Постоянна ли скорость света?

Перевод на русский: Д. С. Кравченко, 2003 г.
Дополнение: Steve Carlip 8.08.1997
Оригинал: Philip Gibbs 1.07.1996

Этот вопрос можно понимать по-разному, соответственно, по-разному придется и отвечать:

Изменяется ли скорость света при его попадании в воздух или воду?

Да. Свет замедляет свое движение в таких прозрачных средах, как воздух, вода или стекло. Отношение, в котором происходит такое замедление, называется показателем преломления среды и оно всегда больше единицы*. Это открыл Жан Фокол в 1850 г.

Чаще всего, когда люди в общем говорят "скорость света", то имеют в виду "скорость света в вакууме". Именно эта величина обозначается буквой c.

Постоянно ли c, то есть, скорость света в вакууме?

В 1983 г. на Генеральной конференции мер и весов было принято следующее определение метра в системе единиц СИ (Система Интернациональная):

Метр есть расстояние, проходимое светом в вакууме за время в 1/299 792 458 секунды.

Это привело к тому, что скорость света стала равна в точности 299 792 458 метров в секунду. И, таким образом, ответ на вопрос, постоянно ли c, становится простым до чрезвычайности: да, c постоянно по определению!

Однако, это еще не все. Система СИ построена на очень практических соображениях. Ее определения принимаются в соответствие с наиболее точными известными методиками измерения и они постоянно пересматриваются. Сегодня существуют способы измерения макроскопического расстояния путем испускания лазерного импульса и измерения времени, которое он затрачивает, чтобы пройти это расстояние. Время измеряется при помощи очень точных атомных часов (точность лучших атомных часов достигает одну 10^13 ную долю!). Именно поэтому разумно определить единицу метра именно таким способом, чтобы свести к минимуму возможные ошибки.

При построении СИ было сделано несколько предположений о том, каковы есть законы физики. Например, предполагалось, что у частицы света — у фотона — нет массы. Если бы у фотона была масса покоя, то определение метра в СИ потеряло бы смысл, так как скорость света стала бы зависеть от длины его волны. Тогда нельзя было бы постановить, что она постоянна. Тогда в определении метра надо было бы еще указать, свет какого цвета надо использовать. Опыт показывает, что если у фотона и есть какая-нибудь масса покоя, то она очень маленькая. См. вопрос есть ли масса у света. Во всяком случае, она настолько мала, что в обозримом будущем не сыграет заметной роли в определения метра, но все-таки, несмотря на то, что в настоящее время господствуют теории, исходящие из того, что масса фотона равна нулю, прямо доказать этого мы не можем. Если бы масса фотона не была бы равна нулю, то скорость не была бы постоянна, но с теоретической точки зрения могло бы существовать число c, которое бы было максимальной возможной скоростью света и все равно можно было бы спрашивать, постоянно ли c.

Раньше было, что метр и секунда были определены несколькими разными способами, отличными от нынешнего, в соответствии с методами измерений, существовавшими в то время. В будущем методы могут снова поменяться. Обратившись к 1939 г, мы увидим, что секунда определялась, как 1/84 600 ная часть средней продолжиетльности солнечного дня, а метр определялся как длина между двумя рисками на платиново-иридиевом стержне, хранящемся во Франции. Сейчас мы знаем, что средняя длина солнечного дня изменяется, так как измерили ее при помощи точных атомных часов. Стандартное время иногда подводится на секунду вперед или назад, чтобы отразить этот факт. Кроме того, вращение Земли постепенно замедляется, примерно на 1/100 000 ную долю секунды в год, из-за тормозящего действия сил притяжения между Землей, Луной и Солнцем. А в длинне металлического стержня возможны еще большие изменения из-за расширения материала. Все это приводило к тому, что скорость света, измеренная в м/с со временем медленно изменялась. Ясно, что такое изменение скорости более естественно считать проявлением изменения единиц измерения, чем самой скорости света, но точно также глупо утверждать, что сейчас скорость света неизменна потому, что система СИ так определила единицы, что она стала постоянной.

