Pertanyaan ini dapat dipahami dengan berbagai cara. Oleh karena itu, terdapat jawaban yang berbeda.
Apakah ada perbedaan kecepatan cahaya di udara atau air?
Iya. Cahaya diperlambat dalam zat transparan seperti udara, air, atau kaca. Berapa kali perlambatan cahaya ditentukan oleh indeks bias (indeks bias) medium. Itu selalu lebih besar dari satu. Penemuan ini dibuat oleh Leon Foucault pada tahun 1850.
Ketika mereka berbicara tentang "kecepatan cahaya", yang mereka maksud adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Dialah yang ditunjuk oleh huruf c.
Apakah kecepatan cahaya konstan dalam ruang hampa?
Pada tahun 1983, General Conference on Weights and Measures (Conference Generale des Poids et Mesures) mengadopsi definisi meteran SI berikut ini:
Meter adalah panjang lintasan cahaya dalam ruang hampa selama 1/299 792 458 detik
Video promosi:
Ini juga menentukan bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa sama persis dengan 299792458 m / s. Jawaban singkat untuk pertanyaan "Apakah c konstanta": Ya, c adalah konstanta menurut definisi!
Tapi bukan itu jawaban keseluruhan. Sistem SI sangat praktis. Definisinya didasarkan pada metode pengukuran yang paling terkenal dan terus direvisi. Saat ini, untuk pengukuran jarak makroskopis yang paling akurat, mereka mengirimkan denyut sinar laser dan mengukur waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menempuh jarak yang diperlukan. Waktu diukur dengan jam atom. Keakuratan jam atom terbaik adalah 1/10 13. Definisi meteran inilah yang memberikan kesalahan minimum dalam mengukur jarak.
Definisi sistem SI didasarkan pada beberapa pemahaman tentang hukum fisika. Misalnya, diasumsikan bahwa partikel cahaya, foton, tidak memiliki massa. Jika foton memiliki massa diam yang kecil, maka definisi meteran dalam sistem SI tidak akan tepat, karena kecepatan cahaya akan bergantung pada panjang gelombang. Ini tidak akan mengikuti dari definisi bahwa kecepatan cahaya adalah konstan. Definisi meteran perlu disempurnakan dengan menambahkan warna cahaya yang akan digunakan.
Diketahui dari percobaan bahwa massa foton sangat kecil atau sama dengan nol. Massa foton bukan-nol yang mungkin sangat kecil sehingga tidak relevan untuk menentukan meteran di masa mendatang. Tidak dapat dibuktikan bahwa ini adalah nol tepat, tetapi dalam teori modern yang diterima secara umum, angka itu nol. Namun, jika itu bukan nol, dan kecepatan cahaya tidak konstan, maka secara teoritis harus ada besaran c - batas atas kecepatan cahaya dalam ruang hampa, dan kita dapat mengajukan pertanyaan "apakah besaran ini c konstanta?"
Di masa lalu, meter dan detik ditentukan dengan cara berbeda berdasarkan teknik pengukuran yang lebih baik. Definisi dapat berubah di masa depan. Pada tahun 1939, detik didefinisikan sebagai 1/84600 dari panjang rata-rata satu hari, dan meteran sebagai jarak antara risiko pada batang dari paduan platina dan iridium yang disimpan di Prancis.
Sekarang, dengan bantuan jam atom, telah ditetapkan bahwa panjang rata-rata suatu hari berubah. Waktu standar ditentukan, terkadang menambahkan atau mengurangi sepersekian detik darinya. Kecepatan rotasi bumi melambat sekitar 1 / 100.000 detik per tahun karena gaya pasang surut antara Bumi dan Bulan. Mungkin ada perubahan yang lebih besar dalam panjang meter standar karena kompresi logam.
Akibatnya, pada saat itu kecepatan cahaya, yang diukur dalam satuan m / s, sedikit berubah seiring waktu. Jelas bahwa perubahan nilai c lebih disebabkan oleh satuan yang digunakan daripada oleh ketidakkekalan kecepatan cahaya itu sendiri, tetapi keliru untuk mengasumsikan bahwa kecepatan cahaya kini telah menjadi konstan, hanya karena ia konstan dalam sistem SI.
Definisi dalam sistem SI mengungkapkan bahwa untuk menjawab pertanyaan kita, kita perlu menjelaskan apa yang kita maksud ketika kita berbicara tentang keteguhan kecepatan cahaya. Kita harus mendefinisikan definisi satuan panjang dan waktu untuk mengukur besaran c. Pada prinsipnya, jawaban yang berbeda dapat diperoleh saat mengukur di laboratorium dan saat menggunakan pengamatan astronomi. (Salah satu pengukuran kecepatan cahaya pertama kali dilakukan pada tahun 1676 oleh Olaf Roemer berdasarkan perubahan yang diamati pada periode gerhana bulan Jupiter.)
