Скорость света может не быть абсолютной константой, так как её нельзя измерить только в одном направлении

11 January
5k full reads
4 min.
6,6k story viewsUnique page visitors
5k read the story to the endThat's 75% of the total page views
4 minutes — average reading time
(Иллюстрация: Pixabay)

Специальная теория относительности - одна из наиболее подтвержденных теорий, которые когда-либо изобретало человечество. Она занимает центральное положение во всех концепциях, от космических путешествий и GPS до нашей привычной бытовой электросети. Главным в теории относительности является тот факт, что скорость света в вакууме является абсолютной константой.

Проблема в том, что этот факт никогда не был доказан.

Когда Эйнштейн предложил теорию относительности, он должен был объяснить, почему свет всегда имеет одинаковую скорость. В конце 1800-х считалось, что, поскольку свет распространяется как волна, он должен переноситься каким-то невидимым материалом, известным как светоносный эфир. Аргументация заключалась в том, что для волн требуется среда, например как для звука воздух или вода для морской волны. Но если эфир существует, то наблюдаемая скорость света должна изменяться по мере того, как Земля движется сквозь эфир. Но измерения по наблюдению дрейфа эфира оказались нулевыми. Скорость света оказалась постоянной.

Эйнштейн обнаружил, что проблема заключалась в предположении, что пространство и время абсолютны, а скорость света может изменяться. Если вместо этого вы предположите, что скорость света абсолютная, то на пространство и время должно влиять относительное движение. Это радикальная идея, но ее подтверждают все измерения постоянной скорости света.

Как измерить скорость света в обоих направлениях. S - когерентный источник света; M1 и M2 -зеркала; E - детектор; M - полупрозрачное зеркало. (Иллюстрация: Wikipedia user Krishnavedala)
Как измерить скорость света в обоих направлениях. S - когерентный источник света; M1 и M2 -зеркала; E - детектор; M - полупрозрачное зеркало. (Иллюстрация: Wikipedia user Krishnavedala)
Как измерить скорость света в обоих направлениях. S - когерентный источник света; M1 и M2 -зеркала; E - детектор; M - полупрозрачное зеркало. (Иллюстрация: Wikipedia user Krishnavedala)

Но ряд физиков указали, что хотя теория относительности предполагает, что скорость света в вакууме является универсальной константой, она также показывает, что скорость никогда не может быть измерена. В частности, теория относительности запрещает вам измерять время, необходимое свету, чтобы пройти из точки A в точку B. Чтобы измерить скорость света в одном направлении, вам понадобятся синхронизированные секундомеры на каждом конце, но относительное движение влияет на скорость хода ваших часов относительно скорости света. Вы не можете синхронизировать их, не зная скорости света, которую невозможно узнать без измерения. Что вы можете сделать, так это использовать один секундомер для измерения времени пути туда и обратно от точки A до точки B и обратно до точки A, и это то, что делается при каждом измерении скорости света.

Поскольку все измерения скорости света в оба конца дают постоянный результат, вы можете подумать, что можете просто разделить время на два и назвать это решением. Именно так и сделал Эйнштейн. Он предположил, что время движения света туда и обратно было одинаковым. В основном эксперименты согласуются с этим предположением, но они также согласуются с идеей о том, что скорость света, приближающегося к нам, в десять раз выше, чем скорость света, уходящего от нас. Свет не обязательно должен иметь постоянную скорость во всех направлениях, он просто должен иметь постоянную «среднюю» скорость движения туда и обратно. Относительность сохраняется, если скорость света анизотропна.

Вселенная Милна с анизотропным светом выглядела бы однородной. (Иллюстрация: Wikipedia user BenRG)Wikipedia user BenRG)
Вселенная Милна с анизотропным светом выглядела бы однородной. (Иллюстрация: Wikipedia user BenRG)Wikipedia user BenRG)
Вселенная Милна с анизотропным светом выглядела бы однородной. (Иллюстрация: Wikipedia user BenRG)Wikipedia user BenRG)

Если скорость света зависит от направления его движения, то мы увидим Вселенную по-другому. Когда мы смотрим на далекие галактики, мы смотрим назад во времени, потому что свету нужно время, чтобы добраться до нас. Если бы далекий свет быстро достигал нас в каком-то направлении, мы бы увидели, что Вселенная в этом направлении стареет и расширяется. Чем быстрее свет достигнет нас, тем меньше мы разглядим «назад во времени». Поскольку мы наблюдаем однородный космос во всех направлениях, это, несомненно, показывает, что скорость света постоянна.

Что ж, это не совсем так, как показывает новое исследование. Оказывается, если скорость света меняется с направлением, то же самое происходит с сокращением длины и замедлением времени. Команда исследователей рассмотрела влияние анизотропного света на простую релятивистскую модель, известную как вселенная Милна. По сути, это игрушечная вселенная, похожая по структуре на наблюдаемую, но без материи и энергии. Они обнаружили, что анизотропия света вызывает анизотропные эффекты относительности при замедлении времени и космическом расширении. Эти эффекты нейтрализовали бы наблюдаемые аспекты переменной скорости света. Другими словами, даже если бы Вселенная была анизотропной из-за различной скорости света, она все равно казалась бы однородной.

Таким образом, кажется, что простая космология также не может доказать предположение Эйнштейна о скорости света. Иногда самые фундаментальные идеи в науке труднее всего доказать.