Deze vraag kan op verschillende manieren worden begrepen. Daarom zijn er verschillende antwoorden.
Is er een andere lichtsnelheid in lucht of water?
Ja. Licht wordt vertraagd in doorschijnende stoffen zoals lucht, water of glas. Hoe vaak het licht vertraagt, wordt bepaald door de brekingsindex (brekingsindex) van het medium. Het is altijd groter dan één. Deze ontdekking werd in 1850 gedaan door Leon Foucault.
Als ze het hebben over de "lichtsnelheid", bedoelen ze meestal de lichtsnelheid in een vacuüm. Zij is het die wordt aangeduid met de letter c.
Is de lichtsnelheid constant in een vacuüm?
In 1983 keurde de General Conference on Weights and Measures (Conference Generale des Poids et Mesures) de volgende definitie van de SI-meter goed:
Een meter is de weglengte van licht in een vacuüm gedurende 1/299 792 458 seconden
Promotie video:
Dit bepaalde ook dat de lichtsnelheid in een vacuüm precies gelijk is aan 299792458 m / s. Kort antwoord op de vraag "Is c een constante": Ja, c is per definitie een constante!
Maar dat is niet het hele antwoord. Het SI-systeem is erg praktisch. De definities zijn gebaseerd op de bekendste meetmethoden en worden voortdurend herzien. Tegenwoordig wordt voor de meest nauwkeurige meting van macroscopische afstanden een puls laserlicht verzonden en wordt de tijd gemeten die het licht nodig heeft om de vereiste afstand af te leggen. Tijd wordt gemeten door een atoomklok. De nauwkeurigheid van de beste atoomklok is 1/10 13. Het is deze definitie van de meter die de minimale fout geeft bij het meten van de afstand.
De definities van het SI-systeem zijn gebaseerd op enig begrip van de wetten van de fysica. Er wordt bijvoorbeeld aangenomen dat lichtdeeltjes, fotonen, geen massa hebben. Als het foton een kleine rustmassa had, dan zou de definitie van de meter in het SI-systeem niet correct zijn, omdat de lichtsnelheid zou afhangen van de golflengte. Uit de definitie zou niet volgen dat de lichtsnelheid constant is. Het zou nodig zijn om de definitie van meter te verfijnen door de kleur van het te gebruiken licht toe te voegen.
Uit experimenten is bekend dat de massa van een foton erg klein is of gelijk aan nul. De mogelijke niet-nul massa van een foton is zo klein dat het niet meer relevant is voor het bepalen van de meter in de nabije toekomst. Het kan niet worden aangetoond dat dit een exacte nul is, maar in moderne algemeen aanvaarde theorieën is het nul. Als het niettemin niet nul is en de lichtsnelheid niet constant is, dan zou er theoretisch een grootheid c moeten zijn - de bovengrens van de lichtsnelheid in een vacuüm, en kunnen we de vraag stellen 'is deze grootheid c een constante?'
In het verleden werden meter en seconde op verschillende manieren bepaald op basis van betere meettechnieken. Definities kunnen in de toekomst veranderen. In 1939 werd de tweede gedefinieerd als 1/84600 van de gemiddelde lengte van een dag, en de meter als de afstand tussen de risico's op een staaf van een legering van platina en iridium opgeslagen in Frankrijk.
Nu is met behulp van een atoomklok vastgesteld dat de gemiddelde lengte van een dag verandert. De standaardtijd wordt gespecificeerd, waarbij soms een fractie van een seconde wordt opgeteld of afgetrokken. De rotatiesnelheid van de aarde vertraagt met ongeveer 1 / 100.000 van een seconde per jaar als gevolg van de getijdekrachten tussen de aarde en de maan. Er kunnen nog grotere veranderingen in de lengte van de standaardmeter optreden door de compressie van het metaal.
Als gevolg hiervan veranderde op dat moment de lichtsnelheid, gemeten in eenheden van m / s, enigszins in de tijd. Het is duidelijk dat de veranderingen in de waarde van c meer werden veroorzaakt door de gebruikte eenheden dan door de wisselvalligheid van de lichtsnelheid zelf, maar het is verkeerd om aan te nemen dat de lichtsnelheid nu constant is geworden, alleen omdat het een constante is in het SI-systeem.
De definities in het SI-systeem onthulden dat om onze vraag te beantwoorden, we moeten verduidelijken wat we bedoelen als we het hebben over de constantheid van de lichtsnelheid. We moeten definities van eenheden van lengte en tijd definiëren om de hoeveelheid c te meten. Bij metingen in een laboratorium en bij gebruik van astronomische waarnemingen kunnen in principe verschillende antwoorden worden verkregen. (Een van de eerste metingen van de lichtsnelheid werd in 1676 gedaan door Olaf Roemer op basis van de waargenomen veranderingen in de eclipsperiode van de manen van Jupiter.)
