Как показать, что скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчета?

Основную трактовку эксперимента Майкельсона-Морли см. в 1 . Впрочем, знать технические детали эксперимента не так уж и важно, чтобы отвечать на ваши вопросы. Единственная важная вещь - это результат, позвольте мне изложить его в общих чертах, поскольку вы, похоже, боретесь с «физическим сленгом»:

В то время как общая скорость мяча, выброшенного из грузовика, представляет собой сумму скорости мяча относительно грузовика и скорости грузовика относительно наблюдателя, скорость светового луча, испускаемого грузовиком, таковой не является. Гораздо больше кажется, что скорость светового луча совершенно не зависит от скорости грузовика.

У Майкельсона и Морли не было грузовика, у них была Земля, вращающаяся вокруг Солнца.

Пожалуйста, уясните себе, что этот экспериментальный факт можно объяснить, заявив , что скорость света постоянна. Если я скажу вам, что скорость света постоянна в любой системе отсчета, то приведенный выше результат вас совсем не удивит.

Но вы хотите большего. Вы хотите, чтобы я доказал вам, что скорость света везде постоянна. Я не могу. Никогда не будет эксперимента, показывающего универсальность этой аксиомы . Как вообще построить такой эксперимент, как, например, проверить теорию в галактике Андромеды? Это невозможно, но это не имеет значения: почему бы просто не придерживаться аксиомы, если мы можем объяснить ею все, что видим вокруг себя?

Как вы уже сказали, существует интересная связь между инвариантностью скорости света и уравнениями Максвелла. Действительно, можно доказать, что скорость света должна быть постоянной, иначе теория Максвелла не может быть верна для всех инерциальных систем отсчета. Но и это не убедительное доказательство, поскольку принятие уравнений Максвелла ничем не отличается от признания инвариантности скорости света. Кроме того, в основе теории Эйнштейна лежит не неизменность скорости света, а неизменность скорости действия. Чего нельзя сделать из теории Максвелла, хотя это разумное предположение.

Физические теории недоказуемы. Но пока они соответствуют действительности, мы принимаем их как истины.

Приложение: Я рекомендую эту короткую лекцию для непрофессионалов Р. Фейнмана на эту тему. Мы с Фейнманом придерживаемся очень похожей линии рассуждений.

Трудно полностью понять, о чем вы спрашиваете, но вот некоторые вещи, которые могут помочь:

1. Эксперименты Майкельсона-Морли (ММ) не показывают, что скорость света постоянна, они просто исключают определенные виды эфира (такие, которые могут свободно обтекать частицы). Предполагается, что эфир — это то, в чем «колеблются» световые волны.

2. Вы правы, говоря, что это круговое рассуждение.

3. Уравнения Максвелла не доказывают, что скорость света постоянна. Но они предлагают это, если вы также предполагаете, что невозможно определить, в каком кадре вы находитесь.

4. Эйнштейн пришел к своим выводам, основанным на интуиции, что электромагнетизм должен подчиняться принципу относительности. Он сделал еще один шаг вперед и решил возвести идею в принцип и посмотреть, к чему это приведет.

5. Нет никаких доказательств того, что скорость света постоянна, кроме эксперимента — вы не можете сделать это теоретически. Есть некоторые аргументы, появившиеся после Эйнштейна, основанные на идее причинности и т. д.

6. Помните, что Эйнштейн занимался физикой, имея убеждения в том, как устроен мир, и это исключительно хорошо работало для теории относительности, но не для квантовой нелокальности.

Это что-то считалось эфиром, но в его отсутствие почему оно не могло быть связано с тем, что его излучало?

Кажется, это ключевой момент вашего вопроса.

Так вот, с исторической точки зрения эта альтернатива уже была исключена по теоретическим соображениям, потому что она не совместима с уравнениями Максвелла. Однако, поскольку вы просите экспериментальных доказательств, рассмотрите астрономические наблюдения двойных звездных систем: кажется очевидным, что если бы скорость света, исходящего от звезды на той части ее орбиты, когда она приближается к нам, отличалась бы от скорости света исходящий от той же звезды на той части ее орбиты, когда она удаляется от нас, это вызвало бы наблюдаемые эффекты.

