Скорость света в одну сторону - One-way speed of light

При использовании термина 'скорость света «Иногда необходимо проводить различие между его односторонней скоростью и двусторонней скоростью. В "односторонняя" скорость света, от источника до детектора, не может быть измеренный независимо от соглашения о том, как синхронизировать часы на источнике и детектор. Однако экспериментально можно измерить скорость туда и обратно (или же "двусторонняя" скорость света) от источника к детектору и обратно. Альберт Эйнштейн выбрали соглашение о синхронизации (см. Синхронизация Эйнштейна ), что сделало одностороннюю скорость равной двусторонней. Постоянство скорости в одном направлении в любой данной инерциальной системе отсчета является основой его специальная теория относительности, хотя все предсказания этой теории, поддающиеся экспериментальной проверке, не зависят от этого соглашения.^[1][2]

Были предложены эксперименты, в которых пытались напрямую исследовать одностороннюю скорость света независимо от синхронизации, но ни одному из них это не удалось.^[3]Эти эксперименты прямо устанавливают, что синхронизация с медленным переносом часов эквивалентна синхронизации Эйнштейна, которая является важной особенностью специальной теории относительности. Хотя эти эксперименты напрямую не устанавливают изотропию односторонней скорости света, поскольку было показано, что медленный перенос часов, законы движения, и путь инерциальные системы отсчета определены, уже предполагают изотропные односторонние скорости и, следовательно, также являются обычными.^[4] В целом было показано, что эти эксперименты согласуются с анизотропной односторонней скоростью света до тех пор, пока двусторонняя скорость света изотропна.^[1][5]

«Скорость света» в этой статье относится к скорости всех электромагнитное излучение в вакуум.

Двусторонняя скорость

Световой путь туда и обратно в Интерферометр Майкельсона.

Двусторонняя скорость света - это средняя скорость света от одной точки, например источника, до зеркала и обратно. Поскольку свет начинается и заканчивается в одном и том же месте, для измерения общего времени необходимы только одни часы, поэтому эту скорость можно экспериментально определить независимо от любой схемы синхронизации часов. Любое измерение, при котором свет следует по замкнутому пути, считается измерением скорости в двух направлениях.

Много тесты специальной теории относительности такой как Эксперимент Майкельсона-Морли и Кеннеди-Торндайк эксперимент показали в жестких пределах, что в инерциальной системе отсчета двусторонняя скорость света изотропна и не зависит от рассматриваемого замкнутого пути. В экспериментах по изотропии типа Майкельсона-Морли внешние часы не используются для прямого измерения скорости света, а скорее сравниваются две внутренние частоты или часы. Поэтому такие эксперименты иногда называют «экспериментами по анизотропии часов», поскольку каждое плечо интерферометра Майкельсона можно рассматривать как световые часы с определенной скоростью, зависимости относительной ориентации которой могут быть проверены.^[6]

С 1983 г. метр был определенный как расстояние, пройденное светом в вакууме в¹⁄_299,792,458 второй.^[7] Это означает, что скорость света больше нельзя экспериментально измерить в единицах СИ, но длину метра можно экспериментально сравнить с каким-либо другим эталоном длины.

Скорость в одну сторону

Однонаправленный световой путь в Аберрация света.

Хотя среднюю скорость по пути с двусторонним движением можно измерить, скорость в одном или другом направлении не определена (и не просто неизвестна), если только нельзя определить, что является «одинаковым временем» в двух разных местах. Чтобы измерить время, затраченное светом на перемещение из одного места в другое, необходимо знать время начала и окончания, измеренные в одной шкале времени. Для этого требуются либо два синхронизированных тактовых генератора, один в начале и один на финише, либо какие-то средства мгновенной отправки сигнала от начала до конца. Мгновенные средства передачи информации неизвестны. Таким образом, измеренное значение средней скорости в одном направлении зависит от метода, используемого для синхронизации часов начала и окончания. Это вопрос условности. Преобразование Лоренца определяется так, что скорость света в одном направлении будет измеряться независимо от выбранной инерциальной системы отсчета.^[8]