Misalnya, kita dapat mengambil definisi yang ditetapkan antara tahun 1967 dan 1983. Kemudian meteran didefinisikan sebagai 1650763.73 panjang gelombang sumber cahaya merah-oranye pada kripton-86, dan yang kedua didefinisikan (seperti sekarang ini) sebagai periode radiasi 9192631770 yang sesuai dengan transisi antara dua tingkat hyperfine cesium-133. Tidak seperti definisi sebelumnya, ini didasarkan pada kuantitas fisik absolut, dan dapat diterapkan selalu dan di mana saja. Bisakah kita mengatakan bahwa kecepatan cahaya konstan dalam satuan ini?
Dari teori kuantum atom, kita tahu bahwa frekuensi dan panjang gelombang terutama ditentukan oleh konstanta Planck, muatan elektron, massa elektron dan inti, dan kecepatan cahaya. Besaran tak berdimensi dapat diperoleh dari parameter yang terdaftar, seperti konstanta struktur halus dan rasio massa elektron dan proton. Nilai besaran tak berdimensi ini tidak bergantung pada pilihan unit pengukuran. Oleh karena itu, pertanyaannya sangat penting, apakah nilai-nilai ini konstan?
Jika mereka berubah, itu tidak hanya akan mempengaruhi kecepatan cahaya. Semua kimia didasarkan pada nilai-nilai ini, sifat kimia dan mekanik semua zat bergantung padanya. Kecepatan cahaya akan berubah dengan cara yang berbeda ketika memilih definisi yang berbeda untuk satuan pengukuran. Dalam hal ini, akan lebih masuk akal untuk mengaitkan perubahannya dengan perubahan muatan atau massa elektron daripada perubahan kecepatan cahaya itu sendiri.
Pengamatan yang cukup andal menunjukkan bahwa nilai kuantitas tak berdimensi ini tidak berubah selama sebagian besar kehidupan alam semesta. … Lihat artikel FAQ Apakah konstanta fisik berubah seiring waktu?
[Sebenarnya konstanta struktur halus bergantung pada skala energinya, tetapi yang kami maksud di sini adalah batas energinya yang rendah.]
Teori relativitas khusus
Pengertian meteran dalam sistem SI juga didasarkan pada asumsi bahwa teori relativitas benar. Kecepatan cahaya adalah sebuah konstanta sesuai dengan dalil dasar teori relativitas. Postulat ini mengandung dua gagasan:
- Kecepatan cahaya tidak tergantung pada pergerakan pengamat.
- Kecepatan cahaya tidak bergantung pada koordinat dalam ruang dan waktu.
Gagasan bahwa kecepatan cahaya tidak bergantung pada kecepatan pengamat adalah berlawanan dengan intuisi. Beberapa orang bahkan tidak setuju bahwa ide ini masuk akal. Pada tahun 1905, Einstein menunjukkan bahwa ide ini secara logis benar jika kita meninggalkan asumsi tentang sifat absolut ruang dan waktu.
Pada tahun 1879, diyakini bahwa cahaya harus merambat melalui beberapa media di ruang angkasa, seperti suara merambat melalui udara dan zat lainnya. Michelson dan Morley melakukan percobaan untuk mendeteksi eter dengan mengamati perubahan kecepatan cahaya saat arah gerakan Bumi relatif terhadap Matahari berubah sepanjang tahun. Yang mengejutkan mereka, tidak ada perubahan kecepatan cahaya yang terdeteksi.
Fitzgerald mengemukakan bahwa ini adalah hasil dari memperpendek panjang pengaturan eksperimental saat bergerak melalui eter dengan jumlah sedemikian rupa sehingga tidak mungkin untuk mendeteksi perubahan kecepatan cahaya. Lorenz memperluas gagasan ini ke kecepatan jam, dan membuktikan bahwa eter tidak dapat dideteksi.
Einstein percaya bahwa perubahan panjang dan kecepatan jam paling baik dipahami sebagai perubahan dalam ruang dan waktu, daripada perubahan objek fisik. Ruang dan waktu absolut, yang diperkenalkan oleh Newton, harus ditinggalkan. Segera setelah itu, ahli matematika Minkowski menunjukkan bahwa teori relativitas Einstein dapat diinterpretasikan dalam bentuk geometri non-Euclidean empat dimensi, dengan mempertimbangkan ruang dan waktu sebagai satu kesatuan - ruang-waktu.
Teori relativitas tidak hanya berbasis matematis, tetapi juga didukung oleh berbagai eksperimen langsung. Kemudian percobaan Michelson-Morley diulangi dengan akurasi yang lebih tinggi.
Pada tahun 1925, Dayton Miller mengumumkan bahwa dia telah menemukan perubahan dalam kecepatan cahaya. Ia bahkan menerima penghargaan atas penemuan ini. Pada 1950-an, pertimbangan tambahan atas karyanya menunjukkan bahwa hasilnya tampaknya terkait dengan perubahan suhu siang hari dan musiman dalam pengaturan eksperimentalnya.