We kunnen bijvoorbeeld de definities nemen die zijn vastgesteld tussen 1967 en 1983. Vervolgens werd de meter gedefinieerd als 1650763,73 golflengten van rood-oranje licht van de bron op krypton-86, en de tweede werd gedefinieerd (zoals het nu is) als 9192631770 stralingsperioden die overeenkomen met de overgang tussen twee hyperfijnniveaus van cesium-133. In tegenstelling tot eerdere definities zijn deze gebaseerd op absolute fysieke grootheden en zijn ze altijd en overal toepasbaar. Kunnen we zeggen dat de lichtsnelheid in deze eenheden constant is?
Uit de kwantumtheorie van het atoom weten we dat frequenties en golflengten voornamelijk worden bepaald door de constante van Planck, de lading van het elektron, de massa van het elektron en de kern en de lichtsnelheid. Dimensieloze grootheden kunnen worden verkregen uit de genoemde parameters, zoals de fijne structuurconstante en de verhouding van de massa's van het elektron en proton. De waarden van deze dimensieloze grootheden zijn niet afhankelijk van de keuze van meeteenheden. Daarom is de vraag erg belangrijk: zijn deze waarden constant?
Als ze zouden veranderen, zou dit niet alleen de lichtsnelheid beïnvloeden. Alle chemie is gebaseerd op deze waarden, de chemische en mechanische eigenschappen van alle stoffen hangen ervan af. De lichtsnelheid zou op verschillende manieren veranderen bij het kiezen van verschillende definities voor de meeteenheden. In dit geval zou het logischer zijn om de verandering ervan toe te schrijven aan een verandering in de lading of massa van een elektron dan aan een verandering in de lichtsnelheid zelf.
Waarnemingen die betrouwbaar zijn, tonen aan dat de waarden van deze dimensieloze grootheden gedurende het grootste deel van het leven van het universum niet veranderden. … Zie het FAQ-artikel Zijn fysieke constanten in de loop van de tijd veranderd?
[Eigenlijk hangt de constante van de fijne structuur af van de energieschaal, maar hier bedoelen we de lage energielimiet.]
Speciale relativiteitstheorie
De definitie van de meter in het SI-systeem is ook gebaseerd op de aanname dat de relativiteitstheorie correct is. De lichtsnelheid is een constante in overeenstemming met het basispostulaat van de relativiteitstheorie. Dit postulaat bevat twee ideeën:
- De lichtsnelheid is niet afhankelijk van de beweging van de waarnemer.
- De lichtsnelheid is niet afhankelijk van coördinaten in tijd en ruimte.
Het idee dat de lichtsnelheid onafhankelijk is van de snelheid van de waarnemer is contra-intuïtief. Sommige mensen zijn het er niet eens over eens dat dit idee logisch is. In 1905 toonde Einstein aan dat dit idee logisch correct is als we de veronderstelling over de absolute aard van ruimte en tijd loslaten.
In 1879 werd aangenomen dat licht zich door een medium in de ruimte zou voortplanten, zoals geluid zich voortplant door lucht en andere stoffen. Michelson en Morley hebben een experiment opgezet om ether te detecteren door de verandering in de lichtsnelheid te observeren wanneer de richting van de beweging van de aarde ten opzichte van de zon gedurende het jaar verandert. Tot hun verbazing werd geen verandering in de lichtsnelheid waargenomen.
Fitzgerald suggereerde dat dit het resultaat is van het verkorten van de lengte van de experimentele opstelling terwijl deze door de ether beweegt met zo'n hoeveelheid dat het onmogelijk is om een verandering in de lichtsnelheid te detecteren. Lorenz breidde dit idee uit naar het tempo van de klok en bewees dat de ether niet kon worden gedetecteerd.
Einstein geloofde dat veranderingen in de lengte en het tempo van klokken het best begrepen kunnen worden als veranderingen in ruimte en tijd, in plaats van veranderingen in fysieke objecten. De absolute ruimte en tijd, geïntroduceerd door Newton, moeten worden opgegeven. Kort daarna toonde de wiskundige Minkowski aan dat Einsteins relativiteitstheorie kan worden geïnterpreteerd in termen van vierdimensionale niet-Euclidische meetkunde, waarbij ruimte en tijd als een enkele entiteit worden beschouwd - ruimte-tijd.
De relativiteitstheorie is niet alleen wiskundig gebaseerd, maar wordt ook ondersteund door talloze directe experimenten. Later werden de Michelson-Morley-experimenten met grotere nauwkeurigheid herhaald.
In 1925 kondigde Dayton Miller aan dat hij veranderingen in de lichtsnelheid had ontdekt. Hij ontving zelfs een onderscheiding voor deze ontdekking. In de jaren vijftig toonde aanvullende beschouwing van zijn werk aan dat de resultaten blijkbaar verband hielden met temperatuurveranderingen overdag en seizoensgebonden in zijn experimentele opstelling.
