Denna fråga kan förstås på olika sätt. Därför finns det olika svar.
Finns det en annan ljushastighet i luft eller vatten?
Ja. Ljus bromsas ner i transparenta ämnen som luft, vatten eller glas. Hur många gånger ljuset saktar ner bestäms av mediumets brytningsindex (brytningsindex). Det är alltid större än en. Upptäckten gjordes av Leon Foucault 1850.
När de talar om "ljusets hastighet" menar de vanligtvis ljusets hastighet i ett vakuum. Det är hon som utses av bokstaven c.
Är ljusets hastighet konstant i ett vakuum?
1983 antog generalkonferensen för vikter och åtgärder (Conference Generale des Poids et Mesures) följande definition av SI-mätaren:
En meter är banlängden för ljus i ett vakuum under 1/299 792 458 sekunder
Kampanjvideo:
Detta bestämde också att ljusets hastighet i ett vakuum är exakt lika med 299792458 m / s. Kort svar på frågan "Är c en konstant": Ja, c är per definition en konstant!
Men det är inte hela svaret. SI-systemet är mycket praktiskt. Definitionerna bygger på de mest kända mätmetoderna och revideras ständigt. Idag, för den mest exakta mätningen av makroskopiska avstånd, skickas en puls med laserljus och den tid det tar för ljuset att resa det erforderliga avståndet mäts. Tiden mäts med en atomur. Noggrannheten för den bästa atomklockan är 1/10 13. Det är denna definition av mätaren som ger det minsta felet vid mätning av avståndet.
Definitionerna av SI-systemet är baserade på viss förståelse av fysiklagarna. Till exempel antas att ljuspartiklar, fotoner, inte har någon massa. Om fotonen hade en liten vilmassa, skulle definitionen av mätaren i SI-systemet inte vara korrekt, eftersom ljusets hastighet beror på våglängden. Det följer inte av definitionen att ljusets hastighet är konstant. Det skulle vara nödvändigt att förfina definitionen av mätaren genom att lägga till färgen på det ljus som ska användas.
Det är känt från experiment att en fotons massa är mycket liten eller lika med noll. Den möjliga massan utan noll för en foton är så liten att den är irrelevant för att bestämma mätaren i överskådlig framtid. Det kan inte visas att detta är en exakt noll, men i moderna allmänt accepterade teorier är det noll. Om det ändå inte är noll, och ljusets hastighet inte är konstant, borde det teoretiskt sett finnas en kvantitet c - den övre gränsen för ljusets hastighet i ett vakuum, och vi kan ställa frågan "är denna mängd c en konstant?"
Tidigare bestämdes mätare och sekund på olika sätt baserat på bättre mätningstekniker. Definitioner kan förändras i framtiden. 1939 definierades den andra som 1/84600 av den genomsnittliga längden på en dag, och mätaren som avståndet mellan riskerna på en stav av en legering av platina och iridium lagrade i Frankrike.
Nu med hjälp av en atomur har det konstaterats att den genomsnittliga längden på en dag förändras. Standardtiden anges, ibland läggs till eller subtraheras en bråkdel av en sekund från den. Jordens rotationshastighet bromsar med cirka 1/100 000 sekund per år på grund av tidvattenkrafterna mellan jorden och månen. Det kan bli ännu större förändringar i längden på standardmätaren på grund av metallens komprimering.
Som ett resultat förändrades då ljusets hastighet, mätt i enheter av m / s, något över tiden. Det är tydligt att förändringarna i värdet på c orsakades mer av de enheter som använts än av instabiliteten i själva ljusets hastighet, men det är fel att anta att ljusets hastighet nu har blivit konstant, bara för att det är en konstant i SI-systemet.
Definitionerna i SI-systemet avslöjade att för att kunna svara på vår fråga måste vi klargöra vad vi menar när vi pratar om ljusets hastighet. Vi måste definiera definitioner av enheter med längd och tid för att mäta mängden c. I princip kan olika svar erhållas vid mätning i ett laboratorium och vid användning av astronomiska observationer. (En av de första mätningarna av ljusets hastighet gjordes 1676 av Olaf Roemer baserat på de observerade förändringarna i förmörkelseperioden för Jupiters månar.)
