei luminii.
Fitzgerald a sugerat că acesta este rezultatul reducerii lungimii configurației experimentale, întrucât se deplasează prin eter cu o astfel de cantitate încât este imposibil de detectat o modificare a vitezei luminii. Lorenz a extins această idee la ritmul ceasului și a dovedit că eterul nu poate fi detectat.
Einstein credea că schimbările în lungimea și ritmul ceasurilor sunt cel mai bine înțelese ca schimbări în spațiu și timp, mai degrabă decât schimbări în obiecte fizice. Spațiul și timpul absolut, introduse de Newton, trebuie abandonate. La scurt timp după aceea, matematicianul Minkowski a arătat că teoria relativității lui Einstein poate fi interpretată în termeni de geometrie non-euclidiene în patru dimensiuni, considerând spațiul și timpul ca o singură entitate - spațiu-timp.
Teoria relativității nu se bazează numai matematic, ci este susținută și de numeroase experimente directe. Ulterior, experimentele Michelson-Morley au fost repetate cu o precizie mai mare.
În 1925, Dayton Miller a anunțat că a descoperit schimbări în viteza luminii. A primit chiar un premiu pentru această descoperire. În anii '50, o analiză suplimentară a lucrării sale a arătat că rezultatele au fost, aparent, legate de schimbările de temperatură pe timp de zi și de sezon în configurația sa experimentală.
Instrumentele fizice moderne ar putea detecta cu ușurință mișcarea eterului dacă ar exista. Pământul se mișcă în jurul Soarelui cu o viteză de aproximativ 30 km / s. Dacă vitezele ar fi adăugate, în conformitate cu mecanica newtoniană, atunci ultimele 5 cifre din valoarea vitezei luminii, postulate în sistemul SI, ar fi lipsite de sens. Astăzi, fizicienii de la CERN (Geneva) și Fermilab (Chicago) accelerează particulele în fiecare zi până la un păr apropiat de viteza luminii. Orice dependență a vitezei luminii de cadrul de referință ar fi fost observată cu mult timp în urmă, dacă nu este imperceptibil de mică.
Ce se întâmplă dacă, în loc de o teorie cu privire la schimbarea spațiului și a timpului, am fi respectat teoria Lorentz-Fitzgerald, care sugera că există eter, dar nu poate fi detectată datorită modificărilor fizice în lungimea obiectelor materiale și în ritmul ceasului?
Pentru ca teoria lor să fie în concordanță cu observațiile, eterul trebuie să fie nedetectabil cu un ceas și o riglă. Totul, inclusiv observatorul, s-ar contracta și s-ar decelera exact cu suma necesară. O astfel de teorie ar putea face aceleași predicții pentru toate experimentele ca teoria relativității. Atunci eterul ar fi o entitate metafizică, cu excepția cazului în care vor găsi vreun alt mod de a-l detecta - nimeni nu a găsit încă o astfel de cale. Din punctul de vedere al lui Einstein, o astfel de entitate ar fi o complicație inutilă, ar fi mai bine să o înlăture din teorie.
Teoria generală a relativității
Einstein a dezvoltat o teorie mai generală a relativității, care a explicat gravitația în ceea ce privește curbura spațiului, și a vorbit despre schimbarea vitezei luminii în această nouă teorie. În 1920, în cartea Relativity. Teoria specială și generală”scrie:
… în teoria generală a relativității, legea constanței vitezei luminii în vid, care este una dintre cele două presupuneri fundamentale din teoria specială a relativității, […] nu poate fi valabilă necondiționat. Curbura unei raze de lumină poate fi realizată numai atunci când viteza de propagare a luminii depinde de poziția sa.
Întrucât Einstein vorbea despre un vector al vitezei (viteză și direcție) și nu doar despre viteză, nu este clar dacă a vrut să spună că magnitudinea vitezei se schimbă, dar referirea la teoria specială a relativității spune că da, a făcut-o. Această înțelegere este absolut corectă și are un sens fizic, dar în conformitate cu interpretarea modernă, viteza luminii este constantă în teoria generală a relativității.
Dificultatea este că viteza depinde de coordonate și sunt posibile diferite interpretări. Pentru a determina viteza (distanța parcursă / timpul scurs) trebuie să alegem mai întâi niște standarde de distanță și timp. Standarde diferite pot da rezultate diferite. Acest lucru este aplicabil teoriei speciale a relativității: dacă măsurați viteza luminii într-un cadru accelerat de referință, atunci în caz general diferă de c.
În relativitate specială, viteza luminii este o constantă în orice cadru de referință inerțial. În relativitate generală, o generalizare adecvată este aceea că viteza luminii este o constantă în orice cadru de referință în cădere liberă într-o regiune suficient de mică pentru a neglija forțele de maree. În citatul de mai sus, Einstein nu vorbește despre un cadru de referință în cădere liberă. El vorbește despre un cadru de referință în repaus în raport cu sursa gravitației. Într-un astfel de cadru de referință, viteza luminii poate diferi de c datorită influenței gravitației (curbura spațiului-timp) asupra ceasului și riglei.
Dacă teoria generală a relativității este corectă, atunci constanța vitezei luminii într-un cadru de referință inerțial este o consecință tautologică a geometriei spațiului-timp. Călătoria cu viteza c într-un cadru de referință inerțial este deplasarea de-a lungul unei linii drepte a lumii pe suprafața unui con ușor.
Utilizarea constantei c în sistemul SI ca coeficient pentru conexiunea dintre contor și cel de-al doilea este pe deplin justificată, atât teoretic, cât și practic, deoarece c nu este doar viteza luminii - ci este o proprietate fundamentală a geometriei spațiu-timp.
Ca și în cazul relativității speciale, prezicerile relativității generale au fost confirmate de multe observații.
Drept urmare, ajungem la concluzia că viteza luminii este constantă, nu numai în conformitate cu observațiile. În lumina teoriilor fizice bine testate, nici măcar nu are sens să vorbim despre inconstanța sa.
