Dette spørgsmål kan forstås på forskellige måder. Derfor er der forskellige svar.
Er der en anden lyshastighed i luft eller vand?
Ja. Lys bremses ned i gennemsigtige stoffer som luft, vand eller glas. Hvor mange gange lyset går langsommere bestemmes af mediumets brydningsindeks (brydningsindeks). Det er altid større end én. Denne opdagelse blev foretaget af Leon Foucault i 1850.
Når de taler om "lysets hastighed", betyder de normalt lysets hastighed i et vakuum. Det er hun, der er udpeget af brevet c.
Er lysets hastighed konstant i et vakuum?
I 1983 vedtog General Conference on Vægter og målinger (Conference Generale des Poids et Mesures) følgende definition af SI-måleren:
En meter er lysets sti-længde i et vakuum i 1/299 792 458 sekunder
Salgsfremmende video:
Dette bestemte også, at lysets hastighed i et vakuum er nøjagtigt lig med 299792458 m / s. Kort svar på spørgsmålet "Er c en konstant": Ja, c er per definition en konstant!
Men det er ikke hele svaret. SI-systemet er meget praktisk. Dens definitioner er baseret på de bedst kendte målemetoder og revideres konstant. I dag sendes en puls med laserlys til den mest nøjagtige måling af makroskopiske afstande, og den tid det tager for lyset at køre den krævede afstand måles. Tid måles med et atomur. Nøjagtigheden af det bedste atomur er 1/10 13. Det er denne definition af måleren, der giver den minimale fejl ved måling af afstanden.
Definitionerne af SI-systemet er baseret på en vis forståelse af fysiklovene. F.eks. Antages det, at lyspartikler, fotoner, ikke har nogen masse. Hvis fotonen havde en lille hvilemasse, ville definitionen af måleren i SI-systemet ikke være korrekt, fordi lysets hastighed afhænger af bølgelængden. Det følger ikke af definitionen, at lysets hastighed er konstant. Det ville være nødvendigt at forfine definitionen af måler ved at tilføje farven på det lys, der skal bruges.
Det er kendt fra eksperimenter, at massen af en foton er meget lille eller lig med nul. Den mulige ikke-nulmasse af en foton er så lille, at den er irrelevant for bestemmelse af måleren i overskuelig fremtid. Det kan ikke vises, at dette er et nøjagtigt nul, men i moderne almindeligt accepterede teorier er det nul. Hvis det ikke desto mindre ikke er nul, og lysets hastighed ikke er konstant, skal der teoretisk være en mængde c - den øverste grænse for lysets hastighed i vakuum, og vi kan stille spørgsmålet "er denne mængde c konstant?"
Tidligere blev meter og sekund bestemt på forskellige måder baseret på bedre måleteknikker. Definitioner kan ændre sig i fremtiden. I 1939 blev den anden defineret som 1/84600 af den gennemsnitlige længde på en dag, og måleren som afstanden mellem risiciene på en stang i en legering af platin og iridium opbevaret i Frankrig.
Nu ved hjælp af et atomur er det blevet konstateret, at den gennemsnitlige længde af en dag ændres. Standardtiden specificeres, undertiden tilføjes eller trækkes en brøkdel af et sekund fra den. Jordens rotationshastighed bremses med ca. 1 / 100.000 sekund pr. År på grund af tidevandskræfterne mellem Jorden og Månen. Der kan være endnu større ændringer i længden af standardmåleren på grund af komprimeringen af metallet.
Som et resultat ændrede på det tidspunkt lysets hastighed, målt i enheder på m / s, lidt over tid. Det er tydeligt, at ændringerne i værdien af c var mere forårsaget af de anvendte enheder end af inkonstansen i selve lysets hastighed, men det er forkert at antage, at lysets hastighed nu er blevet konstant, bare fordi det er en konstant i SI-systemet.
Definitionerne i SI-systemet afslørede, at for at besvare vores spørgsmål, er vi nødt til at afklare, hvad vi mener, når vi taler om konstanten af lysets hastighed. Vi må definere definitioner af enheder med længde og tid for at måle mængden c. I princippet kan man få forskellige svar, når man måler i et laboratorium og når man bruger astronomiske observationer. (En af de første målinger af lysets hastighed blev foretaget i 1676 af Olaf Roemer baseret på de observerede ændringer i formørkelsesperioden for Jupiters måner.)
