Скорость света — как измерить, чему равна в вакууме, воздухе, воде
Ничто во Вселенной не может быть быстрее скорости света. Узнайте в этой статье, что представляет собой эта особая величина и как на самом деле можно измерить скорость света.
Скорость света c — это одна из самых важных фундаментальных констант в физике. Значение скорости света — 299 792 458 м / (с точностью до ±1,2 м/с) [1] (что примерно равно 300 000 километров в секунду). Это означает, что за одну секунду свет преодолевает расстояние в 300 000 километров. Например, если вы стоите на Луне и светите сильным источником света в сторону Земли, свет проходит 1,25 секунды, прежде чем его можно будет увидеть здесь.
На самом деле, это значение скорости является точным, поскольку, по международному соглашению, определение метра гласит, что один метр — это длина, которую свет проходит в вакууме за 1 / 299792458 секунд.
Заметим, однако, что это действительно только скорость света в вакууме. Если свет проходит через среду, даже если это всего лишь воздух, эта скорость уменьшается.
Помните! Скорость света c точно определена как 299 792 458 метров в секунду. Ничто не движется быстрее света.
Насколько велика скорость света?
Трудно представить, насколько велика скорость света. Лучше всего представить себе это в сравнении со скоростями, которые вам более знакомы. В следующей таблице рассмотрим, как быстро движутся другие вещи в нашей повседневной жизни по сравнению со скоростью света.
| Объект | Скорость в м/с (с округлением) |
| Человек | 1,5 |
| Гоночный автомобиль | 100 |
| Звуковые волны | 343 |
| Сверхзвуковой самолет | 400 |
| Скорость света | 300 000 000 |
Однако это скорость света в вакууме (например, в космическом пространстве). Если свет движется в среде, такой как воздух, его скорость иногда значительно уменьшается.
Скорость света — это максимальная скорость всей материи и информации. На обычных путях ничто не движется быстрее, чем скорость света в вакууме c. Это означает, что не только свет, но и все остальное подчиняется этому ограничению скорости. К ним относятся, например, электромагнитное излучение и гравитационные волны. Такие волны и частицы движутся со скоростью света, независимо от скорости и направления их источника. Это относится и к движущемуся объекту. Например, если поезд едет с включенными фарами, свет все равно будет двигаться со скоростью света, независимо от того, насколько быстро движется поезд. Частицы и материя, чья масса не равна нулю, могут приближаться к скорости света, но никогда не достигают ее.
Скорость света в различных средах
В прозрачных средах, таких как воздух или стекло, свет распространяется медленнее, чем скорость света в вакууме. То же самое относится и к электромагнитным волнам в проводниках. Они также движутся медленнее скорости света. Это отношение скорости света c к скорости в среде v называется показателем преломления n= c / v.
Скорость света в воздухе.
В воздухе этот показатель преломления для видимого света составляет 1,0003. Поэтому в воздухе свет проходит на около 90 километров в секунду медленнее, чем в вакууме, то есть c / 1,0003 ≈ 299910 км / с .
Скорость света в воде.
В воде коэффициент преломления составляет около 1,3 , поэтому скорость света снижается до 230 769 километров в секунду, то есть c / 1,3 ≈ 230 769 км / с .
Скорость света в стекле.
В стекле коэффициент преломления равен 1,5. Если вы рассчитаете это, как и раньше, то получите скорость около 200 000 километров в секунду, то есть c / 1,5 ≈ 200 000 км / с .
Измерение скорости света
Когда вы включаете дома свет, кажется, что свет сразу же заполняет комнату. Но если смотреть на него на очень больших расстояниях и с помощью более совершенных измерительных приборов, чем ваш невооруженный глаз, конечная скорость света становится очевидной.
Существует множество подобных экспериментов. Однако в одном интересном варианте в качестве мишени используется наша Луна.
Представьте, что вы поместили зеркало на поверхность Луны. Теперь вы используете лазер, чтобы направить свет с Земли на это зеркало, и ждете, сколько времени пройдет, пока вы увидите отраженный свет. Только примерно через 2,5 секунды вы увидите вспышку зеркала.
Так с какой скоростью v движется свет вашего лазера?
Вы можете рассчитать её. Луна находится на расстоянии 384 400 километров от Земли. Ваш лазерный свет должен преодолеть это расстояние дважды. Один раз, чтобы добраться от вашего местонахождения до Луны, а затем еще раз, чтобы вернуться от Луны обратно к вам. Лазеру требуется 2,5 секунды, чтобы преодолеть это расстояние.
v = расстояние / время = 2 * 384 400 км / 2,5 с = 307 520 км / с .
Это не совсем соответствует реальному значению около 300 000 километров в секунду, но очень близко. С помощью более точных измерительных приборов можно более точно определить скорость света.