Определения СИ просто показывают нам, насколько важно сначала четко понимать, что мы подразумеваем под постоянством скорости света, прежде чем будет можно ответить на этот вопрос. Сначала надо договориться, когда мы измеряем скорость света, что используется в качестве стандартной линейки и стандартных часов. В принципе, мы можем столкнуться со значительными расхождениями между результатами измерений сделанных в лаборатории, с результатами астрономических наблюдений (одно из первых измерений скорости света было сделано Оле Кристенсеном Рёмером в 1676 г. при наблюдении видимой разницы в продолжительности затмений спутников Юпитера).

Если, к примеру, принять определение единиц такими, какие они были между 1967 и 1983 гг. Тогда метр был определен как 1 650 763,73 длин волны красно-оранжевого света, испускаемого атомом криптона-86, а секунда была определена, как и в настоящее время, как 9 192 631 770 колебаний излучения, соответсвущего переходу между двумя свехтонкими уровнями а атоме цезия-133. В отличие от ранее упомянутых определений, эти построены на абсолютных физических величинах, имеющих смысл всегда и везде. Можем ли мы сказать, постоянна ли скорость света в этих единицах?

Из квантовой теории мы знаем, что эти частоты и длины волн в основном зависят от значений постоянной Планка, масс электронов и нуклонов, а значит, эти параметры влияют и на скорость света. Исключая из параметров размерные единицы, мы можем придти к нескольким безразмерным величинам, навроде постоянной тонкой структуры или отношения массы протона к массе электрона. Они не зависят от единиц измерения и потому намного разумнее спрашивать, изменяются ли они. Если бы они изменились, то изменилась бы не только скорость света. Вся химия зависит от значений этих постоянных и потому значительные изменения произошли бы в химических и механических свойствах всех веществ. Вдобавок, скорость света изменилась бы по-разному в зависимоти от того, какие определения единиц мы бы выбрали! В этом случае также разумно считать, что причиной изменений является не изменение самой скорости света, а изменение заряда электрона или масс частиц.

В любом случае, опыт достаточно хорошо убеждает нас, что эти величины не изменялись на протяжении большей части жизни Вселенной.

[Кстати, постоянная тонкой структуры изменяется в зависимости от масштабов энергий, но здесь шла речь о ее низкоэнергетичном пределе]

Что считает специальная теория относительности?

Другое предположение, взятое за основу в системе СИ — это то, что специальная теория относительности верна. Основным постулатом теории относительности является то, что скорость света постоянна. Данное утверждение распадается на две части:

  • Скорость света не зависит от движения наблюдателя.
  • Скорость света не меняется в зависимости от места или времени.

Мысль о том, что скорость света не зависит от скорости наблюдателя очень противоречит нашим интуитивным представлениям. Некоторые люди вообще отказываются принимать, что это возможно с точки зрения логики, но в 1905 г. Эйнштейну удалось показать, что все совершенно логично, если быть готовым отказаться от предубеждений об абсолютном характере пространства и времени.

В 1879 г. думали, что свет должен распространяться по особой среде, точно так же, как звук распространяется по воздуху и другим веществам. Эту среду называли эфиром. Двое ученых, Майкельсон и Морли, поставили опыт в котором попытались обнаружить эфир, измеряя разницу в скорости света по мере того, как Земля меняет направление своего движения в течение года. К их удивлению, обнаружить различие в скорости света не удалось.

Тогда Фитцджеральд предположил, что причиной тому является сокращение экспериментальной установки при движении сквозь эфир, в точности компенсирующее изменение скорости света. Лоренц далее развил это предположение, добавив к нему замедление хода часов так, чтобы движение эфира оказывалось совершенно ненаблюдаемым. Затем Эйнштейн доказал, что эти искажения можно объяснить искажением самих пространства и времени, а не физических объектов и что, таким образом, абсолютность пространства и времени, введенная Ньютоном, должна быть отвергнута. Сразу после этого математик Минковский показал, что теория относительности Эйнштейна может быть понята как неевклидова геометрия в 4-мерном пространстве-времени.

