Soalan ini dapat difahami dengan cara yang berbeza. Oleh itu, ada jawapan yang berbeza.
Adakah kelajuan cahaya yang berbeza di udara atau air?
Ya. Cahaya diperlahankan dalam bahan lutsinar seperti udara, air, atau kaca. Berapa kali cahaya melambat ditentukan oleh indeks biasan (indeks biasan) medium. Selalu lebih besar daripada satu. Penemuan ini dibuat oleh Leon Foucault pada tahun 1850.
Apabila mereka bercakap mengenai "kelajuan cahaya", mereka biasanya bermaksud kelajuan cahaya dalam keadaan hampa. Dialah yang ditentukan oleh huruf c.
Adakah kelajuan cahaya tetap dalam vakum?
Pada tahun 1983, General Conference on Weights and Measures (Conference Generale des Poids et Mesures) mengadopsi definisi berikut bagi meter SI:
Meter adalah panjang cahaya dalam vakum selama 1/299 792 458 saat
Video promosi:
Ini juga menentukan bahawa kelajuan cahaya dalam vakum sama dengan 299792458 m / s. Jawapan ringkas untuk soalan "Adakah c adalah pemalar": Ya, c adalah pemalar mengikut definisi!
Tetapi itu bukan keseluruhan jawapannya. Sistem SI sangat praktikal. Definisi berdasarkan kaedah pengukuran yang paling terkenal dan sentiasa disemak. Hari ini, untuk pengukuran jarak makroskopik yang paling tepat, mereka menghantar denyut sinar laser dan mengukur masa yang diperlukan untuk cahaya menempuh jarak yang diperlukan. Masa diukur dengan jam atom. Ketepatan jam atom terbaik adalah 1/10 13. Definisi meter inilah yang memberikan ralat minimum dalam mengukur jarak.
Definisi sistem SI didasarkan pada beberapa pemahaman mengenai undang-undang fizik. Sebagai contoh, diasumsikan bahawa zarah cahaya, foton, tidak mempunyai jisim. Sekiranya foton mempunyai jisim rehat yang kecil, maka definisi meter dalam sistem SI tidak akan betul, kerana kelajuan cahaya bergantung pada panjang gelombang. Dari definisi bahawa kelajuan cahaya tidak berubah. Adalah perlu untuk memperincikan definisi meter dengan menambahkan warna cahaya yang akan digunakan.
Telah diketahui dari eksperimen bahawa jisim foton sangat kecil atau sama dengan sifar. Jisim foton yang mungkin bukan sifar sangat kecil sehingga tidak relevan untuk menentukan meter pada masa hadapan. Tidak dapat ditunjukkan bahawa ini adalah nol tepat, tetapi dalam teori yang diterima umum moden, ia adalah sifar. Jika, bagaimanapun, tidak nol, dan kelajuan cahaya tidak tetap, maka secara teorinya harus ada kuantitas c - had atas laju cahaya dalam ruang hampa, dan kita dapat mengajukan pertanyaan "apakah kuantiti ini adalah pemalar?"
Pada masa lalu, meter dan detik ditentukan dengan cara yang berbeza berdasarkan teknik pengukuran yang lebih baik. Definisi mungkin berubah pada masa akan datang. Pada tahun 1939, yang kedua didefinisikan sebagai 1/84600 dari panjang purata sehari, dan meter sebagai jarak antara risiko pada batang aloi platinum dan iridium yang disimpan di Perancis.
Sekarang, dengan bantuan jam atom, telah ditentukan bahawa panjang purata sehari berubah. Masa standard ditentukan, kadang-kadang menambah atau mengurangkan sepersekian saat darinya. Kelajuan putaran Bumi melambatkan kira-kira 1 / 100,000 sesaat setiap tahun kerana daya pasang surut antara Bumi dan Bulan. Terdapat perubahan yang lebih besar dalam panjang meter piawai kerana pemampatan logam.
Akibatnya, pada waktu itu kecepatan cahaya, yang diukur dalam satuan m / s, sedikit berubah dari masa ke masa. Jelas bahawa perubahan dalam nilai c lebih disebabkan oleh unit yang digunakan daripada oleh ketidakstabilan kelajuan cahaya itu sendiri, tetapi salah untuk menganggap bahawa kelajuan cahaya sekarang menjadi tetap, hanya kerana ia adalah pemalar dalam sistem SI.
Definisi dalam sistem SI menunjukkan bahawa untuk menjawab soalan kami, kita perlu menjelaskan apa yang kita maksudkan ketika kita bercakap mengenai keteguhan laju cahaya. Kita mesti menentukan definisi unit panjang dan masa untuk mengukur kuantiti c. Pada prinsipnya, jawapan yang berbeza dapat diperoleh ketika mengukur di makmal dan ketika menggunakan pemerhatian astronomi. (Salah satu ukuran pertama kecepatan cahaya dibuat pada tahun 1676 oleh Olaf Roemer berdasarkan perubahan yang diamati dalam periode gerhana bulan Musytari.)
