Односторонняя скорость света — скорость света по прямой (без отражений) от источника до приёмника, которые используют разные часы. При использовании термина «скорость света» иногда бывает необходимо провести различие между его односторонней скоростью и скоростью в двух направлениях. Односторонняя скорость света от источника до приёмника не может быть измерена независимо от соглашения о том, как синхронизированы часы у источника и приёмника. Однако экспериментально можно измерить скорость «туда и обратно» (или двухстороннюю скорость света), когда источник и приёмник работают в одинаковых условиях с одними и теми же часами. Это может быть путь от источника до другого приёмника, который тут же посылает сигнал обратно, или от источника до зеркала и обратно. Альберт Эйнштейн выбрал такое соглашение о синхронизации (см. Синхронизация Эйнштейна), что сделало одностороннюю скорость равной двусторонней скорости. Постоянство односторонней скорости в любой заданной инерциальной системе лежит в основе его специальной теории относительности, хотя все экспериментально проверяемые предсказания этой теории не зависят от этого соглашения .

Все эксперименты, которые пытались напрямую измерить одностороннюю скорость света, не зависящую от синхронизации, были безуспешны. Эти эксперименты непосредственно устанавливают, что синхронизация медленным переносом часов эквивалентна синхронизации Эйнштейна, что является важной особенностью специальной теории относительности. Хотя эти эксперименты непосредственно не устанавливают изотропность односторонней скорости света, поскольку было показано, что медленный перенос часов, законы движения Ньютона и инерциальные системы отсчёта уже содержат в себе предположение об изотропной односторонней скорости света. В целом было показано, что эти эксперименты согласуются с анизотропной односторонней скоростью света, если двусторонняя скорость света изотропна.

«Скорость света» в этой статье относится к скорости всего электромагнитного излучения в вакууме.

Двусторонняя скорость

Двусторонняя скорость света — это средняя скорость света от одной точки, например источника, до зеркала и обратно. Поскольку свет стартует и финиширует в одном месте, для измерения общего времени требуется только единственные часы, поэтому эта скорость может быть экспериментально определена независимо от любой схемы синхронизации часов. Любое измерение, в котором свет проходит замкнутый путь, считается двухсторонним измерением скорости.

Многие эксперименты специальной теории относительности, такие как эксперимент Майкельсона-Морли и опыт Кеннеди — Торндайка, в жёстких пределах показали, что в инерциальной системе двусторонняя скорость света изотропна и независима от рассматриваемого замкнутого пути. Изотропные эксперименты типа Майкельсона-Морли не используют внешние часы для непосредственного измерения скорости света, а скорее сравнивают две внутренние частоты или двое часов. Поэтому такие эксперименты иногда называют «экспериментами по анизотропии часов», так как каждое плечо интерферометра Майкельсона можно рассматривать как световые часы, имеющие определённую скорость (темп) хода, зависимую от ориентации.

С 1983 года метр был «определён» как расстояние, пройденное светом в вакууме за секунды17th General Conference on Weights and Measures (1983), Resolution 1,. Это означает, что скорость света больше не может быть экспериментально измерена в единицах СИ, но длину метра можно сравнить экспериментально с некоторыми другими стандартами длины.

Односторонняя скорость

Хотя средняя скорость по двухсторонней траектории может быть измерена, односторонняя скорость в одном или другом направлении не определена (а не просто неизвестна), пока не определено, что такое «одно и то же время» в двух разных местах. Чтобы измерить время прохождения света от одного места к другому, необходимо знать время старта и финиша, измеренное в одной и той же шкале времени. Для этого требуются либо двое синхронизированных часов, одни в начале и одни в конце пути, либо наличие способа доставки сигнала мгновенно от старта к финишу. Но мгновенные способы передачи информации отсутствуют. Таким образом измеренное значение средней односторонней скорости зависит от метода, используемого для синхронизации часов в точках старта и финиша, и является вопросом соглашения. Преобразования Лоренца определены таким образом, что односторонняя скорость света будет измеряться независимо от выбранной инерциальной системы отсчётаZhang (1997), p 24.

Некоторые авторы, такие как Mansouri and Sexl (1977), а также Клиффорд Уилл (1992) утверждали, что эта проблема не влияет на измерение изотропии односторонней скорости света, например, из-за зависимых от направления изменений относительно выделенной (эфирной) системы отсчёта Σ. Они основывали свой анализ на конкретной интерпретации RMS теории в отношении экспериментов, в которых свет следует по однонаправленному пути и медленного переноса часов. Уилл соглашался, что невозможно измерить скорость в одностороннем направлении между двумя часами с использованием метода время-полета без схемы синхронизации, хотя он утверждал: "" … результаты проверки изотропии скорости света между двумя часами, из-за изменения ориентации пути распространения относительно Σ, не должны зависеть от того, как они были синхронизированы … ". Он добавлял, что теории эфира могут быть согласованы с относительностью только введением гипотезы ad hoc. В более поздних работах (2005, 2006) Уилл будет ссылаться на эти эксперименты как на измерение «изотропии скорости света с использованием одностороннего распространения».