Некоторые авторы, такие как Мансури и Сексл (1977)^[9][10] а также Будет (1992)^[11] утверждал, что эта проблема не влияет на измерения изотропия скорости света в одном направлении, например, из-за изменений в зависимости от направления относительно «предпочтительной» (эфирной) системы координат Σ. Они основывали свой анализ на конкретной интерпретации Теория тестирования RMS в связи с эксперименты, в которых свет следует однонаправленным путем и чтобы медленный часовой транспорт эксперименты. Уилл согласился с тем, что невозможно измерить одностороннюю скорость между двумя часами, используя метод времени пролета без схемы синхронизации, хотя он утверждал: «... проверка изотропии скорости между одними и теми же двумя часами, когда ориентация пути распространения изменяется относительно Σ, не должна зависеть от того, как они были синхронизированы ...». Он добавил, что теории эфира можно согласовать с теорией относительности, только введя специальные гипотезы.^[11] В более поздних статьях (2005, 2006) Уилл называл эти эксперименты измерением "изотропия скорости света с использованием одностороннего распространения".^[6][12]

Однако другие, такие как Чжан (1995, 1997)^[1][13] и Андерсон и другие. (1998)^[2] показал, что эта интерпретация неверна. Например, Андерсон и другие. указал, что условность одновременности уже должна рассматриваться в предпочтительной системе отсчета, поэтому все предположения относительно изотропии односторонней скорости света и других скоростей в этой системе отсчета также являются условными. Таким образом, RMS остается полезной теорией тестов для анализа тестов на лоренц-инвариантность и двустороннюю скорость света, хотя и не на одностороннюю скорость света. Они пришли к выводу: "... нельзя даже надеяться проверить изотропию скорости света, не получив в ходе того же эксперимента одностороннего числового значения, по крайней мере в принципе, что тогда противоречило бы условности синхронности."^[2] С помощью обобщения преобразований Лоренца с анизотропными односторонними скоростями, Чжан и Андерсон указали, что все события и экспериментальные результаты, совместимые с преобразованием Лоренца и изотропной односторонней скоростью света, также должны быть совместимы с преобразованиями, сохраняющими двустороннее постоянство скорости света и изотропию, при этом допускающие анизотропные односторонние скорости.

Соглашения о синхронизации

Способ синхронизации дальних часов может влиять на все связанные со временем измерения на расстоянии, такие как измерения скорости или ускорения. В экспериментах по изотропии соглашения об одновременности часто не указываются явно, но неявно присутствуют в способе определения координат или в используемых законах физики.^[2]

Конвенция Эйнштейна

Этот метод синхронизирует дальние часы таким образом, что односторонняя скорость света становится равной двусторонней скорости света. Если сигнал отправлен из A в момент ${ displaystyle t_ {1}}$ прибывает в точку B во время ${ displaystyle t_ {2}}$ и возвращаясь к А вовремя ${ displaystyle t_ {3}}$, то применяется следующее соглашение:

${ displaystyle t_ {2} = t_ {1} + { tfrac {1} {2}} left (t_ {3} -t_ {1} right)}$.

Детали этого метода и условия, обеспечивающие его постоянство, обсуждаются в Синхронизация Эйнштейна.

Медленные часы-транспорт

Легко продемонстрировать, что если два тактовых генератора соединяются и синхронизируются, то одни часы быстро перемещаются в сторону и снова возвращаются назад, эти два часа больше не будут синхронизированы. Этот эффект обусловлен замедление времени. Это было измерено в различных тестах и ​​связано с парадокс близнецов.^[14][15]

Однако, если одни часы медленно перемещаются в кадре S и возвращаются, эти два часа будут почти синхронизированы, когда они снова будут вместе. Часы могут оставаться синхронизированными с произвольной точностью, перемещая их достаточно медленно. Если предполагается, что при медленном перемещении часы все время остаются синхронизированными, даже если они разделены, этот метод можно использовать для синхронизации двух пространственно разделенных часов. В пределе, когда скорость транспорта стремится к нулю, этот метод экспериментально и теоретически эквивалентен соглашению Эйнштейна.^[4] Хотя эффект замедления времени на эти часы больше нельзя игнорировать при анализе в другой относительно движущейся системе S '. Это объясняет, почему часы остаются синхронизированными в S, тогда как они больше не синхронизированы с точки зрения S ', устанавливая относительность одновременности в соответствии с синхронизацией Эйнштейна.^[16] Следовательно, проверка эквивалентности этих схем синхронизации часов важна для специальной теории относительности, а некоторые эксперименты, в которых свет следует однонаправленным путем доказали эту эквивалентность высокой точности.

