Если бы не эксперимент Майкельсона-Морли, есть ли еще какая-то причина считать скорость света универсальным пределом скорости?

Многие люди находят это несколько удивительным, но первоначальная формулировка Эйнштейном специальной теории относительности была в статье «Об электродинамике движущихся тел », в которой очень мало ссылок на результат Майкельсона-Морли; вместо этого он в значительной степени основан на симметрии электромагнитного анализа в разных системах отсчета.

С более современной точки зрения есть веские теоретические доводы в пользу того, что специальная теория относительности является, по крайней мере, сильным претендентом на описание реальности. Они прекрасно подытожены в книге « Ничего, кроме относительности» ( doi ), но аргумент состоит в том, что при некоторых довольно слабых допущениях, которые по существу

• однородность и изотропность пространства,
• однородность времени, плюс
• некоторые слабые предположения о линейности

вы по существу сведены к

• галилеева относительность или
• специальная теория относительности с некоторым (пока не определенным) универсальным ограничением скорости$c$,

без других вариантов.

Чтобы добраться до реальности, нужно дополнить эту теоретическую базу экспериментом — по-другому никак. Эксперимент Майкельсона-Морли — это, конечно, самое простое доказательство, которое можно поместить в эту ячейку, но за истекший век мы провели множество других экспериментов, отвечающих всем требованиям. С чисто механической точки зрения БАК обычно производит$7\:\mathrm{TeV}$протоны, которые будут двигаться со скоростью около$120c$в ньютоновской механике: очень ясно, что$c$является универсальным ограничением скорости, потому что мы пытаемся ускорять вещи все быстрее и быстрее, но (независимо от того, сколько кинетической энергии они содержат) они никогда не превышают$c$.

Если вам нужно что-то более раннее, то именно по этой причине мы разработали изохронный циклотрон в конце 1930-х, а затем переключились на синхротроны еще в 1950-х - циклотроны требуют, чтобы частицы синхронизировались с управляющим напряжением, но если они приближаются к скорости света они больше не могут двигаться достаточно быстро, чтобы не отставать. У нас есть более чем восьмидесятилетняя история того, как мы могли механически подталкивать вещи к релятивистским режимам.

Если вы хотите получить ответ, вписанный в «экспериментальную физику на 1888 год, за вычетом результата Майкельсона-Морли», то, как я сказал, свойства симметрии электромагнетизма (которые прямо совместимы с СТО, полученным из$v\ll c$эксперименты, но требуют эфирных теорий, чтобы иметь смысл в теории относительности Галилея) было достаточно, чтобы убедить Эйнштейна в том, что СТО был правильным выбором.

Редактировать:

Как указано в комментарии, в оригинальной статье Эйнштейна есть ссылка на эксперименты Майкельсона-Морли (типа) во втором абзаце:

Примеры (вроде взаимного электродинамического действия магнита и проводника) вместе с безуспешными попытками обнаружить какое-либо движение Земли относительно «световой среды» наводят на мысль, что явления электродинамики, как и механики, не обладают свойствами, соответствующими к идее абсолютного покоя.

Однако, за исключением этого небольшого кивка, он не делает существенных ссылок на эфир или его эквиваленты: статья начинается с постулатов относительности (основанных на постоянстве скорости света) и использует их для построения специальной теории относительности (что касается преобразований между движущиеся системы отсчета и т. д.), а затем строит свои доводы для этого на свойствах преобразования уравнений электромагнетизма: они обеспечивают более глубокое фундаментальное понимание, лежащее в основе симметрии анализа электромагнитных ситуаций, выполняемых в различных движущихся системах отсчета.

В наши дни у нас есть очень прямые измерения поведения скорости частиц при добавлении кинетической энергии. Ускоритель CEBAF в лаборатории Джефферсона работает только потому, что добавление (намного!) большей энергии электронам после того, как они впервые вышли на гоночную трассу, не изменяет их скорость относительно лаборатории настолько, чтобы ее можно было измерить.

Действительно.

Между выходом из бустера с кинетической энергией 123 МэВ и попаданием в залы с кинетической энергией до 12 ГэВ (увеличение примерно в 100 раз) скорость пучка остается постоянной с высокой точностью.

В расчетах это означает, что мы идем от$\gamma_\text{booster} = 241$к$\gamma_\text{max} = 23500$. Вам понадобится высокоточный калькулятор, чтобы определить разницу в скоростях, подразумеваемую этим, и реальный мир подтверждает такие соображения.

Вы просто не можете толкнуть частицу быстрее, чем$c$.