Тем не менее, другие, такие как Чжан (1995, 1997) и Андерсон 'и др.'. (1998) показали, что эта интерпретация неверна. Например, Андерсон и др. отметили, что соглашение об одновременности уже должно рассматриваться в выделенной системе отсчёта, поэтому все предположения относительно изотропии односторонней скорости света и других скоростей в этой системе также вопрос соглашения. Поэтому RMS остаётся полезной проверочной теорией для анализа лоренц-инвариантности и двухсторонней скорости света, но не односторонней скорости света. Они пришли к выводу: « … нельзя надеяться даже на проверку изотропии скорости света без того, чтобы в ходе того же эксперимента получить, по крайней мере, одностороннее численное значение, которое бы противоречило соглашению о синхронности.» Используя обобщения преобразований Лоренца с анизотропными односторонними скоростями, Чжан и Андерсон указали, что все события и экспериментальные результаты, совместимые с преобразованиями Лоренца и изотропной односторонней скоростью света, также должны быть совместимы с преобразованиями, сохраняющими постоянство и изотропность двухсторонней скорости света, и разрешающими анизотропные односторонние скорости.

Соглашения о синхронизации Способ синхронизации удалённых часов может влиять на все измерения времени, связанные с расстоянием, например, измерения скорости или ускорения. В экспериментах по изотропии соглашения об одновременности часто не указаны явно, но неявно присутствуют в определении координат или в законах физики.

Синхронизация методом Эйнштейна Этот метод синхронизирует удалённые часы таким образом, что односторонняя скорость света становится равной двусторонней. Если сигнал, отправленный из A в момент времени , прибывает в B в момент времени и возвращается к A в момент времени , тогда применяется следующее соглашение:

.

Медленный перенос часов Легко продемонстрировать, что если двое часов находятся рядом и синхронизированы, а затем одни часы быстро удаляют и снова возвращают, то эти двое часов больше не будут синхронизированны из-за замедления времени. Это было проверено во множестве экспериментов и связано с парадоксом близнецовC.O. Alley, in NASA Goddard Space Flight Center, Proc. of the 13th Ann. Precise Time and Time Interval (PTTI) Appl. and Planning Meeting, p. 687—724, 1981, available online ..

Однако, если одни часы медленно переместить в системе отсчёта S и вернуть обратно к первым, то они останутся практически синхронны по возвращении. Часы могут оставаться синхронизированными с произвольной точностью, если их перемещать достаточно медленно. Если принять, что при медленном переносе часы всегда остаются синхронизированными, даже если они разделены, этот метод можно использовать для синхронизации двух пространственно разделённых часов. В пределе, когда скорость переноса стремится к нулю, этот метод экспериментально и теоретически эквивалентен синхронизации по ЭйнштейнуJanis, Allen (2010). «Conventionality of Simultaneity» , «Transport of Clocks» . In Zalta, Edward N. Stanford Encyclopedia of Philosophy.. Хотя влиянием замедления времени на эти часы нельзя пренебрегать при анализе в другой движущейся системе отсчёта S', это объясняет, почему часы остаются синхронизированными в S, тогда как они не синхронизированны в системе отсчёта S', демонстрируя относительность одновременности в соответствии с синхронизацией Эйнштейна . Поэтому, проверка эквивалентности между этими схемами синхронизации часов важна для специальной теории относительности, а некоторые эксперименты, в которых свет следует по однонаправленному пути, доказали эту эквивалентность с высокой точностью.

Нестандартная синхронизация Как продемонстрировали Ханс Райхенбах и Адольф Грюнбаум, синхронизация по Эйнштейну является лишь частным случаем более общего случая синхронизации, который оставляет двустороннюю скорость света инвариантной, но допускает разные односторонние скорости. В общем случае формула синхронизации по Эйнштейну изменяется путём замены ½ на ε:

ε может иметь значения от 0 до 1. Было показано, что эта схема может быть использована для наблюдательно эквивалентных переформулировок преобразования Лоренца, см. Обобщения преобразований Лоренца с анизотропными односторонними скоростями.

В соответствии с экспериментально подтверждённой эквивалентностью между синхронизацией Эйнштейна и медленным переносом часов, которая требует знания замедления времени движущихся часов, нестандартные синхронизации также должны влиять на замедление времени. Действительно, было показано, что замедление времени движущихся часов зависит от соглашения об односторонних скоростях, используемых в его формуле. То есть замедление времени может быть измерено путём синхронизации двух стационарных часов A и B, и сравнения с ними показаний движущихся часов C. Изменение соглашения синхронизации для A и B делает замедление времени (как и односторонней скорости света) зависимым от направления. Эта же договорённость также относится к влиянию замедления времени на эффект Доплера. Только тогда, когда замедление времени измеряется на замкнутых путях, оно не является договорным и может быть однозначно измерено как и двусторонняя скорость света. Замедление времени на замкнутых путях измерялось в эксперименте Хафеле-Китинга и в экспериментах по замедлению времени движущихся частиц, таких как Бэйли и др (Bailey et al).(1977). Таким образом, так называемый парадокс близнецов происходит во всех преобразованиях, сохраняющих постоянство двусторонней скорости света.

Инерциальные системы отсчёта и динамика