Użycie terminu prędkość światła wymaga niekiedy rozróżnienia pomiędzy jednokierunkową i dwukierunkową prędkością światła. Prędkość jednokierunkowa pomiędzy źródłem a detektorem nie może zostać zmierzona niezależnie od metody synchronizacji zegarów źródła i detektora. Pomiar niezależny od synchronizacji możliwy jest jedynie na drodze w obie strony – od źródła do detektora i z powrotem. W ramach konwencji wybranej przez Einsteina (zobacz: synchronizacja standardowa) przyjmuje się, że prędkość jednokierunkowa wynosi tyle samo co dwukierunkowa. Postulat stałości jednokierunkowej prędkości światła w dowolnym inercjalnym układzie odniesienia jest podstawą szczególnej teorii względności, aczkolwiek wyniki wszelkich eksperymentów weryfikujących przewidywania tej teorii nie zależą od tego postulatu.

Zaproponowano eksperymenty mające na celu bezpośrednie przetestowanie stałości jednokierunkowej prędkości światła, jednak żaden z nich nie zakończył się powodzeniem. Tego rodzaju eksperymenty pokazują w sposób bezpośredni, że synchronizacja metodą slow clock-transport jest równoważna synchronizacji standardowej. Aczkolwiek z tego nie wynika izotropia jednokierunkowej prędkości światła, ponieważ – jak pokazano – sama metoda slow clock-transport bazuje na tym założeniu. W ogólności pokazano, że te wyniki są spójne z anizotropią jednokierunkowej prędkości światła pod warunkiem, że izotropia dwukierunkowej prędkości światła pozostaje zachowana.

W poniższym artykule pojęcie prędkość światła odnosi się ogólnie do prędkości rozchodzenia promieniowania elektromagnetycznego w próżni.

Dwukierunkowa prędkość światła thumb|200px|Schemat interferometru Michelsona Dwukierunkowa prędkość światła jest średnią prędkością światła na drodze od źródła do lustra i z powrotem. Ponieważ promień świetlny wraca do tego samego punktu, pomiar całego czasu wymaga jednego zegara ustawionego w miejscu startu. Z tego powodu dwukierunkowa prędkość światła może zostać obliczona niezależnie od metody synchronizacji zegarów. Każdy pomiar, w którym światło porusza się po drodze zamkniętej, jest uważany za pomiar dwukierunkowej prędkości światła.

Wiele testów szczególnej teorii względności, takich jak doświadczenie Michelsona-Morleya lub doświadczenie Kennedy’ego-Thorndike’a, wykazało w granicach pewnej dokładności, że w inercjalnych układach odniesienia dwukierunkowa prędkość światła jest izotropowa i niezależna od drogi zamkniętej, po której porusza się światło. Eksperymenty typu Michelsona-Morlaya nie wykorzystują zewnętrznego zegara do bezpośredniego pomiaru prędkości światła, ale porównują czasy, w których względnie prostopadłe odcinki są pokonywane przez rozszczepiony promień świetlny. Tego rodzaju eksperymenty są niekiedy nazywane testami anizotropii zegara, ponieważ ramiona interferometru mogą być interpretowane jako zegary świetlne o określonej częstotliwości.

Ponieważ w 1983 roku metr został zdefiniowany jako odległość pokonywana przez światło w próżni w czasie sekundy, prędkość światła nie może być obecnie mierzona w jednostkach układu SI. Aczkolwiek w tej sytuacji długość metra może być eksperymentalnie porównywana z innymi jednostkami długości.

Jednokierunkowa prędkość światła mały|Jednokierunkowa droga jaką pokonuje światło w zjawisku aberracji światła

Chociaż średnia prędkość światła na drodze w dwóch kierunkach może zostać zmierzona, prędkość w jednym kierunku pozostaje niezdefiniowana bez określenia fizycznego sensu „jednoczesności” dwóch odległych zdarzeń. Przy pomiarze czasu, w jakim światło pokonuje określony odcinek, konieczne jest założenie, że czas startu promienia świetlnego jest mierzony w tej samej skali czasowej, co czas dotarcia promienia do końca odcinka. Wymaga to dwóch zsynchronizowanych zegarów na obydwu końcach odcinka lub możliwości natychmiastowego przesłania sygnału pomiędzy końcami odcinka. Nie są znane żadne metody pozwalające na natychmiastową transmisję informacji, z tego powodu każdy jednokierunkowy pomiar prędkości światła jest uzależniony od metody synchronizacji zegarów. Jest to kwestia konwencji. Transformacja Lorentza została zdefiniowana w taki sposób, że jednokierunkowa prędkość światła staje się niezależna od wyboru inercjalnego układu odniesienia.