Sebagai contoh, kita boleh mengambil definisi yang dibuat antara tahun 1967 dan 1983. Kemudian meter ditakrifkan sebagai 1650763.73 panjang gelombang cahaya-oren merah dari sumber pada krypton-86, dan yang kedua ditakrifkan (seperti sekarang) sebagai 9192631770 tempoh radiasi yang sepadan dengan peralihan antara dua tahap hiperfinis cesium-133. Tidak seperti definisi sebelumnya, ini didasarkan pada kuantiti fizikal mutlak, dan berlaku selalu dan di mana sahaja. Bolehkah kita mengatakan bahawa kelajuan cahaya tetap dalam unit-unit ini?
Dari teori kuantum atom, kita tahu bahawa frekuensi dan panjang gelombang ditentukan terutamanya oleh pemalar Planck, cas elektron, jisim elektron dan nukleus, dan kelajuan cahaya. Kuantiti tanpa dimensi dapat diperoleh dari parameter yang disenaraikan, seperti pemalar struktur halus dan nisbah jisim elektron dan proton. Nilai kuantiti tanpa dimensi ini tidak bergantung pada pilihan unit pengukuran. Oleh itu, persoalannya sangat penting, adakah nilai-nilai ini tetap?
Sekiranya ia berubah, ia tidak hanya akan mempengaruhi kelajuan cahaya. Semua kimia berdasarkan nilai-nilai ini, sifat kimia dan mekanikal semua bahan bergantung padanya. Kelajuan cahaya akan berubah dengan cara yang berbeza ketika memilih definisi yang berbeza untuk unit ukuran. Dalam kes ini, lebih masuk akal untuk menghubungkan perubahannya dengan perubahan muatan atau jisim elektron daripada perubahan kelajuan cahaya itu sendiri.
Pemerhatian yang cukup dipercayai menunjukkan bahawa nilai kuantiti tanpa dimensi ini tidak berubah semasa sebahagian besar kehidupan alam semesta. … Lihat artikel Soalan Lazim Adakah pemalar fizikal berubah mengikut masa?
[Sebenarnya pemalar struktur halus bergantung pada skala tenaga, tetapi di sini kita bermaksud had tenaga rendahnya.]
Teori relativiti khas
Definisi meter dalam sistem SI juga berdasarkan andaian bahawa teori relativiti adalah betul. Kelajuan cahaya adalah pemalar sesuai dengan postulat asas teori relativiti. Postulat ini mengandungi dua idea:
- Kelajuan cahaya tidak bergantung pada pergerakan pemerhati.
- Kelajuan cahaya tidak bergantung pada koordinat dalam masa dan ruang.
Idea bahawa kelajuan cahaya tidak bergantung pada kelajuan pemerhati adalah berlawanan dengan intuisi. Beberapa orang bahkan tidak boleh bersetuju bahawa idea ini masuk akal. Pada tahun 1905, Einstein menunjukkan bahawa idea ini secara logik betul jika kita meninggalkan anggapan mengenai sifat ruang dan masa yang mutlak.
Pada tahun 1879, dipercayai bahawa cahaya harus menyebarkan melalui beberapa medium di ruang angkasa, seperti suara menyebarkan melalui udara dan bahan lain. Michelson dan Morley membuat eksperimen untuk mengesan eter dengan memerhatikan perubahan kelajuan cahaya ketika arah pergerakan Bumi yang relatif terhadap Matahari berubah sepanjang tahun. Yang mengejutkan mereka, tidak ada perubahan dalam kelajuan cahaya yang dikesan.
Fitzgerald mencadangkan bahawa ini adalah hasil pemendekan panjang persediaan eksperimen kerana bergerak melalui eter dengan jumlah yang mustahil untuk mengesan perubahan dalam kelajuan cahaya. Lorenz memperluas idea ini mengikut rentak jam, dan membuktikan bahawa eter tidak dapat dikesan.
Einstein percaya bahawa perubahan panjang dan laju jam paling baik difahami sebagai perubahan ruang dan waktu, dan bukannya perubahan pada objek fizikal. Ruang dan waktu mutlak, yang diperkenalkan oleh Newton, mesti ditinggalkan. Tidak lama kemudian, ahli matematik Minkowski menunjukkan bahawa teori relativiti Einstein dapat ditafsirkan dari segi geometri bukan Euclidean empat dimensi, dengan mempertimbangkan ruang dan waktu sebagai satu entiti - ruang-waktu.
Teori relativiti tidak hanya berdasarkan matematik, tetapi juga disokong oleh banyak eksperimen langsung. Kemudian percubaan Michelson-Morley diulang dengan ketepatan yang lebih tinggi.
Pada tahun 1925, Dayton Miller mengumumkan bahawa dia telah menemui perubahan dalam kelajuan cahaya. Dia bahkan mendapat penghargaan untuk penemuan ini. Pada tahun 1950-an, pertimbangan tambahan terhadap karyanya menunjukkan bahawa hasilnya nampaknya berkaitan dengan perubahan suhu siang dan musim dalam penyediaan eksperimennya.
