Diese Frage kann auf verschiedene Arten verstanden werden. Daher gibt es unterschiedliche Antworten.
Gibt es eine andere Lichtgeschwindigkeit in Luft oder Wasser?
Ja. In transparenten Substanzen wie Luft, Wasser oder Glas wird das Licht verlangsamt. Wie oft das Licht langsamer wird, wird durch den Brechungsindex (Brechungsindex) des Mediums bestimmt. Es ist immer größer als eins. Diese Entdeckung wurde 1850 von Leon Foucault gemacht.
Wenn sie über die "Lichtgeschwindigkeit" sprechen, meinen sie normalerweise die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Sie ist es, die mit dem Buchstaben c bezeichnet wird.
Ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant?
1983 nahm die Generalkonferenz für Gewichte und Maße (Conference Generale des Poids et Mesures) die folgende Definition des SI-Messgeräts an:
Ein Meter ist die Weglänge von Licht im Vakuum während 1/299 792 458 Sekunden
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Dies stellte auch fest, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum genau 299792458 m / s beträgt. Kurze Antwort auf die Frage "Ist c eine Konstante": Ja, c ist per Definition eine Konstante!
Aber das ist nicht die ganze Antwort. Das SI-System ist sehr praktisch. Seine Definitionen basieren auf den bekanntesten Messmethoden und werden ständig überarbeitet. Für die genaueste Messung makroskopischer Entfernungen wird heute ein Laserlichtimpuls gesendet und die Zeit gemessen, die das Licht benötigt, um die erforderliche Entfernung zurückzulegen. Die Zeit wird mit einer Atomuhr gemessen. Die Genauigkeit der besten Atomuhr beträgt 1/10 13. Diese Definition des Messgeräts liefert den minimalen Fehler bei der Entfernungsmessung.
Die Definitionen des SI-Systems basieren auf einem gewissen Verständnis der Gesetze der Physik. Beispielsweise wird angenommen, dass Lichtteilchen, Photonen, keine Masse haben. Wenn das Photon eine kleine Ruhemasse hätte, wäre die Definition des Messgeräts im SI-System nicht korrekt, da die Lichtgeschwindigkeit von der Wellenlänge abhängen würde. Aus der Definition würde sich nicht ergeben, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Es wäre notwendig, die Definition des Messgeräts durch Hinzufügen der Farbe des zu verwendenden Lichts zu verfeinern.
Aus Experimenten ist bekannt, dass die Masse eines Photons sehr klein oder gleich Null ist. Die mögliche Nicht-Null-Masse eines Photons ist so klein, dass sie für die Bestimmung des Messgeräts in absehbarer Zeit irrelevant ist. Es kann nicht gezeigt werden, dass dies eine exakte Null ist, aber in modernen allgemein anerkannten Theorien ist es Null. Wenn es dennoch nicht Null ist und die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant ist, sollte es theoretisch eine Größe c geben - die Obergrenze der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum, und wir können die Frage stellen: "Ist diese Größe c eine Konstante?"
In der Vergangenheit wurden Meter und Sekunde auf der Grundlage besserer Messtechniken auf unterschiedliche Weise bestimmt. Definitionen können sich in Zukunft ändern. Im Jahr 1939 wurde die zweite als 1/84600 der durchschnittlichen Länge eines Tages und der Meter als Abstand zwischen den Risiken einer in Frankreich gelagerten Legierung aus Platin und Iridium auf einem Stab definiert.
Mit Hilfe einer Atomuhr wurde nun festgestellt, dass sich die durchschnittliche Länge eines Tages ändert. Die Standardzeit wird angegeben, wobei manchmal ein Bruchteil einer Sekunde addiert oder subtrahiert wird. Die Rotationsgeschwindigkeit der Erde verlangsamt sich aufgrund der Gezeitenkräfte zwischen Erde und Mond um etwa 1 / 100.000 Sekunden pro Jahr. Aufgrund der Kompression des Metalls kann sich die Länge des Standardmessers noch stärker ändern.
