Tämä kysymys voidaan ymmärtää eri tavoin. Siksi vastauksia on erilaisia.
Onko ilmassa tai vedessä valonopeus erilainen?
Joo. Valoa hidastaa läpinäkyvät aineet, kuten ilma, vesi tai lasi. Väliaineen taitekerroin (taitekerroin) määrää kuinka monta kertaa valo hidastuu. Se on aina suurempi kuin yksi. Tämän löytön teki Leon Foucault vuonna 1850.
Kun he puhuvat "valon nopeudesta", he tarkoittavat yleensä valon nopeutta tyhjiössä. Juuri hänet nimitetään kirjaimella c.
Onko valon nopeus vakio tyhjiössä?
Vuonna 1983 yleinen paino- ja mittakonferenssi (Conference Generale des Poids et Mesures) hyväksyi seuraavan SI-mittarin määritelmän:
Mittari on valopolun pituus tyhjössä 1/299 792 458 sekunnin aikana
Mainosvideo:
Tämä määritti myös, että valon nopeus tyhjössä on tarkalleen yhtä suuri kuin 299792458 m / s. Lyhyt vastaus kysymykseen "Onko c vakio": Kyllä, c on määritelmän mukaan vakio!
Mutta se ei ole koko vastaus. SI-järjestelmä on erittäin käytännöllinen. Sen määritelmät perustuvat tunnetuimpiin mittausmenetelmiin ja niitä tarkistetaan jatkuvasti. Nykyään makroskooppisten etäisyyksien tarkkaan mittaamiseen lähetetään laservalopulssi ja aika, joka valolla kuluu vaaditun matkan. Aika mitataan atomikellalla. Paras atomikellon tarkkuus on 1/10 13. Juuri tämä mittarin määritelmä tarjoaa minimivirheen etäisyyden mittaamisessa.
SI-järjestelmän määritelmät perustuvat fysiikan lakien tuntemiseen. Esimerkiksi oletetaan, että valon hiukkasilla, fotoneilla, ei ole massaa. Jos fotonilla olisi pieni lepomassa, niin mittarin määritelmä SI-järjestelmässä ei olisi oikea, koska valon nopeus riippuu aallonpituudesta. Määritelmästä ei seuraa, että valon nopeus on vakio. Mittarin määritelmää olisi tarpeen tarkentaa lisäämällä käytettävän valon väri.
Kokeiluista tiedetään, että fotonin massa on hyvin pieni tai yhtä suuri kuin nolla. Fotonin mahdollinen nollasta poikkeava massa on niin pieni, että sillä ei ole merkitystä mittarin määrittämisessä lähitulevaisuudessa. Ei voida osoittaa, että tämä on tarkka nolla, mutta nykyajan yleisesti hyväksytyissä teorioissa se on nolla. Jos se ei kuitenkaan ole nolla eikä valon nopeus ole vakio, niin teoriassa pitäisi olla määrä c - valon nopeuden yläraja tyhjössä, ja voimme esittää kysymyksen "onko tämä määrä c vakio?"
Aiemmin mittari ja toinen määritettiin eri tavoin parempien mittaustekniikoiden perusteella. Määritelmät voivat muuttua tulevaisuudessa. Vuonna 1939 toinen määritettiin yhdeksi 1/84600 päivän keskipituudesta ja mittariksi Ranskassa varastoidun platina- ja iridiumiseoksen sauvan vaarojen väliseksi etäisyydeksi.
Nyt on todettu, että atomikellon avulla päivän keskimääräinen pituus muuttuu. Vakioaika määritetään, joskus lisäämällä tai vähentämällä siitä sekunnin murto-osa. Maapallon pyörimisnopeus hidastuu noin 1/100 000 sekunnilla vuodessa maan ja Kuun välisten vuorovesivoimien vuoksi. Vakiomittarin pituudessa voi olla vielä suurempia muutoksia metallin puristuksen vuoksi.
Seurauksena oli, että tuolloin valonopeus m / s-yksiköinä mitattuna muuttui hieman ajan myötä. On selvää, että muutokset c-arvossa johtuivat enemmän käytetyistä yksiköistä kuin itse valon nopeuden epävakaudesta, mutta on väärin olettaa, että valon nopeudesta on nyt tullut vakio vain siksi, että se on vakio SI-järjestelmässä.
SI-järjestelmän määritelmät paljastivat, että vastatakseemme kysymykseemme meidän on selvitettävä, mitä tarkoitamme puhuttaessa valon nopeuden vakiosta. Meidän on määritettävä pituus- ja aikayksiköiden määritelmät c: n mittaamiseksi. Periaatteessa erilaisia vastauksia voidaan saada laboratoriossa mitattaessa ja tähtitieteellisiä havaintoja käytettäessä. (Yksi ensimmäisistä valonopeuden mittauksista tehtiin vuonna 1676, jonka teki Olaf Roemer perustuen havaittuihin muutoksiin Jupiterin kuiden pimennysjaksossa.)