Окончателная теория не только математически и логически самосогласована, но подтверждается и большим количеством прямых опытов. Опыт Майкельсона и Морли много раз повторяли, со все большей точностью. В 1925 г. Дэйтон Миллер объявил, что он обнаружил-таки изменение скорости светы и он даже был удостоен нескольких наград за это открытие, но проведенная в 1950 г. экспертиза его работы показала, что наиболее вероятно, что причиной обнаруженных им явлений были суточные и годичные изменения температуры установки, то есть, его результаты были признаны ошибочными.

При помощи современного оборудования легко можно было бы обнаружить движение эфира, если бы он существовал. Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с, поэтому, если справедливо векторное сложение скоростей, как этого требует механика Ньютона, то в определении метра в системе СИ последние 5 цифр скорости света были бы бессмысленными. Сегодня в физике высоких энергий в ЦЕРНе и лаборатории Ферми ежедневно ускоряют частицы до скоростей на волосок отличающихся от скорости света. Если бы скорость света зависела бы от скорости системы отсчета, это было бы давно обнаружено, если конечно эта зависимость на самом деле не является ничтожной.

Что считает общая теория относительности?

В дальнейшем Эйнштейн развил теорию относительности более общего назначения, которая объяснила гравитацию как проявление искривления пространства-времени и показал, что скорость света в этой новой теории изменяется. В 1920 г. в своей книге "Относительность: частная и общая теории" он писал: …согласно общей теории относительности, закон постоянства скорости света в вакууме, представляющий собой один из двух главнейших предположений частной теории относительности, … не может быть безусловным. Кривизна лучей света может наблюдаться только если скорость его распространения изменяется с местоположением. В оригинале речь идет о векторе скорости, то есть, о направленном объекте, поэтому сразу не очевидно, утверждал ли Эйнштейн, что меняется и длина вектора, а не только направление. Однако ссылка на специальную теорию относительности показывает, что утверждал. Хотя это и верно, но современная интерпретация такова, что скорость света постоянна и в общей теории относительности.

Проблема тут в том, что скорость — это величина, которая зависит от координат, то есть, она в некотором смысле неоднозначна. Чтобы определить скорость (расстояние делить на время) сначала надо выбрать какие-то стандарты измерения расстояний и времен. Разные стандарты приведут к разным результатам. Это уже так в специальной теории: если измерить скорость света в ускоренной системе отсчета, то получится значение, отличное от c.

В специальной теории постоянство скорости света утверждается лишь с точки зрения инерциальных систем отсчета. В общей теории это утверждения расширяется до утверждения о постоянстве скорости света в любой свободно падающей системе отсчета (в области, достаточно малой, чтобы можно было пренебречь приливными силами). В вышеупомянутом отрывке Эйнштейн говорит не о свободно падающей системе, а о системе, неподвижной относительно источника гравитации. В такой системе скорость света может отличаться от c в основном из-за влияния гравитации (кривизны пространства-времени) на часы и линейки.

Если общая теория относительности верна, то постоянство скорости света в инерциальных системах отсчета становится синонимом геометрических свойств пространства-времени. Причинная структура Вселенной определяется геометрией нулевых векторов. Движение со скоростью c означает движение по мировым линиям, касательным нулевым векторам. Применение c для преобразования между метрами и секундами, как в определении метра в системе СИ, совершенно оправдано как с практической, так и с теоретической точки зрения, ведь c это не столько скорость движения света, сколько фундаментальная особенность геометрии пространства-времени.

Как и для частной теории, предсказания общей теории относительности были подтверждены во множестве различных опытах.

В итоге можно сказать, что скорость света не просто постоянна. Более того, в свете хорошо проверенных теорий оказывается, что предположение о том, что она может измениться — просто бессмысленны!

*Строго говоря, показатель преломления не всегда больше единицы. Например, для рентгеновских лучей он почти всегда меньше единицы. Происходит это потому, что так называемая фазовая скорость рентгеновских лучей в среде больше скорости света, а показатель преломления это отношение именно фазовой скорости. Скорость же самих фотонов — это так называемая групповая скорость, которая всегда меньше c (конечно, кроме тех случаев, когда это не так :-). Для простоты в этом ответе мы эту тонкость не рассматриваем. См.