Почему невозможно измерить скорость света в одном направлении?
В 1898 году великий французский философ, физик и математик Анри Пуанкаре писал :
'Принципиально невозможно измерить скорость распространения света в одном каком-нибудь направлении. Измерению подлежит лишь усредненная скорость прохождения светом некоторой протяженности в двух противоположных направлениях. Поэтому предположение о равенстве двух противоположных по направлению скоростей света является только условным соглашением. Это есть постулат' .
Утверждение Пуанкаре о невозможности измерения света в одном направлении ставит в тупик учащихся и сегодня. Поэтому имеет смысл подробнее рассмотреть вопрос, приведённый в заголовке.
Скорость, как всем известно, есть пройденный телом путь, отнесённый к затраченному времени. Из определения так же следует, что:
- скорость тела не зависит от формы пройденного пути. Путь может быть, либо отрезком, либо замкнутой линией;
- 'телом' может быть и волна, например, световая.
Для нахождения скорости требуется измерение интервала времени, затраченного на преодолении пути. Основная проблема измерения временного интервала заключается в сложности фиксации моментов времени начала и конца движения объекта, находящегося в разных точках пространства: проблема синхронизации разноместных часов.
Существуют два подхода к решению задачи синхронизации.
1.Синхронизация стартовым световым сигналом. Этому способу присуща методическая (неустранимая) погрешность измерения, определяемая величиной задержки распространения синхросигнала. Для измерения скорости света такой способ не пригоден, поскольку при одинаковой скорости распространения световой волны и синхросигнала, нужный интервал времени не измеряется.
2.Синхронизация переносом идентичных часов на финиш.
Но переносимые часы за счёт движения рассинхронизируются (отстают) в соответствии со СТО и погрешность измерения интервала накапливается со временем.
Обнаружен природный барьер, созданный фактом существования предельной скорости движения.
3. Преодолеть барьер можно отказавшись от процедур синхронизации п.1 и п.2. 'Засекать' начало и конец движения световой волны следует единственными часами. Для этого путь света следует 'замкнуть', отразив свет в обратном направлении. Таким способом измерить удаётся только среднюю скорость света С на пути 'туда - сюда'. Детально о синхронизации показано здесь .
Полученными выше выводами можно было бы закончить обсуждение темы, однако, отвечу недоверчивому скептику, который будет настаивать на эксперименте с переносом часов по измерению односторонней скорости света V. Оценим какие же результаты вообще сможет скептик ожидать (для обеих моделей пространства: и) - изотропное; ни) - не изотропное) :
1.V = С в обоих направлениях. и) - тривиальный результат - мы не узнали ничего нового. Отмечу, что в эксперименте заложена погрешность отсчёта времени, возникающая за счёт дрейфа (медленных флуктуаций) хода перенесённых синхронизированных часов;
ни) - имеется накапливаемая методическая погрешность измерения интервала, за счёт движения часов в изотропном пространстве (в дополнении к погрешности от дрейфа показаний часов за время переноса).
2. V = С +(-)d в обоих направлениях. и) - это значит, что V не равно С. Получено значение скорости света оказывается не равным скорости его по замкнутому пути. Значит, измерение выполнено не верно; ни) - результат измерений ошибочен.
3. V = С + d в прямом направлении, а в обратном направлении V = С - d. и) - 'обнаружена' не изотропность пространства, в пространстве, объявленном изотропным. Очередной абсурд;
ни) - 'найдена' не изотропия пространства. С чем и можно поздравить 'экспериментатора'.
Как ни крути, а выход для скептика тот же: при измерении скорости света путь его следует выбирать замкнутым. Измерение скорости света приобретает неоспоримые преимущества:
- методическая погрешность измерения от перемещения часов отсутствует;
- не изотропность пространства не обнаруживается;
- дрейф показаний часов минимален в силу скоротечности измерения (дрейф на порядки ниже по сравнению с переносимыми часами).
В 1984 году 'скептиками' с помощью разнесённых часов была предпринята попытка найти не изотропность пространства. Изучалось распространение электромагнитной волны в длинном кабеле . Результаты работы весьма неоднозначные: не изотропность не найдена (случай 1.и)), а исследование не получило своего продолжения.
Что означает одно - правоту Пуанкаре.
Вывод. Ни теоретически, ни, экспериментально, измерить скорость света без предварительного условия, договора, постулата невозможно. Технически никакого запрета не существует. Измерять можно, но строго доказать достоверность измерений - не получится. Не даёт природа нам возможности узнать степень изотропность пространства. Сохранение момента импульса, несомненно, показывает близость доступной нам части пространства к изотропности, но не доказывает этого. А что там дальше? Следует признать, что обсуждаемый "секрет природы" не сильно мешает учёным природу изучать. Однако и забывать о существовании "секретной кладовки пространства" - не следует.