Voimme esimerkiksi ottaa määritelmät, jotka vahvistettiin vuosien 1967 ja 1983 välillä. Sitten mittari määritettiin 1650763,73 punaisen oranssin valon aallonpituuksiksi lähteestä krypton-86: lla, ja toinen määritettiin (kuten se on nykyään) 9192631770 säteilyjaksona, joka vastaa siirtymistä kahden cesium-133: n erittäin hienotason välillä. Toisin kuin aiemmat määritelmät, ne perustuvat absoluuttisiin fyysisiin suuruuksiin ja ovat sovellettavissa aina ja kaikkialla. Voimmeko sanoa, että valon nopeus on vakio näissä yksiköissä?
Atomin kvanttiteoriasta tiedämme, että taajuudet ja aallonpituudet määräytyvät pääasiassa Planckin vakion, elektronin varauksen, elektronin ja ytimen massojen sekä valon nopeuden avulla. Mittattomat määrät voidaan saada luetelluista parametreistä, kuten hienorakennevakio ja elektronin ja protonin massojen suhde. Näiden ulottumattomien suureiden arvot eivät riipu mittayksiköiden valinnasta. Siksi kysymys on erittäin tärkeä, ovatko nämä arvot jatkuvia?
Jos ne muuttuisivat, se ei vaikuta vain valon nopeuteen. Kaikki kemia perustuu näihin arvoihin, kaikkien aineiden kemialliset ja mekaaniset ominaisuudet riippuvat niistä. Valon nopeus muuttuisi eri tavoin, kun valitaan eri määritelmät mittayksiköille. Tässä tapauksessa olisi järkevämpää syyttää sen muutos elektronin varauksen tai massan muutokseen kuin itse valon nopeuden muutokseen.
Tarpeeksi luotettavat havainnot osoittavat, että näiden ulottumattomien määrien arvot eivät muuttuneet suurimman osan maailmankaikkeuden elämästä. … Katso UKK-artikkeli Onko fyysiset vakiot muuttuneet ajan myötä?
[Oikeastaan hieno rakennevakio riippuu energian mittakaavasta, mutta tässä tarkoitamme sen matalaa energiarajaa.]
Erityinen suhteellisuusteoria
Mittarin määritelmä SI-järjestelmässä perustuu myös oletukseen, että suhteellisuusteoria on oikea. Valon nopeus on vakio suhteellisuusteorian peruspostituksen mukaan. Tämä postulaatti sisältää kaksi ajatusta:
- Valon nopeus ei riipu tarkkailijan liikkeestä.
- Valon nopeus ei riipu koordinaateista ajassa ja tilassa.
Ajatus siitä, että valon nopeus on riippumaton tarkkailijan nopeudesta, on vastaintuitiivinen. Jotkut ihmiset eivät voi edes olla yhtä mieltä siitä, että tämä ajatus on järkevä. Vuonna 1905 Einstein osoitti, että tämä ajatus on loogisesti oikea, jos hylkäämme oletuksen avaruuden ja ajan absoluuttisesta luonteesta.
Vuonna 1879 uskottiin, että valon pitäisi leviää jonkin väliaineen läpi avaruudessa, kuten ääni leviää ilman ja muiden aineiden kautta. Michelson ja Morley perustivat kokeen eetterin havaitsemiseksi tarkkailemalla valon nopeuden muutosta, kun Maan liikesuunta aurinkoon nähden muuttuu vuoden aikana. Heidän yllätyksekseen ei havaittu muutosta valon nopeudessa.
Fitzgerald ehdotti, että tämä johtuu kokeellisen kokoonpanon pituuden lyhentymisestä, kun se liikkuu eetterin läpi sellaisella määrällä, että valon nopeuden muutosta on mahdotonta havaita. Lorenz laajensi tämän ajatuksen kellonopeuteen ja osoitti, että eetteriä ei voitu havaita.
Einstein uskoi, että kellonpituuden ja nopeuden muutokset ymmärretään parhaiten tilan ja ajan muutoksina pikemminkin kuin fyysisten esineiden muutoksina. Newtonin esittämä absoluuttinen tila ja aika on hylättävä. Pian sen jälkeen matemaatikko Minkowski osoitti, että Einsteinin suhteellisuusteoria voidaan tulkita nelidimensioisella ei-euklidisella geometrialla ottaen huomioon tila ja aika yhtenä kokonaisuutena - avaruus-aika.
Suhteellisuusteoria ei ole pelkästään matemaattinen, vaan sitä tukevat myös lukuisat suorat kokeet. Myöhemmin Michelson-Morley-kokeet toistettiin suuremmalla tarkkuudella.
Vuonna 1925 Dayton Miller ilmoitti löytäneensä muutokset valon nopeudessa. Hän jopa sai palkinnon tästä löytöstä. 1950-luvulla hänen työnsä ylimääräinen tarkastelu osoitti, että tulokset liittyivät ilmeisesti päivä- ja kausilämpötilan muutoksiin hänen kokeellisessa järjestelmässään.