Нестандартные синхронизации

Как показано Ганс Райхенбах и Адольф Грюнбаум, Синхронизация Эйнштейна - это только частный случай более широкой схемы синхронизации, которая оставляет неизменной двустороннюю скорость света, но допускает разные односторонние скорости. Формула для синхронизации Эйнштейна модифицируется заменой ½ на ε:^[4]

${ displaystyle t_ {2} = t_ {1} + varepsilon left (t_ {3} -t_ {1} right).}$

ε может принимать значения от 0 до 1. Было показано, что эту схему можно использовать для экспериментально эквивалентных переформулировок преобразования Лоренца, см. Обобщения преобразований Лоренца с анизотропными односторонними скоростями.

В соответствии с экспериментально доказанной эквивалентностью между синхронизацией Эйнштейна и синхронизацией медленного транспорта часов, что требует знания замедление времени Что касается движущихся часов, то те же нестандартные синхронизации должны также влиять на замедление времени. Действительно, было указано, что замедление времени движущихся часов зависит от соглашения об односторонних скоростях, используемых в его формуле.^[17] То есть замедление времени может быть измерено путем синхронизации двух неподвижных часов A и B, а затем показания движущихся часов C сравниваются с ними. Изменение соглашения о синхронизации для A и B делает значение замедления времени (например, односторонней скорости света) зависимым от направления. Та же условность применима и к влиянию замедления времени на Эффект Допплера.^[18] Только когда замедление времени измеряется на замкнутых путях, оно не является обычным и может быть однозначно измерено, как двусторонняя скорость света. Замедление времени на замкнутых путях измерялось в Эксперимент Хафеле – Китинга и в экспериментах по замедлению времени движущихся частиц, таких как Бейли и другие. (1977).^[19]Таким образом, так называемый парадокс близнецов происходит во всех преобразованиях с сохранением постоянства двусторонней скорости света.

Инерциальные системы и динамика

Против условности односторонней скорости света высказывалось мнение, что это понятие тесно связано с динамика, то законы движения и инерциальные системы отсчета.^[4] Салмон описал некоторые варианты этого аргумента, используя импульс закон сохранения, из которого следует, что два равных тела в одном и том же месте, которые одинаково ускоряются в противоположных направлениях, должны двигаться с одной и той же односторонней скоростью.^[20] Точно так же Оганян утверждал, что инерциальные системы отсчета определены таким образом, что законы движения Ньютона выполняются в первом приближении. Следовательно, поскольку законы движения предсказывают изотропные односторонние скорости движущихся тел с равным ускорением, а также из-за экспериментов, демонстрирующих эквивалентность между синхронизацией Эйнштейна и синхронизацией медленного движения часов, кажется, что необходимо и непосредственно измерить, что одно- Путь скорости света изотропен в инерциальных системах отсчета. В противном случае и концепция инерциальных систем отсчета, и законы движения должны быть заменены гораздо более сложными с использованием анизотропных координат.^[21][22]

Однако другие показали, что это принципиально не противоречит условности односторонней скорости света.^[4] Сэлмон утверждал, что сохранение импульса в его стандартной форме с самого начала предполагает изотропную одностороннюю скорость движущихся тел. Таким образом, он включает практически то же соглашение, что и в случае изотропной односторонней скорости света, поэтому использование этого в качестве аргумента против условности скорости света было бы круговым.^[20] И в ответ Оганяну и Макдональд, и Мартинес утверждали, что даже несмотря на то, что законы физики усложняются с нестандартной синхронностью, они по-прежнему являются последовательным способом описания явлений. Они также утверждали, что нет необходимости определять инерциальные системы отсчета в терминах законов движения Ньютона, потому что возможны и другие методы.^[23][24] Кроме того, Айер и Прабху различали «изотропные инерциальные системы отсчета» со стандартной синхронностью и «анизотропные инерциальные системы отсчета» с нестандартной синхронностью.^[25]

Эксперименты по измерению односторонней скорости света

Эксперименты, в которых утверждалось использование одностороннего светового сигнала

Эксперимент Гривза, Родригеса и Руиса-Камачо

В октябрьском номере журнала American Journal of Physics Greaves за 2009 год Родригес и Руис-Камачо предложили новый метод измерения односторонней скорости света.^[26] В июньском номере журнала American Journal of Physics за 2013 год Хэнкинс, Рэксон и Ким повторили высказывание Гривза и др. эксперимент, намеревающийся получить с большей точностью одностороннюю скорость света.^[27] В этом эксперименте предполагалось, что обратный путь сигнала к измерительному устройству имеет постоянную задержку, не зависящую от конечной точки пути полета света, что позволяет измерять время полета в одном направлении.