Infolgedessen änderte sich zu diesem Zeitpunkt die Lichtgeschwindigkeit, gemessen in Einheiten von m / s, geringfügig im Laufe der Zeit. Es ist klar, dass die Änderungen des Wertes von c mehr durch die verwendeten Einheiten als durch die Unbeständigkeit der Lichtgeschwindigkeit selbst verursacht wurden, aber es ist falsch anzunehmen, dass die Lichtgeschwindigkeit jetzt konstant geworden ist, nur weil sie im SI-System konstant ist.
Die Definitionen im SI-System haben gezeigt, dass wir zur Beantwortung unserer Frage klarstellen müssen, was wir meinen, wenn wir über die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit sprechen. Wir müssen Definitionen von Längen- und Zeiteinheiten definieren, um die Menge zu messen. C. Grundsätzlich können beim Messen im Labor und bei astronomischen Beobachtungen unterschiedliche Antworten erhalten werden. (Eine der ersten Messungen der Lichtgeschwindigkeit wurde 1676 von Olaf Roemer durchgeführt, basierend auf den beobachteten Veränderungen in der Sonnenfinsternisperiode von Jupiters Monden.)
Zum Beispiel könnten wir die Definitionen nehmen, die zwischen 1967 und 1983 festgelegt wurden. Dann wurde das Messgerät als 1650763,73 Wellenlängen von rot-orangefarbenem Licht von der Quelle auf Krypton-86 definiert, und das zweite wurde (wie heute) als 9192631770 Strahlungsperioden definiert, die dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinspiegeln von Cäsium-133 entsprechen. Im Gegensatz zu früheren Definitionen basieren diese auf absoluten physikalischen Größen und sind immer und überall anwendbar. Können wir sagen, dass die Lichtgeschwindigkeit in diesen Einheiten konstant ist?
Aus der Quantentheorie des Atoms wissen wir, dass Frequenzen und Wellenlängen hauptsächlich durch die Plancksche Konstante, die Ladung des Elektrons, die Massen des Elektrons und des Kerns und die Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden. Dimensionslose Größen können aus den aufgeführten Parametern wie der Feinstrukturkonstante und dem Verhältnis der Massen von Elektron und Proton erhalten werden. Die Werte dieser dimensionslosen Größen hängen nicht von der Wahl der Maßeinheiten ab. Daher ist die Frage sehr wichtig, ob diese Werte konstant sind.
Wenn sie sich ändern würden, würde dies nicht nur die Lichtgeschwindigkeit beeinflussen. Die gesamte Chemie basiert auf diesen Werten, die chemischen und mechanischen Eigenschaften aller Substanzen hängen davon ab. Die Lichtgeschwindigkeit würde sich auf unterschiedliche Weise ändern, wenn unterschiedliche Definitionen für die Maßeinheiten ausgewählt werden. In diesem Fall wäre es sinnvoller, seine Änderung einer Änderung der Ladung oder Masse eines Elektrons zuzuschreiben als einer Änderung der Lichtgeschwindigkeit.
Zuverlässig genug Beobachtungen zeigen, dass sich die Werte dieser dimensionslosen Größen während des größten Teils des Lebens des Universums nicht geändert haben. … Siehe FAQ-Artikel Haben sich physikalische Konstanten mit der Zeit geändert?
[Eigentlich hängt die Feinstrukturkonstante von der Energieskala ab, aber hier meinen wir die untere Energiebegrenzung.]
Spezielle Relativitätstheorie
Die Definition des Zählers im SI-System basiert ebenfalls auf der Annahme, dass die Relativitätstheorie korrekt ist. Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Konstante gemäß dem Grundpostulat der Relativitätstheorie. Dieses Postulat enthält zwei Ideen:
- Die Lichtgeschwindigkeit hängt nicht von der Bewegung des Betrachters ab.
- Die Lichtgeschwindigkeit hängt nicht von zeitlichen und räumlichen Koordinaten ab.