Vi kan till exempel ta de definitioner som upprättades mellan 1967 och 1983. Sedan definierades mätaren som 1650763,73 våglängder av rödorange ljuskällor på krypton-86, och den andra definierades (som den är idag) som 9192631770 strålningsperioder motsvarande övergången mellan två hyperfina nivåer av cesium-133. Till skillnad från tidigare definitioner är dessa baserade på absoluta fysiska mängder och är tillämpliga alltid och överallt. Kan vi säga att ljusets hastighet är konstant i dessa enheter?
Från atomens kvanteteori vet vi att frekvenser och våglängder huvudsakligen bestäms av Plancks konstant, laddningen av elektronen, massorna hos elektron och kärnan och ljusets hastighet. Dimensionella mängder kan erhållas från de listade parametrarna, såsom finstrukturens konstant och förhållandet mellan massorna hos elektron och proton. Värdena på dessa måttlösa mängder beror inte på valet av mätenheter. Därför är frågan mycket viktig, är dessa värden konstant?
Om de ändrades skulle det inte bara påverka ljusets hastighet. All kemi är baserad på dessa värden, de kemiska och mekaniska egenskaperna för alla ämnen beror på dem. Ljushastigheten skulle förändras på olika sätt när man väljer olika definitioner för mätenheterna. I det här fallet skulle det vara mer meningsfullt att tillskriva dess förändring till en förändring i en elektrons laddning eller massa än till en förändring i ljusets hastighet.
Tillförlitliga observationer visar att värdena på dessa dimensionella mängder inte förändrades under större delen av universumets liv. … Se FAQ-artikeln Har fysiska konstanter förändrats med tiden?
[Faktiskt beror den fina strukturkonstanten på skalan på energi, men här menar vi dess låga energigräns.]
Special relativitetsteori
Definitionen av mätaren i SI-systemet bygger också på antagandet att relativitetsteorin är korrekt. Ljushastigheten är en konstant i överensstämmelse med relativitetsteorinens grundläggande postulat. Detta postulat innehåller två idéer:
- Ljushastigheten beror inte på observatörens rörelse.
- Ljushastigheten beror inte på koordinater i tid och rum.
Tanken att ljusets hastighet är oberoende av observatörens hastighet är motsatt. Vissa människor kan inte ens hålla med om att denna idé är vettig. År 1905 visade Einstein att denna idé är logiskt korrekt om vi överger antagandet om rymdens och tidens absoluta natur.
1879 trodde man att ljus skulle spridas genom något medium i rymden, som ljud som sprider sig genom luft och andra ämnen. Michelson och Morley inledde ett experiment för att upptäcka eter genom att observera förändringen i ljusets hastighet när jordens rörelse i förhållande till solen förändras under året. Till deras förvåning upptäcktes ingen förändring i ljusets hastighet.
Fitzgerald föreslog att detta är resultatet av att förkorta längden på den experimentella installationen när den rör sig genom etern med en sådan mängd att det är omöjligt att upptäcka en förändring i ljusets hastighet. Lorenz utökade denna idé till klockans takt och bevisade att etern inte kunde detekteras.
Einstein trodde att förändringar i klockans längd och takt bäst förstås som förändringar i rum och tid, snarare än förändringar i fysiska föremål. Absolut utrymme och tid, infört av Newton, måste överges. Strax därefter visade matematikern Minkowski att Einsteins relativitetsteori kan tolkas i termer av fyra-dimensionell icke-euklidisk geometri, med tanke på rymd och tid som en enda enhet - rymd-tid.
Relativitetsteorin är inte bara matematisk baserad, den stöds också av många direkta experiment. Senare upprepades Michelson-Morley-experimenten med större noggrannhet.
1925 meddelade Dayton Miller att han hade upptäckt förändringar i ljusets hastighet. Han fick till och med ett pris för denna upptäckt. Under 1950-talet visade ytterligare övervägande av hans arbete att resultaten tydligen var relaterade till dag- och säsongstemperaturförändringar i hans experimentella installation.