Дж. Финкельштейн показал, что Гривз и др. Эксперимент фактически измеряет скорость света туда и обратно (в обе стороны).^[28]

Эксперименты, в которых свет следует однонаправленным путем

Список затмений спутника Юпитера Ио, которые легли в основу открытия Оле Рёмером конечной скорости света.

Многие эксперименты, предназначенные для измерения скорости света в одном направлении или ее изменения в зависимости от направления, были (и иногда до сих пор проводятся), в которых свет следует однонаправленным путем.^[29] Были сделаны утверждения, что в этих экспериментах измерялась односторонняя скорость света независимо от каких-либо соглашений о синхронизации часов, но все они, как было показано, фактически измеряли двустороннюю скорость, потому что они согласуются с обобщенными преобразованиями Лоренца, включая синхронизацию с различными односторонние скорости на основе изотропной двусторонней скорости света (см. разделы односторонняя скорость и обобщенные преобразования Лоренца ).^[1]

Эти эксперименты также подтверждают согласие между синхронизацией часов посредством медленного переноса и синхронизацией Эйнштейна.^[2] Хотя некоторые авторы утверждали, что этого достаточно, чтобы продемонстрировать изотропию односторонней скорости света,^[10][11] было показано, что такие эксперименты не могут каким-либо значимым образом измерить (ан) изотропию односторонней скорости света, если инерциальные системы отсчета и координаты не определены с самого начала, так что пространственные и временные координаты, а также медленный перенос часов описываются изотропно^[2] (см. разделы инерциальные системы и динамика и односторонняя скорость ). Независимо от этих различных интерпретаций, наблюдаемое согласие между этими схемами синхронизации является важным предсказанием специальной теории относительности, поскольку для этого требуется, чтобы перемещаемые часы подвергались воздействию замедление времени (который сам по себе зависит от синхронизации) при просмотре из другого кадра (см. разделы Медленные часы-транспорт и Нестандартные синхронизации ).

Лаборатория реактивного движения

Этот эксперимент, проведенный в 1990 г. НАСА Лаборатория реактивного движения, измерил время пролета световых сигналов по оптоволоконной линии между двумя водородными мазерными часами.^[30] В 1992 г. результаты экспериментов были проанализированы Клиффорд Уилл который пришел к выводу, что эксперимент действительно измерил одностороннюю скорость света.^[11]

В 1997 году эксперимент был повторно проанализирован Чжаном, который показал, что на самом деле измерялась только двусторонняя скорость.^[31]

Измерение Рёмера

Первое экспериментальное определение скорости света было сделано Оле Кристенсен Рёмер. Может показаться, что этот эксперимент измеряет время прохождения светом части орбиты Земли и, таким образом, определяет его одностороннюю скорость, однако этот эксперимент был тщательно повторно проанализирован Чжаном, который показал, что измерение не измеряет скорость независимо. схемы синхронизации часов, но фактически использовал систему Юпитера как медленно перемещаемые часы для измерения времени прохождения света.^[32]

Австралийский физик Карлов также показал, что Ремер фактически измерил скорость света, неявно сделав предположение о равенстве скоростей света вперед и назад.^[33][34]

Другие эксперименты, сравнивающие синхронизацию Эйнштейна с медленной синхронизацией часового транспорта

Эксперименты	Год		${ displaystyle Delta c / c}$
Эксперименты с ротором Мессбауэра	1960-е	Гамма-излучение направлялось из задней части вращающегося диска в его центр. Ожидалось, что анизотропия скорости света приведет к доплеровским сдвигам.	${ displaystyle <3 times 10 ^ {- 8}}$
Vessot и другие.[35]	1980	Сравнение времени пролета сигналов восходящей и нисходящей линий связи Гравитационный зонд A.	${ displaystyle sim 10 ^ {- 8} !}$
Риис и другие.[36]	1988	Сравнение частоты двухфотонного поглощения в пучке быстрых частиц, направление которого было изменено относительно неподвижных звезд, с частотой покоящегося поглотителя.	${ displaystyle <3 times 10 ^ {- 9}}$
Нельсон и другие.[37]	1992	Сравнение частот водородных мазерных часов и импульсов лазерного света. Длина пути составила 26 км.	${ Displaystyle <1,5 раз 10 ^ {- 6}}$
Волк и Пети[38]	1997	Сравнение часов водородных мазерных часов на земле и цезиевых и рубидиевых часов на борту 25 GPS спутники.	${ displaystyle <5 times 10 ^ {- 9}}$

Эксперименты, которые можно провести с односторонней скоростью света

Художественная иллюстрация яркого гамма-всплеск. Измерения света от таких объектов использовались, чтобы показать, что односторонняя скорость света не зависит от частоты.