For eksempel kunne vi tage de definitioner, der blev oprettet mellem 1967 og 1983. Derefter blev måleren defineret som 1650763,73 bølgelængder med rødorange lys fra kilden på krypton-86, og det andet blev defineret (som det er i dag) som 9192631770 strålingsperioder svarende til overgangen mellem to hyperfine niveauer af cæsium-133. I modsætning til tidligere definitioner er disse baseret på absolutte fysiske mængder og gælder altid og overalt. Kan vi sige, at lysets hastighed er konstant i disse enheder?
Fra atomkvanteteorien ved vi, at frekvenser og bølgelængder hovedsageligt bestemmes af Plancks konstant, ladning af elektronet, masserne af elektronet og kernen og lysets hastighed. Dimensionsløse mængder kan opnås fra de anførte parametre, såsom finstrukturskonstanten og forholdet mellem masserne af elektron og proton. Værdierne for disse dimensionelle mængder afhænger ikke af valget af måleenheder. Derfor er spørgsmålet meget vigtigt, er disse værdier konstante?
Hvis de ændrede sig, ville det ikke kun påvirke lysets hastighed. Al kemi er baseret på disse værdier, de kemiske og mekaniske egenskaber for alle stoffer afhænger af dem. Lysets hastighed ville ændre sig på forskellige måder, når man vælger forskellige definitioner for måleenhederne. I dette tilfælde ville det være mere fornuftigt at tilskrive dens ændring til en ændring i ladningen eller massen af et elektron end til en ændring i lysets hastighed.
Pålidelige nok observationer viser, at værdierne for disse dimensionelle mængder ikke ændrede sig i det meste af universets liv. … Se FAQ-artiklen Har fysiske konstanter ændret sig med tiden?
[Faktisk afhænger den fine strukturkonstant af skalaen på energi, men her mener vi dens lave energigrænse.]
Speciel relativitetsteori
Definitionen af måleren i SI-systemet er også baseret på antagelsen om, at relativitetsteorien er korrekt. Lysets hastighed er en konstant i overensstemmelse med det grundlæggende postulat i relativitetsteorien. Dette postulat indeholder to ideer:
- Lysets hastighed afhænger ikke af observatørens bevægelse.
- Lysets hastighed afhænger ikke af koordinater i tid og rum.
Ideen om, at lysets hastighed er uafhængig af observatørens hastighed, er counterintuitiv. Nogle mennesker kan ikke engang være enige om, at denne idé giver mening. I 1905 viste Einstein, at denne idé er logisk korrekt, hvis vi opgiver antagelsen om rummet og tidens absolutte natur.
I 1879 blev det antaget, at lys skulle sprede sig gennem et medium i rummet, ligesom lyd forplantes gennem luft og andre stoffer. Michelson og Morley satte op et eksperiment for at opdage ether ved at observere ændringen i lysets hastighed, når jordens bevægelsesretning i forhold til Solen ændrer sig i løbet af året. Til deres overraskelse blev der ikke fundet nogen ændring i lysets hastighed.
Fitzgerald foreslog, at dette er resultatet af at forkorte længden af den eksperimentelle opsætning, når den bevæger sig gennem eteren med en sådan mængde, på grund af hvilken det er umuligt at registrere en ændring i lysets hastighed. Lorenz udvidede denne idé til urets tempo og beviste, at ether ikke kunne opdages.
Einstein mente, at ændringer i længden og tempoet på ure bedst forstås som ændringer i rum og tid, snarere end ændringer i fysiske objekter. Absolut plads og tid, introduceret af Newton, skal opgives. Kort efter viste matematikeren Minkowski, at Einsteins relativitetsteori kan fortolkes i form af firedimensionel ikke-euklidisk geometri, idet rum og tid betragtes som en enhed - rum-tid.
Relativitetsteorien er ikke kun matematisk baseret, den understøttes også af adskillige direkte eksperimenter. Senere blev Michelson-Morley-eksperimenterne gentaget med større nøjagtighed.
I 1925 meddelte Dayton Miller, at han havde opdaget ændringer i lyshastigheden. Han modtog endda en pris for denne opdagelse. I 1950'erne viste yderligere overvejelse af hans arbejde, at resultaterne tilsyneladende var forbundet med dagtimerne og sæsonbestemte ændringer i temperaturen i hans eksperimentelle opsætning.