Эксперимент Физо — это способ измерения скорости света в движущейся среде. С нашей современной точки зрения, это обеспечивает экспериментальную проверку преобразования Лоренца скорости$u$в системе отсчета, движущейся со$v$, в режиме, когда$u$в порядке$c$а также$v \ll c$. Важно отметить, что аппарат достаточно чувствителен, чтобы различать формулу преобразования Лоренца.$u' = \frac{u + v}{1 + \frac{uv}{c^2}}$из формулы Галилея$u' = u + v$. Эксперимент был проведен в 1851 году, то есть за 36 лет до эксперимента Майкельсона-Морли.

Результаты Физо были неожиданными для того времени и противоречили наивным теориям сопротивления эфиру. Однако теоретики отреагировали на более запутанные теории сопротивления эфира, согласно которым разные материалы влекут эфир в разной степени. Эти теории стали еще более сложными, чтобы включить дисперсию, т.е. разные длины волн света, имеющие разные показатели преломления.

Вот выводы, сделанные Физо (выделено мной):

Либо, во-первых, эфир прилипает или фиксируется к молекулам тела и, следовательно, участвует во всех движениях тела; или, во-вторых, эфир свободен и независим и, следовательно, не увлекается телом в его движениях; или, в-третьих, только часть эфира свободна, а остальная часть прикреплена к молекулам тела и одна участвует в его движениях .

...

Таким образом, я заключаю, что [первая] гипотеза не согласуется с экспериментом. Далее мы увидим, что, напротив, третья гипотеза, или гипотеза Френеля, приводит к величине смещения, которая очень мало отличается от результата наблюдения .

...

Успех этого опыта должен, я думаю, привести к принятию гипотезы Френеля или, по крайней мере, к гипотезе открытого им закона, выражающего связь между изменением скорости и движением тела; ибо, хотя тот факт, что этот закон оказывается истинным, представляет собой сильный аргумент в пользу гипотезы, из которой он является простым следствием, тем не менее для многих концепция Френеля, несомненно, по-прежнему будет казаться как необычной, так и в некоторых отношениях невероятной ; и прежде чем его можно будет принять за выражение реального положения вещей, от физика потребуются дополнительные доказательства, а от математика — тщательное исследование предмета.

О влиянии движения тела на скорость, с которой его пересекает свет (1860 г.) Ипполит Физо, Философский журнал, серия 4, том. 19, стр. 245-260

Это становится немного похоже на вопрос со списком, но есть еще один способ сделать это без света.

Как красноречиво описывает Эмилио Писанти , существуют очень веские теоретические основания, основанные на использовании только результатов симметрии, интуитивно понятных всем нам с самого раннего возраста (<10 лет), что существует некое уникальное универсальное ограничение скорости передачи сигналов, которое также является инерционным. каркасно-инвариантный. Нам нужно только измерить этот параметр$c$найти полные законы. Заметьте, я сказал «параметр», а не скорость, потому что нам не обязательно наблюдать что-то, движущееся с инвариантной по инерциальной системе отсчета скоростью, чтобы вывести$c$экспериментально. Это потому, что те же аргументы дают нам полную форму преобразования Лоренца (без фактического значения$c$). В частности, они дают нам коэффициент замедления времени$\gamma(v)$как функция относительной скорости$v$.

Таким образом, мы можем использовать любой эксперимент, который наблюдает$\gamma(v,\,c)$как функция$v$и кривая соответствует экспериментальным результатам$\gamma(v,\,c) = 1/\sqrt{1-(v^2/c^2)}$регулируя$c$параметр для наибольшей подгонки результатов к теоретической кривой. Если наши эксперименты включают значения$v$которые составляют значительную часть$c$, то наша оценка$c$будет хорошим.

Существует целый список экспериментов, которые могли бы работать таким образом.

Мы могли бы, например, измерить время жизни распада мюона.$\tau = \tau_0 \,\gamma(v,\,c)$как функция$v$.

Или мы могли бы сделать вариант с меньшей энергией на примере Дмки и измерить$v$как функция кинетической энергии$E = m_o\,c^2 (\gamma(v,\,c) -1 )$и кривая подходит к этому. Нам нужно было бы измерять примерно до$v=c/2$(когда$\gamma = 1.155$), чтобы получить довольно хорошую оценку$c$со скромно точным оборудованием.

Конечно, результаты экспериментов улучшаются по мере того, как совершенствуются наши технологии и наши эксперименты достигают все более высоких скоростей.

В конце концов они достигают ситуации, описанной Дмки: мы просто не можем толкать частицы быстрее, и мы эффективно$c-\epsilon$скорости, так что мы можем прочитать$c$действительно точно.