Moderna fysiska instrument kunde lätt upptäcka eterens rörelse om den fanns. Jorden rör sig runt solen med en hastighet av cirka 30 km / s. Om hastigheterna läggs till, i enlighet med Newtonian mekanik, skulle de sista 5 siffrorna i värdet på ljusets hastighet, som är postulerade i SI-systemet, vara meningslösa. Idag accelererar fysiker vid CERN (Genève) och Fermilab (Chicago) partiklar varje dag till ett hår nära ljusets hastighet. Alla beroende av ljusets hastighet på referensramen skulle ha märkt för länge sedan, om den inte är omöjligt liten.
Vad händer om vi istället för en teori om förändring i rum och tid följde Lorentz-Fitzgerald-teorin, som föreslog att eter existerar, men inte kan upptäckas på grund av fysiska förändringar i materialobjektets längd och i klockfrekvensen?
För att deras teori ska vara förenlig med iakttagelser, måste etern vara obetydlig med en klocka och en linjal. Allt, inklusive observatören, skulle minska och minska med exakt det erforderliga beloppet. En sådan teori kan göra samma förutsägelser för alla experiment som relativitetsteorin. Då skulle etern vara en metafysisk enhet, såvida de inte hittar något annat sätt att upptäcka det - ingen har ännu hittat ett sådant sätt. Ur Einsteins synvinkel skulle en sådan enhet vara en onödig komplikation; det skulle vara bättre att ta bort den från teorin.
Allmän relativitetsteori
Einstein utvecklade en mer allmän relativitetsteori, som förklarade tyngdekraften i termer av rymdtidens krökning, och han talade om förändringen i ljusets hastighet i denna nya teori. 1920, i boken Relativitet. Den speciella och allmänna teorin”skriver han:
… i den allmänna relativitetsteorin, kan lagen om konstans för ljusets hastighet i vakuum, som är ett av två grundläggande antaganden i den speciella relativitetsteorin, […] inte vara ovillkorligt giltig. Ljusstrålens krökning kan endast realiseras när hastigheten för utbredning av ljus beror på dess position.
Eftersom Einstein pratade om en vektor med hastighet (hastighet och riktning), och inte bara om hastighet, är det inte klart om han menade att storleken på hastigheten ändras, men hänvisningen till special relativitetsteori säger att ja, det gjorde han. Denna förståelse är helt korrekt och har en fysisk betydelse, men i enlighet med den moderna tolkningen är ljusets hastighet konstant i den allmänna relativitetsteorin.
Svårigheten här är att hastigheten beror på koordinaterna och olika tolkningar är möjliga. För att bestämma hastigheten (rest avstånd / förfluten tid) måste vi först välja några avstånd och tidsstandarder. Olika standarder kan ge olika resultat. Detta är tillämpligt på den särskilda relativitetsteorin: om du mäter ljusets hastighet i en accelererande referensram, skiljer den sig i allmänhet från c.
I speciell relativitet är ljusets hastighet en konstant i någon tröghetsram. I allmänhetens relativitet är en lämplig generalisering att ljusets hastighet är konstant i varje fritt fallande referensram i ett tillräckligt litet område för att försumma tidvattenkrafter. I ovanstående citat talar Einstein inte om en fritt fallande referensram. Han talar om en referensram i vila relativt gravitationskällan. I en sådan referensram kan ljusets hastighet skilja sig från c på grund av påverkan av tyngdkraften (rymdtidens krökning) på klockan och linjalen.
Om den allmänna relativitetsteorin är korrekt, är konstansen för ljusets hastighet i en tröghetsreferens en tautologisk konsekvens av geometri i rymdtid. Körning med hastighet c i en tröghetsreferensram är färd längs en rak världslinje på ytan av en ljuskon.
Användningen av konstanten c i SI-systemet som en koefficient för anslutningen mellan mätaren och den andra är helt berättigad, både teoretiskt och praktiskt, eftersom c inte bara är ljusets hastighet - det är en grundläggande egenskap hos geometri i rymdtid.
Liksom med särskild relativitet, har förutsägelserna om generell relativitet bekräftats av många observationer.
Som ett resultat kommer vi till slutsatsen att ljusets hastighet är konstant, inte bara i enlighet med observationer. Mot bakgrund av välprovade fysiska teorier är det inte ens vettigt att prata om dess inkonsekvens.