Кстати, свету требуется еще больше времени, чтобы пройти путь от Солнца до Земли. Свету, излучаемому Солнцем, требуется в среднем 8 минут и 17 секунд, чтобы достичь нас на Земле.
Определение скорости света сыграло в науке очень важную роль. Была не только выяснена природа света, но и установлено, что никакое тело не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Это стало ясно после создания теории относительности.
[2]
Единицы измерения
Теперь вы увидели, что скорость указывается в метрах в секунду, а также в километрах в секунду или километрах в час. С помощью простых вычислений вы можете самостоятельно перевести значения в соответствующие единицы измерения.
Чтобы было легче вычислить, мы округлим и скажем, что скорость света составляет 300 000 000 метров в секунду (300 000 000 м/с).
Скорость света в км / с .
Пересчет в километры в секунду относительно прост. В одном километре 1000 метров. Вы знаете, что свет распространяется со скоростью 300 000 000 метров в секунду, тогда 300 000 000 м / 1000 = 300 000 км.
Это означает, что за одну секунду ваш свет распространяется на 300 000 километров.
Скорость света в км / ч .
Теперь вы знаете, какое расстояние проходит свет за одну секунду. Теперь вам просто нужно экстраполировать это на часы. В часе 60 минут. В одной минуте 60 секунд, тогда 60 * 60 с = 3600 с. Таким образом, в одном часе 3600 секунд.
В итоге получаем: ( 300 000 км * 3600 ) / ( 1 c * 3600 ) = 1 080 000 000 км / 3600 с = 1 080 000 000 км / ч.
Поэтому свет распространяется в вакууме со скоростью примерно 1 080 000 000 000 км/ч (километров в час).
Скорость света в электродинамике
Классическая физика описывает свет как тип электромагнитной волны. Кроме того, уравнения Максвелла описывают классическое поведение электромагнитных волн.
Законы Максвелла предскажут волны в пустоте со скоростью: c = 1 / ε0 * μ0 , где ε0 — электрическая постоянная и μ0 — магнитная постоянная.
В современной квантовой физике теория квантовой электродинамики (КЭД) описывает электромагнитное поле. В этом случае свет является фундаментальным возбуждением (также называемым квантом) электромагнитного поля. Это возбуждение принимает форму фотона. В рамках КЭД фотоны являются безмассовыми частицами. Поэтому, согласно специальной теории относительности, они движутся через вакуум со скоростью света.
Список использованных источников
- Википедия
- Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М. : Просвещение, 2010. — 399 с.
- Касьянов В. А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
ЗАМЕДЛЕННЫЙ СВЕТ
Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.
Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью — почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с — фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.
В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха — 1,0003, воды — 1,33, различных сортов стекла — от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз — 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.
В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект — так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!
Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.
Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости — фазовую и групповую. Фазовая скорость vф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны — бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления — тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.
Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.
Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но «красный» спортсмен бежит быстрее, чем «оранжевый», «оранжевый» — быстрее, чем «желтый», и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии — большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.
Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики — теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.
Все частицы — как заключенные в атоме, так и свободные — делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком — основном — энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания «атомного лазера» (см. «Наука и жизнь» № 10, 1997 г.).
Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики — оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10 -7 — 10 -8 с и в конденсированных средах — менее 10 -11 c. При этом возникает запаздывание импульса — его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.
Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние — на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).
После этого конденсат осветили «связующим пучком» линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков — в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз — до 43 микрометров.
Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет — возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.
Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.
Читайте в любое время
Детальное описание иллюстрации
Если скорость волны не зависит от ее частоты, импульс распространяется без искажения и с постоянной скоростью (а). В противном случае форма импульса при распространении меняется (б). При этом простое понятие скорости импульса приходится заменять рядом других — скорости фронта, распространения сигнала, передачи энергии и т.д. Если в среде проходит гармоническая волна (например, когерентное лазерное излучение), сохраняется смысл перемещения фазы (горба или впадины) волны. Эта скорость v называется фазовой (в). Если в течение какого-то интервала времени форма импульса сохраняется, можно говорить о перемещении огибающей этой группы волн — групповой скорости u. Внутри огибающей волна движется с некоторой средней скоростью v. В зависимости от свойств среды групповая скорость может быть и больше фазовой, и меньше нее, она может быть равна нулю и даже иметь отрицательный знак: импульс «растягивается» в сторону, противоположную движению волны.
Скорость света в вакууме и в веществе
Чем больше скорость распространения света в среде, тем меньше её оптическая плотность .
Минимальной оптической плотностью обладает вакуум, поэтому скорость света в вакууме максимальна:
Показатель преломления среды – физическая величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде:
Показатель преломления среды – безразмерная величина.
Среда, у которой показатель преломления выше, называется оптически более плотной .
Где скорость света больше в воде или в стекле
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?
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
С точностью 0.1% скорость света и в воздухе и в вакууме равна 300 тысяч километров в секунду