Questa domanda può essere compresa in modi diversi. Pertanto, ci sono risposte diverse.
C'è una diversa velocità della luce nell'aria o nell'acqua?
Sì. La luce è rallentata da sostanze trasparenti come aria, acqua o vetro. Quante volte la luce rallenta è determinato dall'indice di rifrazione (indice di rifrazione) del mezzo. È sempre maggiore di uno. Questa scoperta fu fatta da Leon Foucault nel 1850.
Quando parlano della "velocità della luce", di solito intendono la velocità della luce nel vuoto. È lei che è designata dalla lettera c.
La velocità della luce è costante nel vuoto?
Nel 1983, la Conferenza generale sui pesi e le misure (Conference Generale des Poids et Mesures) ha adottato la seguente definizione di misuratore SI:
Un metro è la lunghezza del percorso della luce nel vuoto durante 1/299 792 458 secondi
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Ciò ha anche determinato che la velocità della luce nel vuoto è esattamente uguale a 299792458 m / s. Risposta breve alla domanda "È c una costante": Sì, c è una costante per definizione!
Ma non è tutta la risposta. Il sistema SI è molto pratico. Le sue definizioni si basano sui metodi di misurazione più conosciuti e sono costantemente riviste. Oggi, per la misurazione più accurata delle distanze macroscopiche, viene inviato un impulso di luce laser e viene misurato il tempo impiegato dalla luce per percorrere la distanza richiesta. Il tempo è misurato da un orologio atomico. La precisione del miglior orologio atomico è 1/10 13. È questa definizione del metro che fornisce l'errore minimo nella misurazione della distanza.
Le definizioni del sistema SI si basano su una certa comprensione delle leggi della fisica. Ad esempio, si presume che le particelle di luce, i fotoni, non abbiano massa. Se il fotone avesse una piccola massa a riposo, la definizione del misuratore nel sistema SI non sarebbe corretta, perché la velocità della luce dipenderebbe dalla lunghezza d'onda. Dalla definizione non deriverebbe che la velocità della luce sia costante. Sarebbe necessario affinare la definizione di metro aggiungendo il colore della luce da utilizzare.
È noto dagli esperimenti che la massa di un fotone è molto piccola o uguale a zero. La possibile massa diversa da zero di un fotone è così piccola che è irrilevante per determinare il misuratore nel prossimo futuro. Non si può dimostrare che questo sia uno zero esatto, ma nelle teorie moderne generalmente accettate è zero. Se, tuttavia, non è zero e la velocità della luce non è costante, in teoria dovrebbe esserci una quantità c - il limite superiore della velocità della luce nel vuoto, e possiamo porci la domanda "questa quantità c è una costante?"
In passato, metro e secondo venivano determinati in modi diversi sulla base di migliori tecniche di misurazione. Le definizioni potrebbero cambiare in futuro. Nel 1939, il secondo è stato definito come 1/84600 della durata media di un giorno e il metro come la distanza tra i rischi su una bacchetta di una lega di platino e iridio immagazzinata in Francia.
Ora, con l'aiuto di un orologio atomico, è stato stabilito che la durata media di un giorno cambia. Viene specificato il tempo standard, a volte aggiungendo o sottraendo una frazione di secondo da esso. La velocità di rotazione della Terra rallenta di circa 1 / 100.000 di secondo all'anno a causa delle forze di marea tra la Terra e la Luna. Possono esserci cambiamenti anche maggiori nella lunghezza del metro standard a causa della compressione del metallo.
Di conseguenza, in quel momento la velocità della luce, misurata in unità di m / s, è cambiata leggermente nel tempo. È chiaro che le variazioni del valore di c sono state causate più dalle unità utilizzate che dall'incostanza della velocità della luce stessa, ma è sbagliato supporre che la velocità della luce sia ormai diventata costante, proprio perché è costante nel sistema SI.
Le definizioni nel sistema SI hanno rivelato che per rispondere alla nostra domanda, dobbiamo chiarire cosa intendiamo quando parliamo di costanza della velocità della luce. Dobbiamo definire definizioni di unità di lunghezza e tempo per misurare la quantità c. In linea di principio, è possibile ottenere risposte diverse misurando in laboratorio e utilizzando osservazioni astronomiche. (Una delle prime misurazioni della velocità della luce fu effettuata nel 1676 da Olaf Roemer sulla base dei cambiamenti osservati nel periodo dell'eclissi delle lune di Giove.)