Instrumen fizikal moden dapat dengan mudah mengesan pergerakan eter jika wujud. Bumi bergerak mengelilingi Matahari dengan kelajuan kira-kira 30 km / s. Sekiranya kelajuan ditambahkan, sesuai dengan mekanik Newton, maka 5 digit terakhir dalam nilai kelajuan cahaya, yang didalilkan dalam sistem SI, tidak akan bermakna. Hari ini, ahli fizik di CERN (Geneva) dan Fermilab (Chicago) mempercepat zarah setiap hari ke rambut yang hampir dengan kelajuan cahaya. Sebarang pergantungan dari kecepatan cahaya pada kerangka acuan akan lama diperhatikan, kecuali jika sangat kecil.
Bagaimana jika, bukannya teori mengenai perubahan ruang dan waktu, kita mengikuti teori Lorentz-Fitzgerald, yang menunjukkan bahawa aether ada, tetapi tidak dapat dikesan kerana perubahan fizikal pada panjang objek material dan pada laju jam?
Agar teori mereka selaras dengan pemerhatian, eter mesti tidak dapat dikesan dengan jam dan pembaris. Segala-galanya, termasuk pemerhati, akan berkontrak dan merosot dengan jumlah yang diperlukan. Teori seperti itu dapat membuat ramalan yang sama untuk semua eksperimen dengan teori relativiti. Maka eter itu akan menjadi entiti metafizik, kecuali jika mereka menemui cara lain untuk mengesannya - belum ada yang menemukan cara seperti itu. Dari sudut pandang Einstein, entiti seperti itu akan menjadi komplikasi yang tidak perlu; lebih baik mengeluarkannya dari teori.
Teori relativiti am
Einstein mengembangkan teori relativiti yang lebih umum, yang menjelaskan graviti dari segi kelengkungan ruang-waktu, dan dia membincangkan perubahan kelajuan cahaya dalam teori baru ini. Pada tahun 1920, dalam buku Relativity. Teori khas dan umum”dia menulis:
… dalam teori relativiti umum, hukum kekekalan kecepatan cahaya dalam vakum, yang merupakan salah satu dari dua andaian asas dalam teori relativiti khas, […] tidak boleh berlaku tanpa syarat. Kelengkungan sinar cahaya dapat direalisasikan hanya apabila kelajuan penyebaran cahaya bergantung pada kedudukannya.
Oleh kerana Einstein bercakap mengenai vektor kelajuan (kelajuan dan arah), dan bukan hanya mengenai kelajuan, tidak jelas apakah dia bermaksud bahawa besarnya kelajuan berubah, tetapi rujukan kepada teori relativiti khas mengatakan bahawa ya, dia benar. Pemahaman ini benar-benar betul, dan mempunyai makna fizikal, tetapi sesuai dengan penafsiran moden, kelajuan cahaya tetap dalam teori relativiti umum.
Kesukaran di sini adalah bahawa kelajuan bergantung pada koordinat, dan tafsiran yang berbeza dapat dilakukan. Untuk menentukan kelajuan (jarak perjalanan / masa yang berlalu) kita mesti terlebih dahulu memilih beberapa piawaian jarak dan waktu. Piawaian yang berbeza dapat memberikan hasil yang berbeza. Ini berlaku untuk teori relativiti khas: jika anda mengukur kelajuan cahaya dalam kerangka acuan yang mempercepat, maka pada umumnya, itu berbeza dari c.
Dalam relativiti khas, kelajuan cahaya adalah pemalar dalam kerangka rujukan inersia. Dalam relativiti umum, generalisasi yang tepat adalah bahawa kelajuan cahaya tetap dalam kerangka acuan yang jatuh secara bebas di wilayah yang cukup kecil untuk mengabaikan daya pasang surut. Dalam petikan di atas, Einstein tidak membincangkan kerangka rujukan yang jatuh secara bebas. Dia bercakap mengenai kerangka rujukan ketika berehat berbanding dengan sumber graviti. Dalam kerangka acuan seperti itu, kecepatan cahaya mungkin berbeza dari c kerana pengaruh graviti (kelengkungan ruang-waktu) pada jam dan pembaris.
Sekiranya teori relativiti umum betul, maka keteguhan laju cahaya dalam kerangka rujukan inersia adalah akibat tegologi dari geometri ruang-waktu. Perjalanan pada kelajuan c dalam kerangka rujukan inersia adalah perjalanan di sepanjang garis dunia lurus di permukaan kon cahaya.
Penggunaan pemalar c dalam sistem SI sebagai pekali untuk hubungan antara meter dan yang kedua dibenarkan sepenuhnya, baik secara teori dan praktikal, kerana c bukan hanya kelajuan cahaya - ia adalah sifat asas dari geometri ruang-waktu.
Seperti relativiti khas, ramalan relativiti umum telah disahkan oleh banyak pemerhatian.
Hasilnya, kita sampai pada kesimpulan bahawa kelajuan cahaya tetap, tidak hanya sesuai dengan pengamatan. Mengingat teori fizikal yang diuji dengan baik, tidak masuk akal untuk membicarakan ketidaksesuaiannya.