Niektórzy autorzy, np. Mansouri i Sexl (1977), jak również Will (1992), argumentowali, że ten problem nie ma wpływu na testy izotropii jednokierunkowej prędkości światła, na przykład ze względu na zmiany kierunku względem preferowanego układu (eteru) Σ. Wspomniani autorzy opierają swoje analizy na pewnej interpretacji RMS w odniesieniu do eksperymentów w których światło pokonuje jednokierunkową drogę oraz eksperymentów wykorzystujących slow clock-transport. Co więcej, Will dodał, że teorie eteru mogą zostać uzgodnione z teorią względności tylko poprzez wprowadzenie hipotezy ad hoc.

Natomiast inni autorzy, tacy jak Zhang (1995, 1997) i Anderson (1998), pokazali, że ta interpretacja jest niepoprawna. Na przykład Anderson zwracał uwagę, że konwencja równoczesności musi zostać rozpatrzona już w preferowanym układzie, więc wszystkie założenia odnośnie do izotropii jednokierunkowej prędkości światła i innych prędkości w tym układzie są również konwencjonalne. W związku z tym RMS pozostaje użyteczną ramą teoretyczną w zakresie analizy testów lorentzowskiej niezmienniczości oraz izotropii dwukierunkowej, ale nie jednokierunkowej prędkości światła. Ponadto, bazując na uogólnieniu transformacji Lorentza dopuszczającym anizotropię jednokierunkowej prędkości światła, Zhang i Anderson wykazali, że wszystkie zjawiska oraz wyniki doświadczalne kompatybilne z transformacją Lorentza i izotropią jednokierunkowej prędkości światła muszą być również kompatybilne z transformacjami zachowującymi stałość i izotropię dwukierunkowej prędkości światła (nawet w przypadkach dopuszczających anizotropię jednokierunkowej prędkości światła).

Synchronizacja zegarów Sposób synchronizacji rozdzielonych przestrzennie zegarów może mieć wpływ na pomiar wszelkich zależnych od czasu wielkości, takich jak pomiary prędkości lub przyśpieszeń. W eksperymentach testujących izotropię konwencja równoczesności dwóch przestrzennie rozdzielonych zdarzeń często nie jest jawnie ustalana, ale wprowadzana (implicite) w transformacji współrzędnych lub w postaci zakładanych praw fizyki.

Synchronizacja standardowa

Ta metoda synchronizacji bazuje na założeniu, że jednokierunkowa prędkość światła równa jest dwukierunkowej prędkości światła. Jeżeli sygnał wysłany z punktu A w czasie dociera do punktu B w czasie i powraca do A w czasie to wówczas stosując niniejszą konwencję:

Slow clock-transport Łatwo pokazać, że jeżeli dwa zegary zostaną zsynchronizowane w tym samym punkcie przestrzeni A, następnie jeden z nich zostanie wprawiony w ruch po drodze zamkniętej na odcinku AB i z powrotem, zegary te nie będą dłużej zsynchronizowane w punkcie A (z uwagi na dylatację czasu). Fakt ten był wielokrotnie sprawdzany doświadczalnie i ma bliski związek z paradoksem bliźniąt.

Natomiast stopień rozsynchronizowania zegarów przy ich wzajemnym przesuwaniu jest tym mniejszy, im mniejsza jest ich prędkość względna. Z tego wynika, że dwa zegary mogą pozostać zsynchronizowane z dowolnie dużą dokładnością pod warunkiem, że będą przesuwane dostatecznie wolno. Jeśli przyjmiemy, że przy tego rodzaju przesunięciu oba zegary pozostają zsynchronizowane (z pewną dokładnością) cały czas (nawet w czasie, gdy są rozdzielone), to tego rodzaju metoda może zostać wykorzystana do synchronizacji rozdzielonych przestrzennie zegarów. W granicy prędkości przesuwania zegarów dążącej do zera ta metoda jest teoretycznie i eksperymentalnie równoważna synchronizacji standardowej.