Хотя нельзя проводить эксперименты, в которых односторонняя скорость света измеряется независимо от какой-либо схемы синхронизации часов, можно проводить эксперименты, которые измеряют изменение односторонней скорости света, например, из-за движения источника. Такие эксперименты являются Эксперимент с двойной звездой де Ситтера (1913), окончательно повторенный в рентгеновском спектре К. Брехером в 1977 г .;^[39]или земной эксперимент Альвэгера, и другие. (1963);^[40] они показывают, что при измерении в инерциальной системе координат односторонняя скорость света не зависит от движения источника в пределах экспериментальной точности. В таких экспериментах часы можно синхронизировать любым удобным способом, поскольку измеряется только изменение скорости.

Наблюдения за приходом излучения от далеких астрономических событий показали, что односторонняя скорость света не меняется с частотой, то есть нет вакуума. разброс света.^[41] Точно так же различия в одностороннем распространении между левыми и правыми фотонами, приводящие к вакууму двулучепреломление, были исключены одновременным приходом света далеких звезд.^[42] Для текущих ограничений на оба эффекта, часто анализируемых с помощью Расширение стандартной модели, видеть Вакуумное диспергирование и Вакуумное двойное лучепреломление.

Эксперименты с двусторонним и односторонним движением с использованием расширения стандартной модели

Хотя приведенные выше эксперименты были проанализированы с использованием обобщенные преобразования Лоренца как в Теория теста Робертсона – Мансури – Сексля, многие современные тесты основаны на Расширение стандартной модели (МСБ). Эта тестовая теория включает в себя все возможные нарушения Лоренца не только специальной теории относительности, но и теории относительности. Стандартная модель и Общая теория относительности также. Что касается изотропии скорости света, как двусторонние, так и односторонние ограничения описываются с помощью коэффициентов (матрицы 3x3):^[43]

• ${ Displaystyle { тильда { каппа}} _ {е-}}$ представляющие анизотропные сдвиги двусторонней скорости света,^[44][45]
• ${ Displaystyle { тильда { каппа}} _ {о +}}$ представляющие анизотропные различия в односторонней скорости встречных лучей вдоль оси,^[44][45]
• ${ displaystyle { tilde { kappa}} _ {tr}}$ представляющие изотропные (независимые от ориентации) сдвиги односторонним фазовая скорость света.^[46]

С 2002 года проводилась (и до сих пор проводится) серия экспериментов, в которых проверяются все эти коэффициенты с использованием, например, симметричных и асимметричных оптические резонаторы. По состоянию на 2013 год нарушений Лоренца не наблюдалось, что дает текущие верхние пределы для нарушений Лоренца: ${ displaystyle { tilde { kappa}} _ {e -} = scriptstyle (-0,31 pm 0,73) times 10 ^ {- 17}}$, ${ displaystyle { tilde { kappa}} _ {o +} = scriptstyle 0,7 pm 1 times 10 ^ {- 14}}$, и ${ displaystyle { tilde { kappa}} _ {tr} = scriptstyle -0,4 pm 0,9 times 10 ^ {- 10}}$. Подробности и источники см. Современные поиски нарушения Лоренца # Скорость света.

Однако частично условность этих величин была продемонстрирована Костелецкий и другие, указывая на то, что такие вариации скорости света могут быть устранены подходящими преобразованиями координат и переопределениями полей. Хотя это не устраняет нарушение Лоренца. как таковой, поскольку такое переопределение только переносит нарушение Лоренца из фотонного сектора в материальный сектор SME, таким образом, эти эксперименты остаются действительными тестами нарушения лоренц-инвариантности.^[43] Есть односторонние коэффициенты SME, которые нельзя переопределить для других секторов, так как разные световые лучи из одного и того же расстояния напрямую сравниваются друг с другом, см. Предыдущий раздел.