Nykyaikaiset fyysiset instrumentit pystyivät helposti havaitsemaan eetterin liikkeen, jos sitä olisi olemassa. Maa liikkuu Auringon ympäri nopeudella noin 30 km / s. Jos nopeudet lisätään Newtonin mekaniikan mukaisesti, silloin viimeiset 5 numeroa valonopeuden arvossa, SI-järjestelmässä, ovat merkityksettömiä. Nykyään CERN: n (Geneve) ja Fermilabin (Chicago) fyysikät kiihdyttävät hiukkasia päivittäin hiuksiin, jotka ovat lähellä valon nopeutta. Valonopeuden riippuvuus referenssikehyksestä olisi havaittu jo kauan sitten, ellei se ole havainnollisesti pieni.
Entä jos tilan ja ajan muutosta koskevan teorian sijasta seuraamme Lorentz-Fitzgerald-teoriaa, joka ehdotti, että eetteri on olemassa, mutta sitä ei voida havaita aineellisten esineiden pituuden ja kellonopeuden fysikaalisten muutosten takia?
Jotta heidän teoriansa olisivat yhdenmukaisia havaintojen kanssa, eetterin on oltava havaitsematon kello ja viivain. Kaikki, mukaan lukien tarkkailija, supistuisi ja hidastuisi tarkalleen vaaditulla määrällä. Tällainen teoria voisi tehdä samat ennusteet kaikille kokeille kuin suhteellisuusteoria. Silloin eetteri olisi metafyysinen kokonaisuus, elleivät he löydä mitään muuta tapaa havaita se - kukaan ei ole vielä löytänyt sellaista tapaa. Einsteinin näkökulmasta tällainen kokonaisuus olisi tarpeeton komplikaatio, olisi parempi poistaa se teoriasta.
Yleinen suhteellisuusteoria
Einstein kehitti yleisemmän suhteellisuusteorian, joka selitti painovoiman avaruusajan kaarevuudella, ja hän puhui valon nopeuden muutoksesta tässä uudessa teoriassa. Vuonna 1920 kirjassa Relatiivisuus. Erityinen ja yleinen teoria”, hän kirjoittaa:
… Yleisessä suhteellisuusteoriassa tyhjössä olevan valon nopeuden vakiolakia, joka on yksi suhteellisuusteorian erityisteorian kahdesta perustavanlaatuisesta oletuksesta, […] ei voida pitää ehdoitta voimassa. Valonsäteen kaarevuus voidaan toteuttaa vain, kun valon etenemisnopeus riippuu sen sijainnista.
Koska Einstein puhui nopeuden vektorista (nopeudesta ja suunnasta) eikä pelkästään nopeudesta, ei ole selvää, tarkoittiko hän, että nopeuden suuruus muuttuu, mutta viittaus erityiseen suhteellisuusteoriaan sanoo, että kyllä, hän teki. Tämä käsitys on ehdottoman oikea ja sillä on fyysinen merkitys, mutta nykyaikaisen tulkinnan mukaisesti valon nopeus on vakio suhteellisuusteoriassa.
Vaikeus tässä on, että nopeus riippuu koordinaateista ja erilaiset tulkinnat ovat mahdollisia. Nopeuden (ajettu matka / kulunut aika) määrittämiseksi on ensin valittava jotkut etäisyys- ja aikastandardit. Eri standardit voivat antaa erilaisia tuloksia. Tätä voidaan soveltaa erityiseen suhteellisuusteoriaan: jos mitat valon nopeutta kiihtyvällä viitekehyksellä, niin se yleensä poikkeaa arvosta c.
Erityissuhteellisuudessa valon nopeus on vakio missä tahansa inertiaviitekehyksessä. Yleisessä suhteellisuudessa asianmukainen yleistäminen on, että valon nopeus on vakio missä tahansa vapaasti putoavassa vertailukehyksessä riittävän pienellä alueella vuorovesivoimien laiminlyönnistä. Edellä mainitussa lainauksessa Einstein ei puhu vapaasti putoavasta viitekehyksestä. Hän puhuu viitekehyksestä levossa suhteessa painovoiman lähteeseen. Tällaisessa viitekehyksessä valon nopeus voi poiketa arvosta c johtuen painovoiman vaikutuksesta (avaruus-ajan kaarevuus) kelloon ja viivaimeen.
Jos yleinen suhteellisuusteoria on oikea, niin valon nopeuden vakio inertiaalisessa viitekehyksessä on tautologinen seuraus avaruus-ajan geometriasta. Kulku nopeudella c inertiaalisessa vertailukehyksessä kulkee suoraa maailmanviivaa pitkin kevyen kartion pinnalla.
Vakion c käyttö SI-järjestelmässä kertoimena mittarin ja toisen välillä on täysin perusteltu, niin teoreettisesti kuin käytännössäkin, koska c ei ole vain valon nopeus - se on avaruus-ajan geometrian perusominaisuus.
Kuten erityissuhteellisuusteoriassa, myös monet havainnot ovat vahvistaneet yleisen relatiivisuuden suhteen liittyvät ennusteet.
Tuloksena olemme tulleet siihen tulokseen, että valon nopeus on vakio, ei vain havaintojen mukaisesti. Hyvin testattujen fyysisten teorioiden valossa ei ole edes järkevää puhua sen epäjohdonmukaisuudesta.