Относительно чего измерена скорость света?

Строго говоря, скорость света никто до сих пор не измерял. Мы предполагаем, что скорость света равна ~300 тыс. км/с. Однако, экспериментального подтверждения этого предположения пока ещё нет.

Откуда же тогда значение скорости света в вакууме 299792458 м/с? Это величина средней скорости в двух направлениях. Предположим, из Москвы в Питер автомобиль едет со скоростью 120 км/ч, а обратно со скоростью 200 км/ч -- таким образом средняя скорость автомобиля в обе стороны будет 150 км/ч. Но насколько справедливо утверждать, что скорость автомобиля по пути из Питера в Москву равна 150 км/ч?

До сих пор не реализован ни один эксперимент по точному измерению скорости света в одном направлении. Таким образом, нет эмпирических оснований предполагать, что скорость света во всех направлениях одинакова.

Впервые на это обратил внимание Альберт Эйнштейн в своей работе 1905 года.

НЕВОЗМОЖНО без дальнейших предположений сравнивать время событий, если не ввести определение, что "время", необходимое для прохождения света из A в B, равно "времени", требуемому для прохождения света из B в A

Именно он ввёл допущение, что скорость света во все стороны одинакова -- с тех пор в научном мире продолжают придерживаться данного предположения.

Эйнштейн определяет среднюю скорость света через путь от точки А до B и обратно.

В чём же проблема измерения скорости света? Чтобы измерить скорость некоторого тела, движущегося с постоянной скоростью -- необходимо знать расстояние S между точками A и B (занятно, что по определению, метр -- это расстояние, которое проходит свет в вакууме за секунду, делённое на 299792458 => определение метра завязано на величине двусторонней скорости света) и время t, за которое тело преодолело расстояния от A до B. Тогда скорость ϑ = S/t.

Окей, включи́м лазер в точке A, посылая пучок фотонов в точку B, и одновременно запустим часы, чтобы зафиксировать время вылета лазерного пучка. Но как узнать КОГДА свет достигнет точки B? Нужны вторые часы возле точки B, чтобы зафиксировать время финиширования света.

Мысленно вообразим, что у нас есть часы в виде двух параллельных зеркал (идеальных зеркал, которые не поглощают свет), между которыми переотражается фотон и, скажем, за миллиард переотражений "туда-обратно" пройдёт секунда. Ну или за триллион колебаний -- это не важно, мы сами вообразили себе такие часы и определили какую единицу времени они нам дают.

Изготовим ТОЧНО ТАКИЕ ЖЕ часы из двух параллельных зеркал с фотоном между. И это будут идеально идентичные часы. И будут нам измерять время одинаково.

Окей, эта пара часов расположена в точке А и часы идеально синхронизированы. Отнесём одни часы в точку B. Но что происходит с ними?

В равномерно движущемся вагоне законы физики будут работать так же, как в покоящейся системе отсчёта на станции, мимо которой проезжает этот вагон. В принципе, не важно какие часы двигать относительно покоящихся (можно двигать любую пару зеркал) -- но теперь фотон в движущихся часах проходит чуть бо́льшее расстояние (по диагонали), чем фотон в покоящихся часах (просто вверх-вниз). А мы точно знаем, что за миллиард колебаний проходит одна секунда. Это возможно лишь только, если в движущихся часах время идёт медленнее, чем в покоящихся. Тогда за миллиард колебаний фотона в движущихся часах так же пройдёт ровно одна секунда, но медленнее. Такое "замедление" течения времени движущихся часов предсказывается математически Специальной теорией относительности и это проверено экспериментально. На основе уравнений теории относительности работают GPS-спутники, и работают с непоколебимой точностью :)

Но как только мы отправились с нашими вторыми часами к точке B -- они потеряли синхронизацию с часами возле точки A. И точно измерить скорость света теперь не получится.

Потому вместо часов возле точки B исследователи условно размещают зеркало, которое отражает луч обратно в точку A, где используется единственный таймер. Тогда мы можем измерить время, пройденное светом в двух направлениях. Именно в двух направлениях проводилось точное измерение скорости света, но в одном -- пока ещё нет.

Возможно ли проверить, что свет летит в одну сторону не быстрее, чем в другую? Что если некоторое направление в пространстве-времени более выделенное? Симметрия радует глаз и разум человека, но Вселенная не обязана быть симметричной.

Больше ста лет учёные искали способ обойти эту проблему и измерить скорость света в одном направлении. Например, в работе Greaves et al (2009) авторы заявили, что им удалось это сделать, но в статье Finkelstein (2010) это опровергается.

Даже если ровно между точками A и B синхронизовать часы и разнести их к старту A и финишу B -- если скорость света не одинакова в двух направлениях, это никак не ощутится в эксперименте. Ведь в таком случае одни часы будут опережать другие ровно настолько, что при измерении скорости света -- всё равно получится, что она равна 'c'.

Тупиковость ситуации в том, что для измерения скорости света встаёт строгая необходимость точной синхронизации часов. Но, чтобы их синхронизовать -- нужно точно знать скорость света в одном направлении.

В принципе, и так трудно говорить об одновременности событий, когда их разделяет расстояние, но всё сильно усложнится, если ещё и скорость света в разных направлениях будет не одинаковой.

Синхронизуем часы в марсоходом Perseverance. Отправим сигнал на Марс с Земли в 03:00 -> "на Земле сейчас 03:00". Предполагается, что сигнал достигнет Марса за 10 минут, и в 03:10 с Марса уйдёт сигнал "на Марсе тогда сейчас 03:10", причём сигнал этот придёт на Землю в 03:20.

Если же предположить, что сигнал с Земли до Марса передаётся мгновенно, а с Марса до Земли со скоростью c/2 -> тогда марсоход получит сигнал "на Земле сейчас 03:00" РОВНО в 03:00, и в то же мгновение отправит обратно сигнал "на Марсе тогда сейчас 03:10", и этот сигнал со скоростью c/2 достигнет Земли через 20 минут, и никто не сможет заметить вкравшегося расхождения. При этом понятие "прямо сейчас" на двух планетах будут совершенно разными. Понятно, что рассмотрен совсем крайний случай. Но что, если разница скоростей света в разных направлениях составляет всего несколько процентов? Мы точно так же не сможем обнаружить это расхождение при синхронизации часов.

Можно всячески изобретать ухищрения, синхронизуя часы возле точек A и B по спутникам GPS -- но пока загадочную природу перехитрить не удалось. Ведь и спутники работают в предположении, что скорость света одинакова во всех направлениях.

Эйнштейн ввёл допущение, что скорость света во всех направлениях одинакова, однако экспериментальных подтверждений этому пока ещё нет. При этом законы физики не сломаются, если это не так. Пока средняя скорость света "туда-обратно" равна ~300 тыс. км/с -- физические законы непоколебимо продолжат работать :)