Instrumen fisik modern dapat dengan mudah mendeteksi pergerakan eter jika ada. Bumi bergerak mengelilingi Matahari dengan kecepatan sekitar 30 km / detik. Jika kecepatan ditambahkan, sesuai dengan mekanika Newtonian, maka 5 digit terakhir dalam nilai kecepatan cahaya, yang didalilkan dalam sistem SI, akan menjadi tidak berarti. Saat ini, fisikawan di CERN (Jenewa) dan Fermilab (Chicago) setiap hari mempercepat partikel hingga sehelai rambut mendekati kecepatan cahaya. Setiap ketergantungan kecepatan cahaya pada kerangka acuan telah diketahui sejak lama, kecuali jika sangat kecil.
Bagaimana jika, alih-alih teori tentang perubahan ruang dan waktu, kita mengikuti teori Lorentz-Fitzgerald, yang menyatakan bahwa aether ada, tetapi tidak dapat dideteksi karena perubahan fisik dalam panjang objek material dan laju jam?
Agar teori mereka konsisten dengan pengamatan, eter harus tidak dapat dideteksi dengan jam dan penggaris. Semuanya, termasuk pengamat, akan berkontraksi dan melambat sesuai jumlah yang dibutuhkan. Teori semacam itu dapat membuat prediksi yang sama untuk semua eksperimen seperti teori relativitas. Maka eter akan menjadi entitas metafisik, kecuali mereka menemukan cara lain untuk mendeteksinya - belum ada yang menemukan cara seperti itu. Dari sudut pandang Einstein, entitas seperti itu akan menjadi komplikasi yang tidak perlu; akan lebih baik untuk menghilangkannya dari teori.
Teori relativitas umum
Einstein mengembangkan teori relativitas yang lebih umum, yang menjelaskan gravitasi dalam istilah kelengkungan ruang waktu, dan dia berbicara tentang perubahan kecepatan cahaya dalam teori baru ini. Pada 1920, dalam buku Relativitas. Teori khusus dan umum”tulisnya:
… dalam teori relativitas umum, hukum keteguhan kecepatan cahaya dalam ruang hampa, yang merupakan salah satu dari dua asumsi mendasar dalam teori relativitas khusus, […] tidak dapat valid tanpa syarat. Kelengkungan sinar cahaya hanya dapat direalisasikan jika kecepatan rambat cahaya bergantung pada posisinya.
Karena Einstein berbicara tentang vektor kecepatan (kecepatan dan arah), dan bukan hanya tentang kecepatan, tidak jelas apakah yang dia maksud adalah besaran kecepatan berubah, tetapi referensi ke relativitas khusus mengatakan bahwa ya, dia melakukannya. Pemahaman ini sepenuhnya benar, dan memiliki arti fisik, tetapi sesuai dengan interpretasi modern, kecepatan cahaya adalah konstan dalam teori relativitas umum.
Kesulitannya di sini adalah bahwa kecepatan bergantung pada koordinat, dan interpretasi yang berbeda dimungkinkan. Untuk menentukan kecepatan (jarak tempuh / waktu berlalu) kita harus terlebih dahulu memilih beberapa standar jarak dan waktu. Standar yang berbeda dapat memberikan hasil yang berbeda pula. Ini berlaku untuk teori relativitas khusus: jika Anda mengukur kecepatan cahaya dalam kerangka acuan percepatan, maka dalam kasus umum ini berbeda dari c.
Dalam relativitas khusus, kecepatan cahaya adalah sebuah konstanta dalam kerangka acuan inersia mana pun. Dalam relativitas umum, generalisasi yang tepat adalah bahwa kecepatan cahaya konstan dalam kerangka acuan yang jatuh bebas di wilayah yang cukup kecil untuk mengabaikan gaya pasang surut. Dalam kutipan di atas, Einstein tidak sedang berbicara tentang kerangka acuan yang jatuh bebas. Dia berbicara tentang kerangka acuan diam relatif terhadap sumber gravitasi. Dalam kerangka acuan seperti itu, kecepatan cahaya mungkin berbeda dari c karena pengaruh gravitasi (kelengkungan ruang-waktu) pada jam dan penggaris.
Jika teori relativitas umum benar, maka keteguhan kecepatan cahaya dalam kerangka acuan inersia merupakan konsekuensi tautologis dari geometri ruang-waktu. Perjalanan dengan kecepatan c dalam kerangka acuan inersia adalah perjalanan sepanjang garis dunia lurus pada permukaan kerucut cahaya.
Penggunaan konstanta c dalam sistem SI sebagai koefisien untuk hubungan antara meter dan sekon sepenuhnya dapat dibenarkan, baik secara teoritis maupun praktis, karena c bukan hanya kecepatan cahaya - ini adalah properti fundamental dari geometri ruang-waktu.
Seperti relativitas khusus, prediksi relativitas umum telah dikonfirmasi oleh banyak pengamatan.
Hasilnya, kami sampai pada kesimpulan bahwa kecepatan cahaya adalah konstan, tidak hanya sesuai dengan pengamatan. Dalam terang teori fisika yang teruji dengan baik, tidak masuk akal untuk membicarakan ketidakkekalannya.