Но предположим, что мы постепенно работали над получением все лучших и лучших экспериментальных результатов, используя все более и более высокие скорости, как я описал, и никто никогда не решил, что скорость света не зависит от системы отсчета. Я должен думать, что оценки можно было бы получить на$v=c/4$(когда$\gamma = 1.033$) при большом количестве повторов и хорошей статистической обработке дало бы оценку$c$достаточно точно, чтобы кто-то сказал: «Эй, кажется, я знаю что-то, что на самом деле движется со скоростью$c$"!

Самым сильным текущим экспериментальным доказательством является стандартная модель физики элементарных частиц: прекрасные симметрии SU(3)xSU(2)xU(1) с обилием данных, которые их породили, упали бы с ног на голову, если бы c не было предельной скоростью. , т.е. если бы специальная теория относительности не выполнялась.

Каждое отдельное измерение массы в книге данных о частицах основано на использовании уравнений сохранения энергии и импульса, основанных на алгебре четырех векторов специальной теории относительности и тысячах и тысячах измеренных событий.

Насколько я понимаю, предел просто асимптотический... по мере увеличения скорости увеличивается и масса, поэтому для увеличения скорости требуется постоянно возрастающая энергия, чтобы объяснить новую инерцию... в конечном итоге количество энергии, необходимой для ускорения, будет бесконечным, это было бы пределом скорости для всей материи/энергии в любой точке Вселенной

Если бы не эксперимент Майкельсона-Морли, есть ли еще какая-то причина считать скорость света универсальным пределом скорости?

Эксперимент ММ доказывает только то, что движение Земли не наблюдается при вращении используемого интерферометра. Доказывается время пролета по разным траекториям между точкой излучения света и экраном наблюдения. Таким образом, эксперимент с ММ не доказывает, что скорость света является универсальным пределом скорости.

На вопрос об ограничении скорости можно ответить просто. Предположим, вы владелец ракеты, которая летит со скоростью, скажем, 6000 км/ч. Как вы думаете, до какой скорости можно разогнать муравья так же, как и слона такими ракетами? Пока эмпирические факты говорят о том, что ЭМ-излучение имеет самую высокую наблюдаемую скорость, невозможно найти какой-либо способ ускорить что-либо до скорости, превышающей скорость света.

Есть и другие интересные моменты:

1. ЭМ-излучение испускается пакетами, называемыми сначала квантами, а затем фотонами. Было доказано, что фотоны с разным энергосодержанием (разной длины волны) движутся в вакууме с одинаковой скоростью. Это было неочевидно. Она была доказана с очень высокой точностью, что подчеркивает существование скорости света.
2. Скорость света является локальной величиной и изменяется - для далекого наблюдателя - с гравитационным потенциалом. Чем больше накопление массы, тем медленнее движется свет. В пространстве между галактиками с более низким гравитационным потенциалом свет движется быстрее по отношению к наблюдателю с более высоким гравитационным потенциалом.

В любом случае вопрос о других опытах для доказательства отсутствия эфира очень интересен. У эксперимента ММ есть слабое место. Поскольку гравитационный потенциал влияет на скорость света, а гравитационное воздействует на пространство вокруг массы, необходимо доказать, что вблизи земной поверхности гравитационное поле не перемещает пространство так же, как вращающийся шар в жидкости не должен перемещаться. воздействовать на жидкость. На самом деле это так.

Очевидно:
скорость всего, что может служить для обмена сигналами между участниками, необходимо меньше или, самое большее, равна скорости, с которой распространяется фронт сигнала ( скорость фронта сигнала ) между ними;
при условии, конечно, что мера «скорости» определена и вообще применима (что, в свою очередь, предполагает или, по крайней мере, связано с подходящей мерой «расстояния» и с подходящей характеристикой соответствующих участников как системы с геометрическим отношения друг к другу, «рама»).

Идентификация сигнала скорости фронта$c_0$с «скоростью, с которой электромагнитная волна (форма) распространяется в вакууме», - это прежде всего определение «вакуума» (с точки зрения показателя преломления$n$) и, следовательно, связанных с тем, как определить показатель преломления и соответственно измерить его значения (где возникает вопрос: сделали ли это вообще Майкельсон/Морли?);
и поэтому имеет практическое и историческое значение.

Изменить (связанное с комментариями): следует отметить, что причины, описанные выше, не вытекают из каких-либо экспериментальных данных (и, следовательно, противоречат такой презумпции, выраженной в вопросе ОП), но они могут и должны учитываться уже в определении физических величин (таких, как «скорость», особенно) и, следовательно, уже при разработке любых возможных экспериментов по измерению «скорости».