Чтобы помочь в количественной оценке степени, в которой отношение скорости света к скорости источника света повлияет на астрономические наблюдения, я провел поиск в Google по фразе «астрономические наблюдения двойных звездных систем со скоростью света», который нашел эту статью Тед Банн, заведующий кафедрой физики Ричмондского университета. Ответ заключается в том, что эффект будет чрезвычайно очевиден:

[...] вы можете задаться вопросом, будет ли этот эффект значительным для реальных звездных систем. Ответ заключается в том, что он оказывается чрезвычайно значительным. Причина в том, что звезды находятся очень далеко. Это означает, что даже если разница в скорости света вверху и внизу орбиты будет очень незначительной, у более быстрого света будет достаточно времени, чтобы обогнать более медленный свет. Фактически, в реальных звездных системах вы увидите не три или пять изображений звезды, а тысячи изображений.

Излишне говорить, что мы вообще не видим такого рода вещей, и это является чрезвычайно убедительным доказательством того, что скорость света не зависит от того, движется ли источник к вам или от вас.

Я не понимаю, как это продемонстрировало, что движение к источнику света, например, не влияет на скорость наблюдателя относительно света, поскольку в эксперименте не было движущихся частей.

Учитывая, что Земля движется в пространстве — и что экспериментальная установка находилась в покое относительно Земли — отсюда следует, что экспериментальная установка находилась в движении относительно космического вакуума. И если это так, то эксперимент должен был измерять разные скорости света в разных направлениях. Однако вместо этого он измерил изотропную скорость света.

Физики интерпретировали этот «нулевой» результат как доказательство того, что скорость света не зависит от движения наблюдателя. То есть наблюдатели всегда измеряют изотропную скорость света — даже в движении.

Таково происхождение «принципа постоянства скорости света».

Если вас не пугают альтернативные интерпретации, вам может быть интересна следующая ссылка: ссылка .

Как отдельный факт, тот факт, что ничто не может двигаться быстрее скорости света, было бы чрезвычайно трудно доказать (и это не доказано экспериментом Майкельсона-Морли). Но этот факт встроен в преобразование Лоренца., один из ключевых принципов специальной теории относительности. На самом деле преобразование Лоренца настолько фундаментально, что его можно рассматривать как часть «операционной системы», на которой построена большая часть современной физики — если бы это не было фундаментальным законом природы, почти вся физика, какой мы ее знаем. просто не существовало бы. И это огромный объем знаний, достоверность которых не только экспериментально продемонстрирована в бесчисленных экспериментах, но и необходима для функционирования многих технологических устройств, в том числе тех, которые мы видим повсюду в нашей повседневной жизни. Таким образом, тот факт, что все эти технологические устройства работают так, как они должны, дает убедительные (хотя и косвенные) доказательства того, что скорость света является универсальным пределом скорости.

Несколько конкретных примеров, о которых вы можете прочитать в разных местах (например, в этой статье) — это старомодные телевизоры на основе электронно-лучевых трубок и радарные пушки для измерения скорости, используемые полицией, оба изобретения должны учитывать теорию относительности в своей конструкции. Например, в телевизорах с ЭЛТ пучок высокоскоростных электронов отклоняется магнитным полем и попадает в определенную точку на экране телевизора, заставляя эту точку загораться. Эти электроны движутся с довольно значительной долей скорости света (20-30 процентов, согласно статье, на которую я ссылаюсь), поэтому теория относительности предсказывает, что вы должны «толкать» их с большей силой, чтобы отклонить их вправо. больше, чем в ньютоновской механике. Это пример того, как инерционная масса тела растет по мере увеличения его скорости в соответствии с формулой, которая заставляет массу приближаться к бесконечности, когда скорость тела приближается к скорости света. Так,

Проблема более тонкая, и то, как вы ее сформулировали, технически неверно. Вы можете создать «системы отсчета», в которых свет или фотоны движутся с разной скоростью. Это появилось здесь:

(хм, не могу найти ссылку на банкомат)

ссылаясь на случай размышления о точке зрения вращающегося человека - звезды на больших расстояниях будут казаться движущимися "быстрее света" благодаря$v = r\omega$, так же будут и фотоны, т.е. "скорость света" будет выше , собственно, на подходящем расстоянии, сколь угодно высоком. (Например, если вы вращаетесь на$\omega$1 рад/с, и$r$даже$1\ \mathrm{Pm}$, т.е. всего 1/40 расстояния до ближайшей звезды, удаленной от Солнца, уже$v$является$1\ \mathrm{Pm}/s$, намного превышающий$c$, т.е.$3 \times 10^{-7}\ \mathrm{Pm/s}$в этом масштабе)

В специальной теории относительности это не поднимается, но в общей теории относительности это имеет решающее значение, а поскольку общая теория относительности включает специальную теорию относительности как частный случай (отсюда и название), то с технической точки зрения к ней применимы те же соображения.