Die Vorstellung, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit des Betrachters ist, ist nicht intuitiv. Einige Leute können nicht einmal zustimmen, dass diese Idee Sinn macht. 1905 zeigte Einstein, dass diese Idee logisch korrekt ist, wenn wir die Annahme über die absolute Natur von Raum und Zeit aufgeben.
1879 glaubte man, dass sich Licht durch ein Medium im Raum ausbreiten sollte, so wie sich Schall durch Luft und andere Substanzen ausbreitet. Michelson und Morley haben ein Experiment zum Nachweis von Äther durchgeführt, indem sie die Änderung der Lichtgeschwindigkeit beobachteten, wenn sich die Richtung der Erdbewegung relativ zur Sonne im Laufe des Jahres ändert. Zu ihrer Überraschung wurde keine Änderung der Lichtgeschwindigkeit festgestellt.
Fitzgerald schlug vor, dass dies das Ergebnis einer Verkürzung der Länge des Versuchsaufbaus ist, wenn dieser sich durch den Äther um einen solchen Betrag bewegt, dass es unmöglich ist, eine Änderung der Lichtgeschwindigkeit festzustellen. Lorenz erweiterte diese Idee auf das Tempo der Uhr und bewies, dass der Äther nicht entdeckt werden konnte.
Einstein glaubte, dass Änderungen in der Länge und im Tempo von Uhren am besten als Änderungen in Raum und Zeit und nicht als Änderungen in physischen Objekten verstanden werden können. Der von Newton eingeführte absolute Raum und die absolute Zeit müssen aufgegeben werden. Bald darauf zeigte der Mathematiker Minkowski, dass Einsteins Relativitätstheorie als vierdimensionale nichteuklidische Geometrie interpretiert werden kann, wobei Raum und Zeit als eine Einheit betrachtet werden - Raum-Zeit.
Die Relativitätstheorie basiert nicht nur auf Mathematik, sondern wird auch durch zahlreiche direkte Experimente gestützt. Später wurden die Michelson-Morley-Experimente mit größerer Genauigkeit wiederholt.
Im Jahr 1925 gab Dayton Miller bekannt, dass er Veränderungen in der Lichtgeschwindigkeit entdeckt hatte. Für diese Entdeckung erhielt er sogar eine Auszeichnung. In den 1950er Jahren zeigte eine zusätzliche Betrachtung seiner Arbeit, dass die Ergebnisse offenbar mit Tages- und saisonalen Temperaturänderungen in seinem Versuchsaufbau zusammenhängen.
Moderne physikalische Instrumente könnten die Bewegung des Äthers leicht erfassen, wenn er existiert. Die Erde bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 km / s um die Sonne. Wenn die Geschwindigkeiten gemäß der Newtonschen Mechanik addiert würden, wären die letzten 5 Stellen im Wert der Lichtgeschwindigkeit, die im SI-System postuliert werden, bedeutungslos. Heute beschleunigen Physiker am CERN (Genf) und am Fermilab (Chicago) jeden Tag Partikel auf ein Haar nahe der Lichtgeschwindigkeit. Eine Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit vom Bezugsrahmen wäre längst bemerkt worden, es sei denn, sie ist unmerklich klein.
Was wäre, wenn wir anstelle einer Theorie über die Änderung von Raum und Zeit der Lorentz-Fitzgerald-Theorie folgen würden, die besagt, dass Äther existiert, aber aufgrund physikalischer Änderungen der Länge materieller Objekte und der Taktrate nicht erkannt werden kann?
Damit ihre Theorie mit Beobachtungen übereinstimmt, muss der Äther mit einer Uhr und einem Lineal nicht nachweisbar sein. Alles, einschließlich des Beobachters, würde sich zusammenziehen und um genau den erforderlichen Betrag verlangsamen. Eine solche Theorie könnte für alle Experimente die gleichen Vorhersagen treffen wie die Relativitätstheorie. Dann wäre der Äther eine metaphysische Einheit, es sei denn, sie finden einen anderen Weg, ihn zu entdecken - noch hat niemand einen solchen gefunden. Aus Einsteins Sicht wäre eine solche Entität eine unnötige Komplikation, es wäre besser, sie aus der Theorie zu entfernen.