Ad esempio, potremmo prendere le definizioni stabilite tra il 1967 e il 1983. Quindi il misuratore è stato definito come 1650763,73 lunghezze d'onda della luce rosso-arancione dalla sorgente su krypton-86, e il secondo è stato definito (come è oggi) come 9192631770 periodi di radiazione corrispondenti alla transizione tra due livelli iperfini di cesio-133. A differenza delle definizioni precedenti, queste si basano su quantità fisiche assolute e sono applicabili sempre e ovunque. Possiamo dire che la velocità della luce è costante in queste unità?
Dalla teoria quantistica dell'atomo sappiamo che le frequenze e le lunghezze d'onda sono determinate principalmente dalla costante di Planck, dalla carica dell'elettrone, dalle masse dell'elettrone e del nucleo e dalla velocità della luce. Le quantità adimensionali possono essere ottenute dai parametri elencati, come la costante di struttura fine e il rapporto tra le masse dell'elettrone e del protone. I valori di queste grandezze adimensionali non dipendono dalla scelta delle unità di misura. Pertanto, la domanda è molto importante, questi valori sono costanti?
Se cambiassero, non influenzerebbe solo la velocità della luce. Tutta la chimica si basa su questi valori, da essi dipendono le proprietà chimiche e meccaniche di tutte le sostanze. La velocità della luce cambierebbe in modi diversi quando si scelgono definizioni diverse per le unità di misura. In questo caso, avrebbe più senso attribuire il suo cambiamento a un cambiamento nella carica o nella massa di un elettrone che a un cambiamento nella velocità della luce stessa.
Osservazioni abbastanza affidabili mostrano che i valori di queste quantità adimensionali non sono cambiati durante la maggior parte della vita dell'universo. … Consulta l'articolo delle domande frequenti Le costanti fisiche sono cambiate nel tempo?
[In realtà la costante di struttura fine dipende dalla scala di energia, ma qui si intende il suo limite di bassa energia.]
Teoria speciale della relatività
La definizione del misuratore nel sistema SI si basa anche sul presupposto che la teoria della relatività sia corretta. La velocità della luce è una costante in accordo con il postulato di base della teoria della relatività. Questo postulato contiene due idee:
- La velocità della luce non dipende dal movimento dell'osservatore.
- La velocità della luce non dipende dalle coordinate nel tempo e nello spazio.
L'idea che la velocità della luce sia indipendente dalla velocità dell'osservatore è controintuitiva. Alcune persone non sono nemmeno d'accordo sul fatto che questa idea abbia un senso. Nel 1905, Einstein mostrò che questa idea è logicamente corretta se abbandoniamo l'assunto sulla natura assoluta dello spazio e del tempo.
Nel 1879 si credeva che la luce dovesse propagarsi attraverso un mezzo nello spazio, come il suono si propaga attraverso l'aria e altre sostanze. Michelson e Morley hanno organizzato un esperimento per rilevare l'etere osservando il cambiamento nella velocità della luce quando la direzione del movimento della Terra rispetto al Sole cambia durante l'anno. Con loro sorpresa, non è stato rilevato alcun cambiamento nella velocità della luce.
Fitzgerald ha suggerito che questo è il risultato dell'accorciamento della lunghezza della configurazione sperimentale mentre si muove attraverso l'etere di una quantità tale che è impossibile rilevare un cambiamento nella velocità della luce. Lorenz estese questa idea al ritmo dell'orologio e dimostrò che l'etere non poteva essere rilevato.
Einstein credeva che i cambiamenti nella lunghezza e nel ritmo degli orologi fossero meglio compresi come cambiamenti nello spazio e nel tempo, piuttosto che come cambiamenti negli oggetti fisici. Lo spazio e il tempo assoluti, introdotti da Newton, devono essere abbandonati. Poco dopo, il matematico Minkowski dimostrò che la teoria della relatività di Einstein può essere interpretata in termini di geometria quadridimensionale non euclidea, considerando lo spazio e il tempo come un'unica entità: lo spazio-tempo.
La teoria della relatività non è solo basata sulla matematica, è anche supportata da numerosi esperimenti diretti. Successivamente gli esperimenti di Michelson-Morley furono ripetuti con maggiore precisione.
Nel 1925 Dayton Miller annunciò di aver scoperto cambiamenti nella velocità della luce. Ha anche ricevuto un premio per questa scoperta. Negli anni '50, un'ulteriore considerazione del suo lavoro mostrò che i risultati erano apparentemente associati ai cambiamenti diurni e stagionali della temperatura della sua configurazione sperimentale.