Теории, в которых односторонняя скорость света не равна двусторонней скорости

Теории, эквивалентные специальной теории относительности

Теория эфира Лоренца

Хендрик Антун Лоренц

В 1904 и 1905 гг. Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре предложил теорию, объясняющую этот результат как результат влияния движения в эфире на длину физических объектов и скорость хода часов. Из-за движения через эфир объекты будут сжиматься в направлении движения, и часы замедлятся. Таким образом, в этой теории медленно перемещаемые часы, как правило, не остаются синхронизированными, хотя этот эффект нельзя наблюдать. Уравнения, описывающие эту теорию, известны как Преобразования Лоренца. В 1905 году эти преобразования стали основными уравнениями специальной теории относительности Эйнштейна, которая предлагала те же результаты без ссылки на эфир.

Теоретически односторонняя скорость света в принципе равна только двусторонней скорости в эфирной системе координат, но не в других системах из-за движения наблюдателя в эфире. Однако разница между односторонней и двусторонней скоростями света никогда не будет наблюдаться из-за воздействия эфира на часы и длины. Следовательно, в этой модели также используется соглашение Пуанкаре-Эйнштейна, что делает одностороннюю скорость света изотропной во всех системах отсчета.

Хотя эта теория экспериментально неразличимый из специальной теории относительности теория Лоренца больше не используется по причинам философского предпочтения и из-за развития общая теория относительности.

Обобщения преобразований Лоренца с анизотропными односторонними скоростями

Схема синхронизации, предложенная Райхенбахом и Грюнбаумом, которую они назвали ε-синхронизацией, была далее развита такими авторами, как Эдвардс (1963),^[47] Винни (1970),^[17] Андерсон и Стедман (1977), которые переформулировали преобразование Лоренца, не изменив его физических предсказаний.^[1][2] Например, Эдвардс заменил постулат Эйнштейна о том, что скорость света в одном направлении постоянна при измерении в инерциальной системе отсчета, постулатом:

Двусторонняя скорость света в вакууме, измеренная в двух (инерциальных) системах координат, движущихся с постоянной относительной скоростью, одинакова независимо от каких-либо предположений относительно односторонней скорости..^[47]

Таким образом, средняя скорость движения туда и обратно остается экспериментально проверяемой двусторонней скоростью, в то время как односторонняя скорость света может принимать форму в противоположных направлениях:

${ displaystyle c _ { pm} = { frac {c} {1 pm kappa}}.}$

κ может иметь значения от 0 до 1. В крайнем случае, когда κ приближается к 1, свет может мгновенно распространяться в одном направлении, при условии, что для перемещения в противоположном направлении требуется все время обхода. Вслед за Эдвардсом и Винни Андерсон и другие. сформулировал обобщенные преобразования Лоренца для произвольных бустов вида:^[2]

${ displaystyle { begin {выровнено} d { tilde {t}} '= & { tilde { gamma}} left [1+ kappa cdot { tilde { mathbf {v}}} / c - kappa ' cdot { tilde { mathbf {v}}}' / c right] d { tilde {t}} - left ( kappa '+ { tilde { gamma}} { tilde { mathbf {v}}} ' right) cdot d { tilde { mathbf {x}}} / c & - left [{ tilde { gamma}} left (1+ kappa cdot { tilde { mathbf {v}}} / c right) -1 right] { frac { kappa ' cdot { tilde { mathbf {v}}}} {{ tilde { mathbf {v}}} ^ {2} c}} { tilde { mathbf {v}}} cdot d { tilde { mathbf {x}}} + { tilde { gamma}} kappa cdot { tilde { mathbf {v}}} left ( kappa cdot d { tilde { mathbf {x}}} right) / c, d { tilde { mathbf {x}} } '= & - { tilde { gamma}} { tilde { mathbf {v}}} d { tilde {t}} + d { tilde { mathbf {x}}} + left [{ tilde { gamma}} left (1+ kappa cdot { tilde { mathbf {v}}} / c right) -1 right] { frac {{ tilde { mathbf {v}) }} cdot d mathbf {x}} {{ tilde { mathbf {v}}} ^ {2}}} { tilde { mathbf {v}}} - { tilde { gamma}} { tilde { mathbf {v}}} left ( kappa cdot d { tilde { mathbf {x}}} right) / c, { tild e { gamma}} = & gamma left (1- kappa cdot mathbf {v} / c right), { tilde { mathbf {v}}} = & { frac { mathbf {v}} {1- kappa cdot mathbf {v} / c}}, end {выровнено}}}$