Относительность на самом деле является теорией пространства и времени, и, как сказано, она «требует языка событий, а не вещей» ( ссылка ). В частности, относительность — это теория о законах, управляющих потоками информации во Вселенной. В чистом виде нас действительно интересует только один тип вопросов, а именно:

"Можете ли вы отправить сообщение с мероприятия$A$к событию$B$?"

«События» — это всего лишь точки в пространстве-времени, к которым мы прикрепляем означающее. Ответ на этот вопрос либо «да», либо «нет», бинарный ответ. Для каждой пары событий в пространстве-времени мы можем задать такой вопрос, и теория относительности предоставляет математическую основу, описывающую, когда ответ «да», а когда ответ «нет». Это также позволяет нам понять, как все выглядит с точки зрения пребывания внутри вселенной, где информация, которую мы получаем, подчиняется этим ограничениям, т. е. что мы можем и что не можем получить из информации, поступающей к нам в маленьких точках пространства-времени, которые мы занимать. Все «странности» теории относительности в основном связаны с этим. Специальная теория относительности описывает форму этих отношений в отсутствие материи., в то время как общая теория относительности описывает, как они изменяются в присутствии материи .

Системы координат или «системы отсчета» — это просто способы обозначения событий . Какие ярлыки вы на них навешиваете, отношения между ними не меняются . Если я обозначу внутреннюю часть своего дома как «придурки», а внешнюю часть — как «знабби», это не изменит основных отношений внутреннего/внешнего, которые существуют между ними, больше, чем если бы я обозначил их как «внутри» и «снаружи», соответственно. (То же самое, если я решу ошибочно назвать внешнее «внутренним», а внутреннее «внешним».)

То, что показывает эксперимент Майкельсона-Морли, не является прямым утверждением о том, что происходит в системе отсчета, или утверждением об «эфире», даже — вполне логически возможно представить пространство-время Минковского, заполненное эфирной средой, как одно можно представить галилеянина таким наполненным. Скорее, это демонстрация того, что поведение коммуникаций — сообщений — подчиняется первому набору правил потока, а не второму.

И эти правила можно по существу описать как говорящие о том, что существует класс систем отсчета (координаты, метки), которые вы можете поместить на события, так что допустимость общения принимает форму ограничения скорости, а преобразование между этими системами оставляет указанное исправлено ограничение скорости. Системы отсчета следуют из пределов, а не пределы следуют из систем отсчета. И еще один результат эксперимента заключается в том, что он показывает нам, что свет, в частности, является реальным средством коммуникации, которое превышает Вселенский предел скорости (конечно, по крайней мере, до пределов погрешности эксперимента).

Когда вы переименовываете их чем-то другим, например, вращающейся системой отсчета, эти отношения, конечно, становится труднее описать математически, но они остаются теми же в том смысле, что в обеих системах вы заметите, что связь между одними и теми же наборами событий существует или не существует. т невозможно. Например, несмотря на то, что во вращающейся системе отсчета свет может двигаться «быстрее света», вы не увидите ни одного корабля, совершившего путешествие от Земли к Проксиме b менее чем за 4,3 года (за исключением, конечно, потенциальных вещей, таких как червоточины, которые требуют GR и даже более того, все еще неизвестную пост-ОТО физику для полного рассмотрения, а также для оценки (не)возможности).

Теперь, что касается того , почему правила общения в нашей Вселенной принимают такую ​​форму, на самом деле нет ответа, по крайней мере, который вы можете найти в физике и насколько нам известно. Единственный способ ответить на вопрос «почему» в физике — это если вы можете вывести его, как вы предлагаете, из более фундаментального принципа, а ваш круговой аргумент показывает, что вы не можете, и, кроме того, в приведенной выше формулировке это выглядит довольно чертовски уже является фундаментальным, поэтому я сомневаюсь, что мы когда-либо найдем такую ​​причину. Вы должны с чего-то начать.