I moderni strumenti fisici potrebbero facilmente rilevare il movimento dell'etere se esistesse. La Terra si muove intorno al Sole ad una velocità di circa 30 km / s. Se le velocità fossero aggiunte, in accordo con la meccanica newtoniana, le ultime 5 cifre del valore della velocità della luce, postulate nel sistema SI, sarebbero prive di significato. Oggi, i fisici del CERN (Ginevra) e del Fermilab (Chicago) accelerano ogni giorno le particelle fino a raggiungere la velocità della luce. Qualunque dipendenza della velocità della luce dal sistema di riferimento sarebbe stata notata molto tempo fa, a meno che non sia impercettibilmente piccola.
E se, invece di una teoria sul cambiamento nello spazio e nel tempo, seguissimo la teoria di Lorentz-Fitzgerald, che suggeriva che l'etere esiste, ma non può essere rilevato a causa di cambiamenti fisici nella lunghezza degli oggetti materiali e nella velocità dell'orologio?
Affinché la loro teoria sia coerente con le osservazioni, l'etere deve essere non rilevabile con un orologio e un righello. Tutto, compreso l'osservatore, si contrarrebbe e rallenterebbe esattamente della quantità richiesta. Una tale teoria potrebbe fare le stesse previsioni per tutti gli esperimenti della teoria della relatività. Allora l'etere sarebbe un'entità metafisica, a meno che non trovino un altro modo per rilevarlo - nessuno ha ancora trovato un tale modo. Dal punto di vista di Einstein, un'entità del genere sarebbe una complicazione inutile; sarebbe meglio rimuoverla dalla teoria.
Teoria generale della relatività
Einstein ha sviluppato una teoria della relatività più generale, che ha spiegato la gravità in termini di curvatura dello spaziotempo, e ha parlato del cambiamento nella velocità della luce in questa nuova teoria. Nel 1920, nel libro Relativity. La teoria speciale e generale scrive:
… Nella teoria generale della relatività, la legge di costanza della velocità della luce nel vuoto, che è uno dei due presupposti fondamentali nella teoria della relatività speciale, […] non può essere incondizionatamente valida. La curvatura di un raggio di luce può essere realizzata solo quando la velocità di propagazione della luce dipende dalla sua posizione.
Poiché Einstein stava parlando di un vettore di velocità (velocità e direzione), e non solo di velocità, non è chiaro se intendesse che l'entità della velocità cambia, ma il riferimento alla relatività speciale dice che sì, l'ha fatto. Questa comprensione è assolutamente corretta e ha un significato fisico, ma secondo l'interpretazione moderna, la velocità della luce è costante nella teoria generale della relatività.
La difficoltà qui è che la velocità dipende dalle coordinate e sono possibili diverse interpretazioni. Per determinare la velocità (distanza percorsa / tempo trascorso) dobbiamo prima scegliere alcuni standard di distanza e tempo. Standard diversi possono dare risultati diversi. Questo è applicabile alla teoria della relatività speciale: se misuri la velocità della luce in un sistema di riferimento in accelerazione, nel caso generale differisce da c.
Nella relatività speciale, la velocità della luce è una costante in qualsiasi sistema di riferimento inerziale. Nella relatività generale, la generalizzazione appropriata è che la velocità della luce è costante in qualsiasi sistema di riferimento in caduta libera in una regione sufficientemente piccola da trascurare le forze di marea. Nella citazione sopra, Einstein non sta parlando di un quadro di riferimento in caduta libera. Parla di un sistema di riferimento a riposo relativo alla sorgente di gravità. In un tale quadro di riferimento, la velocità della luce può differire da c a causa dell'influenza della gravità (curvatura dello spazio-tempo) sull'orologio e sul righello.
Se la teoria della relatività generale è corretta, allora la costanza della velocità della luce in un sistema di riferimento inerziale è una conseguenza tautologica della geometria dello spazio-tempo. Il viaggio alla velocità c in un sistema di riferimento inerziale è un viaggio lungo una linea globale diritta sulla superficie di un cono di luce.
L'uso della costante c nel sistema SI come coefficiente per la connessione tra il metro e il secondo è pienamente giustificato, sia teoricamente che praticamente, perché c non è solo la velocità della luce - è una proprietà fondamentale della geometria dello spazio-tempo.
Come per la relatività speciale, le previsioni della relatività generale sono state confermate da molte osservazioni.
Di conseguenza, arriviamo alla conclusione che la velocità della luce è costante, non solo in conformità con le osservazioni. Alla luce di teorie fisiche ben collaudate, non ha nemmeno senso parlare della sua incostanza.