Moderne fysieke instrumenten zouden gemakkelijk de beweging van de ether kunnen detecteren als die bestond. De aarde beweegt rond de zon met een snelheid van ongeveer 30 km / s. Als de snelheden zouden worden opgeteld, in overeenstemming met de mechanica van Newton, dan zouden de laatste 5 cijfers in de waarde van de lichtsnelheid, gepostuleerd in het SI-systeem, zinloos zijn. Tegenwoordig versnellen natuurkundigen van CERN (Genève) en Fermilab (Chicago) elke dag deeltjes tot een haar dat de snelheid van het licht benadert. Elke afhankelijkheid van de lichtsnelheid van het referentiekader zou al lang geleden zijn opgemerkt, tenzij deze onmerkbaar klein is.
Wat als we, in plaats van een theorie over de verandering in ruimte en tijd, de Lorentz-Fitzgerald-theorie zouden volgen, die suggereerde dat ether bestaat, maar niet kan worden gedetecteerd vanwege fysieke veranderingen in de lengte van materiële objecten en in de snelheid van de klok?
Om hun theorie in overeenstemming te brengen met waarnemingen, moet de ether niet detecteerbaar zijn met een klok en een liniaal. Alles, inclusief de waarnemer, zou samentrekken en vertragen met precies het vereiste aantal. Zo'n theorie zou voor alle experimenten dezelfde voorspellingen kunnen doen als de relativiteitstheorie. Dan zou de ether een metafysische entiteit zijn, tenzij ze een andere manier vinden om het te detecteren - nog niemand heeft zoiets gevonden. Vanuit het standpunt van Einstein zou zo'n entiteit een onnodige complicatie zijn; het zou beter zijn om het uit de theorie te verwijderen.
Algemene relativiteitstheorie
Einstein ontwikkelde een meer algemene relativiteitstheorie die de zwaartekracht verklaarde in termen van de kromming van de ruimtetijd, en hij sprak over de verandering in de lichtsnelheid in deze nieuwe theorie. In 1920, in het boek Relativity. De speciale en algemene theorie”, schrijft hij:
… In de algemene relativiteitstheorie kan de wet van constantheid van de lichtsnelheid in vacuüm, die een van de twee fundamentele aannames is in de speciale relativiteitstheorie, […] niet onvoorwaardelijk geldig zijn. De kromming van een lichtstraal kan alleen worden gerealiseerd wanneer de voortplantingssnelheid van het licht afhangt van zijn positie.
Aangezien Einstein het had over een vector van snelheid (snelheid en richting), en niet alleen over snelheid, is het niet duidelijk of hij bedoelde dat de grootte van de snelheid verandert, maar de verwijzing naar de speciale relativiteitstheorie zegt dat ja, dat deed hij. Dit begrip is absoluut correct en heeft een fysieke betekenis, maar in overeenstemming met de moderne interpretatie is de lichtsnelheid constant in de algemene relativiteitstheorie.
De moeilijkheid hierbij is dat de snelheid afhangt van de coördinaten en dat er verschillende interpretaties mogelijk zijn. Om de snelheid (afgelegde afstand / verstreken tijd) te bepalen, moeten we eerst een aantal afstands- en tijdstandaarden kiezen. Verschillende standaarden kunnen verschillende resultaten opleveren. Dit geldt ook voor de speciale relativiteitstheorie: als je de lichtsnelheid meet in een versnellend referentiekader, dan verschilt deze in het algemene geval van c.
In de speciale relativiteitstheorie is de lichtsnelheid een constante in elk inertiaal referentiekader. In de algemene relativiteitstheorie is een gepaste generalisatie dat de lichtsnelheid constant is in elk vrij vallend referentiekader in een voldoende klein gebied om getijdekrachten te verwaarlozen. In het bovenstaande citaat heeft Einstein het niet over een vrij vallend referentiekader. Hij heeft het over een referentiekader in rust ten opzichte van de zwaartekrachtbron. In zo'n referentiekader kan de lichtsnelheid verschillen van c door de invloed van de zwaartekracht (kromming van de ruimte-tijd) op de klok en liniaal.
Als de algemene relativiteitstheorie correct is, dan is de constantheid van de lichtsnelheid in een inertiaal referentiekader een tautologisch gevolg van de geometrie van ruimte-tijd. Reizen met snelheid c in een traagheidsreferentieframe is reizen langs een rechte wereldlijn op het oppervlak van een lichtkegel.
Het gebruik van de constante c in het SI-systeem als een coëfficiënt voor de verbinding tussen de meter en de tweede is volledig gerechtvaardigd, zowel theoretisch als praktisch, omdat c niet alleen de lichtsnelheid is - het is een fundamentele eigenschap van de geometrie van ruimte-tijd.
Net als bij de speciale relativiteitstheorie zijn de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie door veel waarnemingen bevestigd.
Hierdoor komen we tot de conclusie dat de lichtsnelheid constant is, niet alleen in overeenstemming met waarnemingen. In het licht van goed geteste natuurkundige theorieën heeft het zelfs geen zin om over de wisselvalligheid ervan te praten.