Лучший способ выразить это — просто сказать, что совокупность наших эмпирических наблюдений согласуется с идеей о том, что Вселенная имеет ограничение скорости, и никаких исключений найдено не было. Вот и все; это "как это было сделано".

Есть несколько проблем с утверждением эмпирического «доказательства» того, что скорость света постоянна:

1. Проблема индукции: ММ проверил несколько различных условий, и результат одинакового времени прохождения не согласовывался с несколькими гипотезами, касающимися разных скоростей света. Однако с помощью эксперимента невозможно окончательно исключить все гипотезы. Все, что мы можем сказать, это то, что на данный момент бритва Оккама решительно поддерживает постоянство скорости света.

2. Невозможность измерения скорости света из одной точки в другую: Невозможно измеритьвремя, за которое свет проходит путь от одной точки к другой. Причина этого в том, что для измерения скорости света из точки А в точку В вам нужно знать время, в которое свет покинул точку А, и время, когда он прибыл в точку В, а это значит, что вам нужно синхронизировать свои часы в двух точках. Для этого требуется отправить сигнал из одной точки в другую с отметкой времени, а затем настроить время в пути. Но поправка на время в пути требует знания времени, затраченного на это, что приводит к круговым рассуждениям. Единственный способ по-настоящему измерить скорость света — это измерить время прохождения туда и обратно, которое затем даст вам среднюю скорость (для соответствующего значения слова «средняя»). Если предположить, что свет распространяется с одинаковой скоростью и от нас, и к нам, то скорость в любом направлении равна средней скорости.

3. «Система отсчета» — это широкая категория: в самом широком смысле «система отсчета» просто относится к системе координат. Вы, вероятно, имели в виду " инерциальную систему отсчета". В неинерциальной системе отсчета координатная скорость света непостоянна. Таким образом, в значительной степени «скорость света постоянна» — это утверждение не об эмпирическом мире, а о системах координат. По сути, это «Скорость света$c$в любой «разумной» системе координат».

Если отбросить эти возражения, то ММ был достаточно убедителен.

в эксперименте не было движущихся частей.

Ну, это произошло на Земле, и Земля движется в системе отсчета Солнечной системы.

Я не понимаю, как это продемонстрировало, что движение к источнику света, например, не влияет на скорость наблюдателя относительно света.

ММ сравнил скорость света, когда он двигался перпендикулярно движению Земли и параллельно. Если бы движение детектора относительно света влияло на скорость, то эти два условия давали бы разные результаты. Представьте себе реку, и вы сравните греблю на лодке по реке и обратно с греблей вниз по течению, а затем обратно. Время в пути для этих двух рейсов туда и обратно будет разным, потому что скорость лодки меняется в зависимости от того, движется ли она по течению, против него или перпендикулярно ему. Точно так же, если на скорость света влияет то, движется ли он вместе, против или параллельно движению Земли, тогда MM обнаружил бы разницу во времени движения.

Это что-то считалось эфиром, но в его отсутствие почему оно не могло быть связано с тем, что его излучало?

В рамках уравнений Максвелла распространение света происходит из-за изменения электрического поля, вызывающего изменение магнитного поля, вызывающего изменение электрического поля, и т. д. Как только вы это сделаете, скорость распространения следует из констант в уравнениях Максвелла. Чтобы скорость распространения зависела от скорости излучателя, необходимо, чтобы эти константы каким-то образом изменялись в зависимости от скорости излучателя.

Экспериментально можно показать, что когда свет излучается движущимся источником, его длина волны изменяется, а скорость остается неизменной. Примером может служить галактика Андромеды. Чтобы доказать, что изменения длины волны не влияют на скорость света, вы можете направить несколько лазеров разного цвета на отражатель, который астронавты установили на Луне. Вы должны получить обратный импульс примерно через 2,5 секунды (время немного варьируется в зависимости от того, где именно находится Луна на своей эллиптической орбите). Если все цвета вернутся в одно и то же время, вы докажете, что хотя изменение скорости источника меняет длину волны, изменение длины волны не означает изменения скорости.

Отвечая на вопрос №1, да, есть вещи, которые вы упускаете из эксперимента ММ, что именно он показал и почему. Доступно много превосходных и подробных описаний; вы консультировались с кем-нибудь из них? Что касается вывода Максвелла

Я думаю, что как только вы поймете (№1), вы сможете ответить (№2), но я готов уступить точку зрения одному из экспертов на этом сайте.