Aczkolwiek wpływ dylatacji czasu nie może zostać pominięty z punktu widzenia innego układu odniesienia S poruszającego się względem obydwu zegarów. Takie zegary pozostaną zsynchronizowane we własnych układach, ale nie w układzie S. To zjawisko nazywane względną równoczesnością zdarzeń występuje również przy zastosowaniu synchronizacji standardowej. W związku z tym, sprawdzenie równoważności tych dwóch sposobów synchronizacji jest istotne i pewne eksperymenty potwierdziły ją z wysoką dokładnością.

Jeżeli założymy, że jednokierunkowa prędkość światła jest anizotropowa, współczynnik dylatacji czasu przyjmie formę z parametrem κ pomiędzy –1 a 1. Pociąga to nowy czynnik liniowy co oznacza, że dylatacja czasu w takim przypadku nie może być ignorowana dla małych prędkości i synchronizacja metodą slow clock-transport nie wykryje tej anizotropii. Zatem jest ona równoważna synchronizacji Einsteina.

Synchronizacje niestandardowe Jak pokazał Hans Reichenbach i Adolf Grünbaum, synchronizacja standardowa jest tylko szczególnym przypadkiem znacznie szerszej klasy możliwych synchronizacji, dla których stałość dwukierunkowej prędkości światła jest zachowana, ale niezmienniczość jednokierunkowej prędkości światła nie musi być zachowana. Formuła synchronizacji standardowej została zmodyfikowana poprzez zastąpienie ½ parametrem ε:

ε może przyjmować wartości z przedziału (0,1). Pokazano, że klasa powyższych synchronizacji jest empirycznie równoważna uogólnieniu transformacji Lorentza (zobacz: uogólnienie transformacji Lorentza dopuszczające anizotropię jednokierunkowej prędkości światła).

W związku z dowiedzioną eksperymentalnie równoważnością synchronizacji standardowej oraz synchronizacji metodą slow clock-transport, która wymaga wiedzy o dylatacji czasu poruszającego się zegara, synchronizacje niestandardowe również muszą jej dotyczyć. Faktycznie, zwracano uwagę, że dylatacja czasu zależy od konwencjonalności jednokierunkowych prędkości użytych we wzorze wyrażającym dylatacje. Dylatacja czasu może zostać zmierzona po zsynchronizowaniu dwóch oddalonych zegarów A i B za pomocą trzeciego poruszającego się na ich linii zegara C. Zmiana konwencji synchronizacji A i B wpływa na zmianę dylatacji czasu zegara C (jak przy pomiarze jednokierunkowej prędkości światła). Taka sama konwencjonalność występuje również przy pomiarze dylatacji czasu z wykorzystaniem efektu Dopplera. Tylko w przypadku, gdy dylatacja czasu jest mierzona na drodze zamkniętej, wynik nie jest uzależniony od konwencji synchronizacji i może zostać jednoznacznie zmierzony (tak jak w przypadku dwukierunkowej prędkości światła). Dylatacja czasu na drodze zamkniętej została zmierzona w doświadczeniu Hafelea-Keatinga oraz w testach dylatacji czasu poruszających się cząstek elementarnych, takich jak eksperyment Baileya (1977). Zatem tzw. paradoks bliźniąt występuje we wszystkich transformacjach zachowujących stałość dwukierunkowej prędkości światła.

Dynamika i inercjalne układy odniesienia Argumentowano przeciwko konwencjonalności jednokierunkowej prędkości światła, odnosząc się do bliskiego związku tej koncepcji z dynamiką, prawami ruchu i sposobem zdefiniowania inercjalnego układu odniesienia. Salmon opisał kilka rodzajów tego typu argumentów bazujących na zasadzie zachowania pędu, z której wynika, że dwa jednakowe ciała, które są jednakowo przyśpieszane w przeciwnych kierunkach, powinny poruszać się z takimi samymi jednokierunkowymi prędkościami. Podobnie Ohanian argumentował, że inercjalne układy odniesienia są zdefiniowane w taki sposób, aby prawa Newtona były zachowane w pierwszym przybliżeniu. W związku z tym, ponieważ prawa ruchu przewidują izotropię jednokierunkowej prędkości poruszających się ciał na skutek takiego samego przyśpieszenia i ponieważ eksperymentalnie wykazano równoważność synchronizacji standardowej i metody slow clock-transport, wydaje się konieczne i bezpośrednio zmierzone, że jednokierunkowa prędkość światła jest izotropowa w inercjalnym układzie odniesienia. W przeciwnym razie zarówno pojęcie inercjalnego układu odniesienia, jak i prawa ruchu musiałyby przyjąć znacznie bardziej skomplikowaną formę obejmującą anizotropię współrzędnych.