Были проверены релятивистские эффекты (например, циферблат времени), и эксперименты согласуются с теорией. В конечном итоге это означает, что объекты, приближающиеся к c, увеличивают массу до такой степени, что вам потребуется постоянно возрастающее количество дополнительной энергии для их дальнейшего ускорения.

В 1887 году (до того, как Фитцджеральд и Лоренц выдвинули специальную гипотезу сокращения длины) эксперимент Майкельсона-Морли ОДНОЗНАЧНО подтвердил переменную скорость света, предсказанную ньютоновской эмиссионной теорией света, и опроверг постоянную (независимую от скорости источника света) скорость. света, предсказанного теорией эфира и принятого Эйнштейном в 1905 году в качестве его второго (постоянной скорости света) постулата:

https://en.wikipedia.org/wiki/Emission_theory «Теория излучения, также называемая теорией эмиттера или баллистической теорией света, была теорией, конкурирующей со специальной теорией относительности, объясняя результаты эксперимента Майкельсона-Морли 1887 года. [...] Имя, чаще всего связанное с теорией излучения, - Исаак Ньютон.В своей корпускулярной теории Ньютон визуализировал световые «корпускулы», выбрасываемые из горячих тел с номинальной скоростью c по отношению к излучающему объекту и подчиняющиеся обычному законам ньютоновской механики, и тогда мы ожидаем, что свет будет двигаться к нам со скоростью, которая компенсируется скоростью удаленного излучателя (c ± v)».

http://philsci-archive.pitt.edu/1743/2/Norton.pdf «Эксперимент Майкельсона-Морли полностью совместим с теорией излучения света, которая ПРОТИВОРЕЧИТ ПОСТУЛАТУ СВЕТА».

они будут соответствовать ньютоновской теории относительности и, таким образом, автоматически объяснят нулевой результат эксперимента Майкельсона-Морли, не прибегая к сокращению длин, местному времени или преобразованиям Лоренца. Тем не менее, как мы видели, Эйнштейн сопротивлялся искушению объяснить нулевой результат в терминах частиц света и простых, знакомых ньютоновских идей и ввел в качестве своего второго постулата то, что было более или менее очевидным, если рассматривать его в терминах волн. в эфире. Однако, если это было так очевидно, зачем ему нужно было заявлять об этом как о принципе? Потому, что, взяв из идеи световых волн в эфире тот аспект, который ему был нужен, он заявил в начале своей статьи, цитируя его собственные слова, что «введение «светоносного эфира» окажется излишним». или преобразования Лоренца. Тем не менее, как мы видели, Эйнштейн сопротивлялся искушению объяснить нулевой результат в терминах частиц света и простых, знакомых ньютоновских идей и ввел в качестве своего второго постулата то, что было более или менее очевидным, если рассматривать его в терминах волн. в эфире. Однако, если это было так очевидно, зачем ему нужно было заявлять об этом как о принципе? Потому, что, взяв из идеи световых волн в эфире тот аспект, который ему был нужен, он заявил в начале своей статьи, цитируя его собственные слова, что «введение «светоносного эфира» окажется излишним». или преобразования Лоренца. Тем не менее, как мы видели, Эйнштейн сопротивлялся искушению объяснить нулевой результат в терминах частиц света и простых, знакомых ньютоновских идей и ввел в качестве своего второго постулата то, что было более или менее очевидным, если рассматривать его в терминах волн. в эфире. Однако, если это было так очевидно, зачем ему нужно было заявлять об этом как о принципе? Потому, что, взяв из идеи световых волн в эфире тот аспект, который ему был нужен, он заявил в начале своей статьи, цитируя его собственные слова, что «введение «светоносного эфира» окажется излишним». и ввел в качестве своего второго постулата то, что было более или менее очевидным, если рассматривать его в терминах волн в эфире. Однако, если это было так очевидно, зачем ему нужно было заявлять об этом как о принципе? Потому, что, взяв из идеи световых волн в эфире тот аспект, который ему был нужен, он заявил в начале своей статьи, цитируя его собственные слова, что «введение «светоносного эфира» окажется излишним». и ввел в качестве своего второго постулата то, что было более или менее очевидным, если рассматривать его в терминах волн в эфире. Однако, если это было так очевидно, зачем ему нужно было заявлять об этом как о принципе? Потому, что, взяв из идеи световых волн в эфире тот аспект, который ему был нужен, он заявил в начале своей статьи, цитируя его собственные слова, что «введение «светоносного эфира» окажется излишним».