Moderne fysiske instrumenter kunne let registrere etherens bevægelse, hvis den eksisterede. Jorden bevæger sig omkring solen med en hastighed på ca. 30 km / s. Hvis hastighederne blev tilføjet i overensstemmelse med Newtonian mekanik, ville de sidste 5 cifre i værdien af lysets hastighed, som er postuleret i SI-systemet, være meningsløse. I dag accelererer fysikere ved CERN (Genève) og Fermilab (Chicago) partikler hver dag til et hår tæt på lysets hastighed. Enhver afhængighed af lysets hastighed på referencerammen ville være blevet bemærket for længe siden, medmindre den er umærkelig lille.
Hvad hvis vi i stedet for en teori om ændring i rum og tid fulgte Lorentz-Fitzgerald-teorien, som antydede, at ether eksisterer, men ikke kan opdages på grund af fysiske ændringer i længden af materielle genstande og i urets tempo?
For at deres teori skal være i overensstemmelse med observationer, skal etheren ikke kunne påvises med et ur og en lineal. Alt, inklusive observatøren, ville trække sig sammen og nedsætte med nøjagtigt det nødvendige beløb. En sådan teori kunne give de samme forudsigelser for alle eksperimenter som relativitetsteorien. Derefter ville eteren være en metafysisk enhed, medmindre de finder en anden måde at opdage den på - ingen har endnu fundet en sådan måde. Fra Einsteins synspunkt ville en sådan enhed være en unødvendig komplikation; det ville være bedre at fjerne det fra teorien.
Generel relativitetsteori
Einstein udviklede en mere generel relativitetsteori, som forklarede tyngdekraften med hensyn til rumtidenes krumning, og han talte om ændringen i lysets hastighed i denne nye teori. I 1920 i bogen Relativitet. Den specielle og generelle teori”skriver han:
… I den generelle relativitetsteori kan loven om konstans for lysets hastighed i vakuum, som er en af to grundlæggende antagelser i den specielle relativitetsteori, […] ikke være ubetinget gyldig. Krumningen af en lysstråle kan kun realiseres, når hastigheden for udbredelse af lys afhænger af dens position.
Da Einstein talte om en vektor af hastighed (hastighed og retning), og ikke kun om hastighed, er det ikke klart, om han mente, at størrelsen på hastigheden ændrer sig, men henvisningen til særlig relativitet siger, at ja, det gjorde han. Denne forståelse er absolut korrekt og har en fysisk betydning, men i overensstemmelse med den moderne fortolkning er lysets hastighed konstant i den generelle relativitetsteori.
Problemet her er, at hastigheden afhænger af koordinaterne, og forskellige fortolkninger er mulige. For at bestemme hastigheden (tilbagelagt afstand / forløbet tid) skal vi først vælge nogle afstands- og tidsstandarder. Forskellige standarder kan give forskellige resultater. Dette gælder for den specielle relativitetsteori: hvis du måler lysets hastighed i en accelererende referenceramme, så adskiller den i almindelighed fra c.
I særlig relativitet er lysets hastighed en konstant i enhver inertial referenceramme. I den generelle relativitet er en passende generalisering, at lysets hastighed er en konstant i enhver frit faldende referenceramme i et tilstrækkeligt lille område til at forsømme tidevandskræfter. I ovenstående citat taler Einstein ikke om en frit faldende referenceramme. Han taler om en referenceramme i hvile i forhold til tyngdekilden. I en sådan referenceramme kan lysets hastighed afvige fra c på grund af påvirkning af tyngdekraften (rumtidens krumning) på uret og linealen.
Hvis den generelle relativitetsteori er korrekt, er konstanten af lysets hastighed i en inertial referenceramme en tautologisk konsekvens af rumtidsgeometrien. Kørsel med hastighed c i en inertial referenceramme er kørsel langs en lige verdenslinie på overfladen af en lys kegle.
Brugen af konstanten c i SI-systemet som en koefficient til forbindelsen mellem måleren og den anden er fuldt ud retfærdiggjort, både teoretisk og praktisk, fordi c ikke kun er lysets hastighed - det er en grundlæggende egenskab ved rumtidsgeometrien.
Som med særlig relativitet er forudsigelserne om generel relativitet blevet bekræftet af mange observationer.
Som et resultat kommer vi til den konklusion, at lysets hastighed er konstant, ikke kun i overensstemmelse med observationer. I lyset af velafprøvede fysiske teorier giver det ikke engang mening at tale om dens inkonstans.