Allgemeine Relativitätstheorie
Einstein entwickelte eine allgemeinere Relativitätstheorie, die die Schwerkraft anhand der Krümmung der Raumzeit erklärte, und sprach in dieser neuen Theorie über die Änderung der Lichtgeschwindigkeit. 1920 in dem Buch Relativitätstheorie. Die spezielle und allgemeine Theorie “, schreibt er:
… in der allgemeinen Relativitätstheorie kann das Konstanzgesetz der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, das eine von zwei Grundannahmen in der speziellen Relativitätstheorie ist, […] nicht unbedingt gültig sein. Die Krümmung eines Lichtstrahls kann nur realisiert werden, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts von seiner Position abhängt.
Da Einstein von einem Geschwindigkeitsvektor (Geschwindigkeit und Richtung) sprach und nicht nur von Geschwindigkeit, ist nicht klar, ob er meinte, dass sich die Größe der Geschwindigkeit ändert, aber der Hinweis auf die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass er es getan hat. Dieses Verständnis ist absolut korrekt und hat eine physikalische Bedeutung, aber gemäß der modernen Interpretation ist die Lichtgeschwindigkeit in der allgemeinen Relativitätstheorie konstant.
Die Schwierigkeit dabei ist, dass die Geschwindigkeit von den Koordinaten abhängt und unterschiedliche Interpretationen möglich sind. Um die Geschwindigkeit (zurückgelegte Strecke / verstrichene Zeit) zu bestimmen, müssen wir zuerst einige Entfernungs- und Zeitstandards auswählen. Unterschiedliche Standards können zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Dies gilt für die spezielle Relativitätstheorie: Wenn Sie die Lichtgeschwindigkeit in einem beschleunigenden Referenzrahmen messen, unterscheidet sie sich im allgemeinen Fall von c.
In der speziellen Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit in jedem Trägheitsreferenzrahmen eine Konstante. In der allgemeinen Relativitätstheorie besteht eine geeignete Verallgemeinerung darin, dass die Lichtgeschwindigkeit in jedem frei fallenden Bezugssystem in einem ausreichend kleinen Bereich konstant ist, um Gezeitenkräfte zu vernachlässigen. Im obigen Zitat spricht Einstein nicht von einem frei fallenden Bezugsrahmen. Er spricht von einem Bezugsrahmen in Ruhe relativ zur Schwerkraftquelle. In einem solchen Bezugsrahmen kann die Lichtgeschwindigkeit aufgrund des Einflusses der Schwerkraft (Krümmung der Raum-Zeit) auf die Uhr und das Lineal von c abweichen.
Wenn die allgemeine Relativitätstheorie korrekt ist, ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in einem trägen Bezugssystem eine tautologische Folge der Geometrie der Raumzeit. Die Bewegung mit der Geschwindigkeit c in einem Trägheitsreferenzrahmen erfolgt entlang einer geraden Weltlinie auf der Oberfläche eines Lichtkegels.
Die Verwendung der Konstanten c im SI-System als Koeffizient für die Verbindung zwischen dem Messgerät und dem zweiten ist sowohl theoretisch als auch praktisch völlig gerechtfertigt, da c nicht nur die Lichtgeschwindigkeit ist, sondern eine grundlegende Eigenschaft der Raum-Zeit-Geometrie.
Wie bei der speziellen Relativitätstheorie wurden die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie durch viele Beobachtungen bestätigt.
Infolgedessen kommen wir zu dem Schluss, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht nur in Übereinstimmung mit Beobachtungen konstant ist. Angesichts bewährter physikalischer Theorien ist es nicht einmal sinnvoll, über seine Unbeständigkeit zu sprechen.
