Всегда ли скорость света в вакууме одинакова?

Насколько мы можем судить, локальная скорость света в вакууме действительно постоянна.

Фотоны не замедляются и не ускоряются, когда они падают в гравитационный колодец или поднимаются из него. Однако точно так же, как кинетическая энергия массивного объекта изменяется, когда объект падает в гравитационный колодец или поднимается из него, фотоны также приобретают или теряют энергию. В случае фотонов это изменение энергии проявляется как изменение частоты (или длины волны), а не изменение скорости.

Нет , в идеальном вакууме фотоны не замедляются. Хотя гравитация массивных объектов, таких как звезды или планеты, может искривлять траекторию фотона (общая теория относительности) подобно линзе.

Если вы имеете в виду тот факт, что Черная дыра черная, потому что ни один фотон не может избежать ее огромной гравитационной силы, и вы думали, что это потому, что гравитация черной дыры замедляет фотоны, это неправда.

Аналогия :

Чем сильнее гравитационная сила тела, тем быстрее пространство вокруг этого тела впадает в само тело. Для черной дыры чем ближе к ней подбирается фотон, тем быстрее сжимается пространство вокруг черной дыры. В конце концов, есть точка, где скорость падения равна скорости света. Эта точка называется горизонтом событий . Вот почему ни один фотон не может улететь, а черная дыра, в общем-то, черная.

Ответ на ваш вопрос зависит от тонких определений.

Локально скорость света всегда одинакова; точнее, универсальная, лоренц-инвариантная скорость$c$(которая также является максимальной скоростью причинно-следственной связи и экспериментально наблюдаемой равной скорости света) постоянна. Это означает, что любое измерение скорости света в любой лаборатории с достаточно малыми временными и пространственными размерами[1] всегда будет давать одно и то же значение.$c$;

В глобальном масштабе скорость света может варьироваться. Наблюдатель, находящийся в другой точке гравитационного поля , действительно может наблюдать издалека , что период световых часов изменяется: посмотрите, например, на изменение$g_{0\,0}$член в метриках Шварцшильда или Риндлера .

Тем не менее, неспособность света покинуть черную дыру не очень хорошо понимается с точки зрения ньютоновских представлений, хотя, если вы рассчитаете радиус Шварцшильда с помощью ньютоновской физики, вы действительно получите правильный ответ! Энергия света уменьшается, как описано в ньютоновской физике, но это проявляется как красное смещение, а не локальное «замедление», как обсуждалось в ответе Дэвида Хаммена . В ньютоновской механике концепция, аналогичная черной дыре, называется Темной звездой , и в этой парадигме вы можете избежать Темной звезды, взобравшись по веревке, свисающей с пролетающего мимо космического корабля. Вы не можете сделать то же самое из черной дыры Шварцшильда, не вернувшись назад во времени.

[1] Здесь мы имеем в виду предельный смысл в стиле Вейерштрасса: по мере того, как мы делаем нашу лабораторию все меньше и меньше, так что пространственно-временное многообразие становится все более и более похожим на небольшой кусок плоского пространства-времени Минковского, предельным результатом этого мысленного эксперимента всегда является$c$.

Если вы со своими стержнями и часами находитесь в свободном падении (т.е. ваша метрика - диаг. Минковского(-1,1,1,1)) в вакууме и луч света проходит рядом с вами, вы всегда будете измерять стандартную скорость c = 2,99792458 E+8 м/сек.

Однако наблюдается, что скорость света отличается, если наблюдатель, его жезлы и часы находятся в другой гравитационной среде, чем свет. Одним из экспериментальных измерений этого является задержка Шапиро ( http://en.wikipedia.org/wiki/Shapiro_delay ).). Время прохождения радиолокационного импульса от Земли до Венеры и обратно больше, когда солнце находится рядом с траекторией, по сравнению с тем, когда солнце не находится вблизи траектории (и, следовательно, наблюдаемая скорость света ниже). Увеличение времени связано не только с увеличением длины слегка искривленного пути. На самом деле искривление света можно рассчитать, исходя из того, что часть фронта волны вдали от солнца движется немного быстрее, чем часть фронта вблизи солнца… точно так же, как это делается для искривления света на границе раздела материалов с различные показатели преломления в оптике. Если бы мы находились в свободном падении рядом с траекторией фотона радара (а не в положении Земли в гравитационном потенциале Солнца), мы бы измерили стандартную скорость c = 2.

В результате специальной теории относительности мы привыкли слышать, что «скорость света постоянна во всех системах отсчета». На самом деле это утверждение звучит так: «Скорость света постоянна во всех системах отсчета, связанных преобразованием Лоренца». Преобразования Лоренца включают пространственные повороты и повышения, которые оставляют неизменной диагональную метрику (-1,1,1,1). Однако эта метрика не остается неизменной из-за преобразования, которое переходит к другому гравитационному потенциалу. Если метрика становится метрикой Шварцшильда,

$$ds^2=-(1-2GM/r)(cdt)^2+(1-2GM/r)^{-1}dr^2+r^2(d\Theta ^2 + sin^2(\Theta) d\Phi^2)$$ свободно падающий наблюдатель, бесконечно далекий от центральной массы M, наблюдает со скоростью света (определяемой как ds=0) в направлении $dx=rd\Theta$быть $$dx/dt = c * (1-2GM/r)^{1/2}$$

Всегда ли скорость света в вакууме одинакова?

Нет. Скорость света зависит от гравитационного потенциала. Вы можете увидеть, как Эйнштейн говорит об этом в электронных документах Эйнштейна :

Также см. 4- й тест общей теории относительности Шапиро вместе с «Отклонение и задержка света » Неда Райта и эту статью «Часто задаваемые вопросы о физике » Дона Кокса:

«Эйнштейн говорил об изменении скорости света в своей новой теории. В английском переводе своей книги 1920 года «Относительность: специальная и общая теория» он писал: «Согласно общей теории относительности, закон постоянства скорость [Эйнштейн явно имеет в виду здесь скорость, поскольку скорость (вектор) не соответствует остальной части его предложения] света в вакууме, что составляет одно из двух фундаментальных предположений специальной теории относительности [...] не может претендовать на неограниченную действительность. Искривление лучей света может иметь место только тогда, когда скорость [скорость] распространения света изменяется в зависимости от положения».

Однако существует проблема с текущим обучением, в котором скорость света обычно принимается как локально измеренная скорость света. Это всегда одно и то же из-за тавтологии, в которой мы используем локальное движение света для определения нашей секунды и нашего метра, которые мы затем используем для измерения локальной скорости света. См . http://arxiv.org/abs/0705.4507 . Другая проблема заключается в том, что Эйнштейн отказался от переменной скорости света в 1911 году, согласно этой статье в Википедии . Он этого не сделал. Он все еще говорил, что скорость света зависит от положения в 1920 году.

Обратите внимание, что скорость восходящего фотона увеличивается. Это несколько противоречит здравому смыслу, но полностью согласуется с Эйнштейном и такими свидетельствами, как оптические часы NIST, которые идут медленнее, когда они ниже. Электронная почта Don Koks для подтверждения. Также обратите внимание, что восходящий фотон не теряет никакой энергии. Вы можете вычислить это, потому что знаете, что если послать фотон с энергией 511 кэВ в черную дыру, масса черной дыры увеличится на 511 кэВ/c², а не больше. Применяется закон сохранения энергии.