Чтобы определить скорость (пройденное расстояние / затраченное время) мы должны выбрать стандарты расстояния и времени. Разные стандарты могут дать разные результаты измерения скорости.

Постоянна ли скорость света?

Is The Speed of Light Constant?
Steve Carlip, Philip Gibbs

Этот вопрос можно понять по разному. Поэтому есть разные ответы.

В воздухе или воде другая скорость света?

Да. Свет замедляется в прозрачных веществах, таких как воздух, вода или стекло. Во сколько раз замедляется свет определяется коэффициентом рефракции (показателем преломления) среды. Он всегда больше единицы. Это открытие сделал Леон Фуко в 1850 году.

Когда говорят о "скорости света", то обычно имеют виду скорость света в вакууме. Именно её обозначают буквой c .

Постоянна ли скорость света в вакууме?

В 1983 году Генеральной конференцией по мерам и весам ( Conference Generale des Poids et Mesures ), принято следующее определение метра в системе СИ:

Метр - это длина пути света в вакууме за время 1/299 792 458 секунды

Этим же определено, что скорость света в вакууме точно равна 299792458 м/с. Краткий ответ на вопрос "Является ли c константой": Да, c константа по определению!

Но это не весь ответ. Система СИ очень практична. Её определения основаны на лучших известных методах измерения, и постоянно пересматриваются. На сегодня для самого точного измерения макроскопических расстояний посылают импульс света лазера и измеряют время, за которое свет проходит требуемое расстояние. Время измеряется атомными часами. Точность лучших атомных часов 1/10 ¹³ . Именно такое определение метра обеспечивает минимальную погрешность измерения расстояния.

Определения системы СИ основаны на некоторых представлениях о законах физики. Например, предполагается, что частицы света фотоны не имеют массы. Если бы фотон имел небольшую массу покоя, то определение метра в системе СИ было бы не корректным, потому что скорость света зависела бы от длины волны. Из определения не следовало бы, что скорость света постоянна. Потребовалось бы уточнить определение метра, добавив цвет света, который должен использоваться.

Из экспериментов известно, что масса фотона очень мала или равна нулю. Возможная ненулевая масса фотона так мала, что она не имеет значения для определения метра в обозримом будущем. Нельзя показать, что это точный ноль, но в современных общепризнанных теориях это ноль. Если всё же не ноль, и скорость света не константа, то теоретически должна быть величина c - верхний предел скорости света в вакууме, и мы можем задать вопрос "является ли эта величина c константой?"

Раньше метр и секунда определялись разными способами основанными на лучших методах измерений. Определения могут измениться и в будущем. В 1939 году секунда определялась, как 1/84600 от средней длины суток, а метр, как расстояние между рисками на хранившемся во Франции стержне из сплава платины и иридия.

Сейчас при помощи атомных часов установлено, что средняя длина суток изменяется. Стандартное время уточняют, иногда добавляя или отнимая от него долю секунды. Скорость вращения Земли замедляется примерно на 1/100000 секунды в год из-за приливных сил между Землёй и Луной. В длине эталона метра могут быть ещё большие изменения из-за сжатия металла.

В результате в те времена скорость света, измеренная в единицах м/с, немного менялась со временем. Ясно, что изменения величины c были больше вызваны используемыми единицами измерения, чем непостоянством самой скорости света, но неправильно считать что скорость света теперь стала постоянной, только потому, что она константа в системе СИ.

Определения в системе СИ выявили, что для ответа на наш на вопрос, нужно уточнить, что мы имеем в виду, говоря о постоянстве скорости света. Мы должны задать определения единиц длины и времени для измерения величины c . В принципе, можно получить разные ответы при измерении в лаборатории и при использовании астрономических наблюдений. (Одно из первых измерений скорости света сделал в 1676 году Олаф Ремер на основе наблюдаемых изменении периода затмений спутников Юпитера.)

Для примера, мы могли бы взять определения, установленные между 1967 и 1983 годами. Тогда метр определялся, как 1650763.73 длины волны красно-оранжевого света источника на криптоне-86, а секунда была определена (как и сегодня) как 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями цезия-133. В отличие от прежних определений, эти основаны на абсолютных физических величинах, и применимы всегда и везде. Можно ли сказать, что скорость света постоянна в этих единицах?

Из квантовой теории атома мы знаем, что частоты и длины волн в основном определяются постоянной Планка, зарядом электрона, массами электрона и ядра, и скоростью света. Из перечисленных параметров можно получить безразмерные величины, такие как постоянная тонкой структуры и отношение масс электрона и протона. Значения этих безразмерных величин не зависят от выбора единиц измерения. Поэтому очень важен вопрос, постоянны ли эти значения?

Если бы они изменялись, это повлияло бы не только на скорость света. Вся химия основана на этих значениях, от них зависят химические и механические свойства всех веществ. Скорость света изменялась бы по разному при выборе разных определений для единиц измерения. В таком случае было бы больше смысла приписать её изменение изменению заряда или массы электрона, чем изменению самой скорости света.

Достаточно надёжные наблюдения показывают, что значения этих безразмерных величин не изменялись в течении большей части жизни вселенной. See the FAQ article Have physical constants changed with time?

[На самом деле постоянная тонкой структуры зависит от масштаба энергии, но здесь мы имеем в виду её низкоэнергетический предел.]

Специальная теория относительности

Определение метра в системе СИ также основано на допущении о корректности теории относительности. Скорость света константа в соответствии с основным постулатом теории относительности. Это постулат содержит две идеи:

• Скорость света не зависит от движения наблюдателя.
• Скорость света не зависит от координат во времени и пространстве.