(где κ и κ '- векторы синхронности в системах отсчета S и S' соответственно). Это преобразование указывает на то, что односторонняя скорость света обычна во всех системах отсчета, а двусторонняя скорость остается неизменной. κ = 0 означает синхронизацию Эйнштейна, которая приводит к стандартному преобразованию Лоренца.Как показали Эдвардс, Винни и Мансури-Сексл, подходящей перестановкой параметров синхронности может быть достигнута даже некоторая «абсолютная одновременность», чтобы смоделировать основное предположение теории эфира Лоренца. То есть в одном кадре односторонняя скорость света выбирается изотропной, в то время как все другие кадры принимают значения этого «предпочтительного» кадра посредством «внешней синхронизации».^[9]

Все предсказания, полученные в результате такого преобразования, экспериментально неотличимы от предсказаний стандартного преобразования Лоренца; разница только в том, что определенное время на часах отличается от времени Эйнштейна в зависимости от расстояния в определенном направлении.^[48]

Теории, не эквивалентные специальной теории относительности

Теории испытаний

Был разработан ряд теорий, позволяющих оценить степень, в которой экспериментальные результаты отличаются от предсказаний теории относительности. Они известны как теории испытаний и включают теории Робертсона и Мансури-Секса.^[9] (RMS) теории. На сегодняшний день все экспериментальные результаты согласуются со специальной теорией относительности в пределах экспериментальной неопределенности.

Другая теория тестирования - это Расширение стандартной модели (МСБ). Он использует широкий спектр коэффициентов, указывающих на нарушение симметрии Лоренца в специальной теории относительности, общая теория относительности, а Стандартная модель. Некоторые из этих параметров указывают на анизотропию двусторонней и односторонней скорости света. Однако было указано, что такие изменения скорости света можно устранить подходящим переопределением используемых координат и полей. Хотя это не устраняет нарушения Лоренца. как таковой, это только смещает их появление из фотонного сектора в материальный сектор SME (см. выше Эксперименты с двусторонним и односторонним движением с использованием расширения стандартной модели.^[43]

Теории эфира

До 1887 года считалось, что свет распространяется как волна с постоянной скоростью относительно предполагаемой среды эфира. Для наблюдателя, движущегося относительно эфира, это привело бы к немного разным двусторонним скоростям света в разных направлениях. В 1887 г. Эксперимент Майкельсона-Морли показали, что двусторонняя скорость света постоянна независимо от направления или движения в эфире. В то время очевидным объяснением этого эффекта было то, что объекты, движущиеся в эфире, испытывают комбинированные эффекты замедления времени и сокращения длины в направлении движения.

Предпочтительный опорный кадр

Предпочтительная система отсчета - это система отсчета, в которой законы физики принимают особую форму. Возможность проводить измерения, показывающие, что скорость света в одном направлении отличается от его скорости в двух направлениях, в принципе, позволила бы определить предпочтительную систему отсчета. Это будет система отсчета, в которой скорость света в обоих направлениях равна скорости в одном направлении.

В специальной теории относительности Эйнштейна все инерциальные системы отсчета эквивалентны, и предпочтительной системы отсчета нет. Есть теории, такие как Теория эфира Лоренца которые экспериментально и математически эквивалентны специальной теории относительности, но имеют предпочтительную систему отсчета. Чтобы эти теории были совместимы с экспериментальными результатами, предпочтительная рамка должна быть необнаруживаемой. Другими словами, это предпочтительная система отсчета только в принципе, на практике все инерциальные системы отсчета должны быть эквивалентны, как в специальной теории относительности.

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Дженис, Аллен (2010). «Условность одновременности». В Залта, Эдуард Н. (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии.
• Математические страницы: Принято считать, Поездки туда и обратно и скорость в одну сторону, Преподавание специальной теории относительности
• Рицци, Гвидо; Руджеро, Маттео Лука; Серафини, Алессио (2004). "Датчики синхронизации и принципы специальной теории относительности". Основы физики. 34 (12): 1835–1887. arXiv:gr-qc / 0409105. Bibcode:2004ФоФ ... 34.1835Р. Дои:10.1007 / s10701-004-1624-3. S2CID  9772999.
• Сонего, Себастьяно; Пин, Массимо (2009). «Основы анизотропной релятивистской механики». Журнал математической физики. 50 (4): 042902-1–042902-28. arXiv:0812.1294. Bibcode:2009JMP .... 50d2902S. Дои:10.1063/1.3104065. S2CID  8701336.