Идея о независимости скорости света от скорости наблюдателя противоречит интуиции. Некоторые люди даже не могут согласиться, что эта идея логична. В 1905 году Эйнштейн показал, что эта идея логически корректна, если отказаться от предположения об абсолютной природе пространства и времени.

В 1879 году считалось, что свет должен распространяться по некоторой среде в пространстве, как звук распространяется по воздуху и другим веществам. Майкельсон и Морли поставили эксперимент по обнаружению эфира путём наблюдения изменения скорости света при изменении направления движения Земли относительно Солнца в течение года. К их удивлению изменение скорости света не было обнаружено.

Фицджеральд предположил, что это результат сокращения длины экспериментальной установки при её движении в эфире на такую величину, из-за которой обнаружить изменение скорости света не удаётся. Лоренц распространил эту идею на темп хода часов, и доказал, что эфир обнаружить невозможно.

Эйнштейн считал, что изменение длины и хода часов лучше понимать, как изменения пространства и времени, а не изменения в физических объектах. От абсолютного пространства и времени, введённых Ньютоном, нужно отказаться. Вскоре после этого математик Минковский показал, что Эйнштейновскую теорию относительности можно трактовать в терминах четырёхмерной неевклидовой геометрии, рассматривая пространство и время как единую сущность - пространство-время .

Теория относительности не только математически обоснована, она также подтверждена многочисленными прямыми экспериментами. Позже опыты Майкельсона-Морли повторялись с большей точностью.

В 1925 году Дейтон Миллер объявил, что он обнаружил изменения в скорости света. Он даже получил награду за это открытие. В пятидесятых годах дополнительное рассмотрение его работы показало, что результаты, видимо, были связаны с дневными и сезонными изменениями температуры его экспериментальной установки.

Современные физические инструменты могли бы легко обнаружить движение эфира, если бы он существовал. Земля движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. Если бы скорости складывались, в соответствии с ньютоновской механикой, то последние 5 цифр в величине скорости света, постулируемой в системе СИ, были бы бессмысленными. Сегодня физики в CERN (Женева) и Fermilab (Чикаго) каждый день разгоняют частицы до скорости на волосок от скорости света. Любая зависимость скорости света от системы отсчёта была бы давно замечена, если только она не незаметно мала.

Что, если вместо теории об изменении пространства и времени, мы бы последовали теории Лоренца-Фицджеральда, которые предположили, что эфир существует, но его нельзя обнаружить из-за физических изменений в длине материальных объектов и в темпе хода часов?

Чтобы их теория согласовалась с наблюдениями, эфир должен быть необнаружим при помощи часов и линейки. Всё, включая наблюдателя, сокращалось бы и замедлялось точно на нужную величину. Такая теория могла бы делать те же предсказания для всех экспериментов, что и теория относительности. Тогда эфир был бы метафизической сущностью, если только не найдут какой-нибудь другой способ его обнаружения - такой способ пока никто не нашёл. С точки зрения Эйнштейна такая сущность была бы ненужным усложнением, лучше убрать её из теории.

Общая теория относительности

Эйнштейн разработал более общую теорию относительности, которая объяснила гравитацию в терминах искривления пространства-времени, и он говорил об изменении скорости света в этой новой теории. В 1920 году в книге "Relativity. The special and general theory" он пишет:
. .. в общей теорией относительности закон постоянства скорости света в вакууме, который является одним из двух фундаментальных допущений в специальной теории относительности, [. . .] не может быть безоговорочно справедлив. Искривление луча света может реализоваться только, когда скорость распространения света зависит от его положения.
Поскольку Эйнштейн говорил о векторе скорости (скорость и направление), а не просто о скорости, то не ясно, имел ли он в виду, что величина скорости изменяется, но ссылка на специальную теорию относительности говорит о том, что да, имел в виду. Такое понимание совершенно верно, и имеет физический смысл, но в соответствии с современной трактовкой скорость света постоянна и в общей теории относительности.

Сложность здесь в том, что скорость зависит от координат, и возможны разные толкования. Чтобы определить скорость (пройденное расстояние / затраченное время) мы должны вначале выбрать некоторые стандарты расстояния и времени. Разные стандарты могут дать разные результаты. Это применимо и к специальной теории относительности: если измерять скорость света в ускоряющейся системе отсчёта, то в общем случае она отличается от c .

В специальной теории относительности скорость света константа в любой инерциальной системе отсчёта. В общей теории относительности соответствующим обобщением является то, что скорость света константа в любой свободно падающей системе отсчёта в достаточно малой области, чтобы можно было пренебречь приливными силами. В приведённой цитате Эйнштейн не говорит о свободно падающей системе отсчёта. Он говорит о системе отсчёта, находящейся в покое относительно источника гравитации. В такой системе отсчёта скорость света может отличаться от c из-за влияния гравитации (кривизны постранства-времени) на часы и линейки.

Если общая теория относительности верна, то постоянство скорости света в инерциальной системе отсчёта - это тавтологическое следствие геометрии пространства-времени. Путешествие со скоростью c в инерциальной системе отсчёта - это путешествие вдоль прямой мировой линии на поверхности светового конуса.

Использование в системе СИ константы c , как коэффициента для связи метра и секунды полностью оправдано, как теоретически, так и практически потому, что c не только скорость света - это фундаментальное свойство геометрии пространства-времени.

Как и для специальной теории относительности, предсказания общей теории относительности подтверждены многими наблюдениями.

В итоге мы приходим к выводу, что скорость света постоянна не только в соответствии с наблюдениями. В свете хорошо проверенных физических теорий даже не имеет смысла говорить о её непостоянстве.

Steve Carlip, Philip Gibbs, 1997

Перевод Е.Корниенко