Prędkość światła

Prędkość światła w zależności od kontekstu może oznaczać:

Prędkość światła w próżni

Niniejsza symulacja obrazuje przybliżony czas potrzebny światłu, aby pokonać dystans dzielący Ziemię i Księżyc

Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni nie zależy od częstości fali ani układu odniesienia. Stałość tej prędkości wynika z podstawowych własności przestrzeni i dlatego w fizyce określa się stałą c o nazwie prędkość światła.

Stała fizyczna

Prędkość światła (prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni) jest stałą fizyczną oznaczaną symbolem c, wynoszącą dokładnie

W elektrodynamice klasycznej prędkość światła jest konsekwencją równań Maxwella. Rozwiązanie tych równań dla pola elektromagnetycznego w próżni prowadzi do równania falowego, w którym pojawia się stała będąca prędkością fazową fali elektromagnetycznej, czyli prędkość światła w próżni. Jest to stała fundamentalna związana z własnościami próżni, m.in. z przenikalnością elektryczną (wyrażone w jednostkach SI):

i przenikalnością magnetyczną

James Clerk Maxwell wykazał (około 1856 roku), że konsekwencją równań elektrodynamiki jest istnienie fali elektromagnetycznej propagującej się z prędkością

ε – przenikalność elektryczna ośrodka,
μ – przenikalność magnetyczna ośrodka,
cm – prędkość światła w danym ośrodku.

W przypadku próżni

gdzie:

ε0 – przenikalność elektryczna próżni,
μ0 – przenikalność magnetyczna próżni.

Eksperymentalnie zostało to potwierdzone przez Heinricha Hertza kilkadziesiąt lat później. To, że fala elektromagnetyczna propaguje się (rozprzestrzenia) z prędkością c, jest konsekwencją bezmasowości fotonu (masa spoczynkowa fotonu jest równa zeru)[a].

W szczególnej teorii względności stała ta wynika ze związku między czasem a przestrzenią w transformacji Lorentza i pojawia się w fizyce w wielu prawach i związkach, np. stanowi ona prędkość graniczną rozchodzenia się energii w szczególnej teorii względności.

Standaryzacja

Po zatwierdzeniu przez Generalną Konferencję Miar i Wag w 1983 definicji metra jako odległości jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1 / 299792458 s prędkość światła w próżni stała się wzorcem i wynosi dokładnie 299 792 458 m/s. W mniej dokładnych obliczeniach często używa się przybliżonej wartości tej prędkości 3·108 m/s.

Prędkość światła w ośrodkach materialnych

Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej zależy od ośrodka, w jakim porusza się ta fala i osiąga wielkość maksymalną w próżni. W odróżnieniu np. od dźwięku, fala elektromagnetyczna do propagacji nie potrzebuje ośrodka materialnego. Hipotetyczny ośrodek, w którym miałaby się rozchodzić fala elektromagnetyczna, nazywano eterem. Doświadczenia Michelsona-Morleya pokazały jednoznacznie, że eter statyczny lub częściowo wleczony nie istnieje. Inne doświadczenia wykluczyły też alternatywne hipotezy eteru.

Obiekty posiadające niezerową masę spoczynkową nie mogą osiągnąć prędkości światła w próżni, choć mogą się do niej dowolnie zbliżyć. Obiekty takie, jeżeli mają niezerowy ładunek elektryczny i poruszają się w ośrodku materialnym z prędkością większą od prędkości światła w tym ośrodku emitują fotony zwane promieniowaniem Czerenkowa.

W najnowszych eksperymentach nad rozchodzeniem się światła w ośrodkach materialnych udało się spowolnić je do prędkości 0,2 mm/s[1]. Spowolnienie osiągnięto w warunkach laboratoryjnych, poprzez dynamiczną zmianę własności fizycznych ośrodka, w którym rozchodziła się wiązka światła.

Według mechaniki klasycznej fala elektromagnetyczna przechodząc przez ośrodek pobudza do drgań ładunki elektryczne w nim zawarte, co zmniejsza jej amplitudę. Pobudzone ładunki wracając do stanu równowagi emitują falę, ale jest ona opóźniona w stosunku do fali pobudzającej. W wyniku czego obserwuje się zmniejszenie prędkości fali elektromagnetycznej.

Pomiary

Zaćmienia księżyców Jowisza obserwowane przez Rømera w 1676. Pozwoliły wyznaczyć czas przelotu światła przez orbitę ziemską. Na tej podstawie Christiaan Huygens podał pierwsze oszacowania prędkości światła (w próżni i w powietrzu).
Aberracja światła odkryta przez Bradleya w 1728. Była pierwszym koronnym dowodem, że prędkość światła w próżni jest ograniczona.

Pierwszego pomiaru prędkości światła planował dokonać Galileusz. Eksperyment postanowił przeprowadzić wraz ze swoim pomocnikiem za miastem na dwóch wzgórzach, mając do dyspozycji dwie latarnie. Sama próba polegała na odsłanianiu i przesłanianiu latarni, jednak ze względu na ogromną prędkość światła i bardzo duży błąd pomiaru, skazana była na niepowodzenie. Galileusz oszacować mógł jedynie, że prędkość ta znacznie przekracza, w przeliczeniu na obecne jednostki, 30 km/s (co jest bliskie orbitalnej prędkości Ziemi w ruchu dokoła Słońca)[2]. Była to jednak pierwsza odnotowana eksperymentalna próba zmierzenia prędkości światła[3].

W 1676 duński astronom Ole Rømer podał pierwsze dowody skończonej prędkości światła i czasu jego przelotu przez orbitę ziemską. Obliczenia oparł na obserwacji zaćmień satelity Jowisza przez tę planetę[4]. Przy oddalaniu się Jowisza od Ziemi, zaćmienia te były rzadziej niż przy zbliżaniu się Jowisza do Ziemi. Rømer, pomimo znajomości promienia orbity ziemskiej, nie podał liczbowej wartości prędkości światła. Zrobił to dopiero Christiaan Huygens, ale jego wynik bywa błędnie przypisywany Rømerowi[5]. Wynik obserwacji Rømera nie przekonał wszystkich uczonych, że prędkość światła jest skończona. Koronnym dowodem była dopiero aberracja gwiazdowa[6].

W 1727 angielski astronom James Bradley dokonał pomiaru wykorzystując zjawisko aberracji światła gwiazd. Z ilorazu prędkości orbitalnej Ziemi i kąta aberracji uzyskał, w przeliczeniu na dzisiejsze jednostki, 301 000 km/s[7].

Pierwszego laboratoryjnego pomiaru prędkości światła dokonał w 1849 roku francuski fizyk Armand Fizeau używając zwierciadła i koła zębatego (doświadczenie to można uznać za modyfikację metody zaproponowanej przez Galileusza przez zastąpienie drugiego obserwatora lustrem)[8]. Otrzymany wynik 315 300 km/s obarczony był błędem systematycznym. Metodę tę udoskonalano zwiększając odległość oraz liczbę zębów – w 1874 francuski fizyk Alfred Maria Cornu (1841–1902) uzyskał 300 030 ± 200 km/s, w 1902 Perrotin 299 880 ± 84 km/s. Dokładniejszą metodą jest metoda wirującego zwierciadła zaproponowana w 1838 przez François Arago, zastosowana po raz pierwszy przez Jeana Foucault w 1850, w 1862 uzyskał on wynik 298 000 ± 500 km/s, w 1882 Simon Newcomb ustalił tą metodą 299 810 ± 30 km/s.

Metody pomiaru prędkości światła były stale rozwijane, czego efektem był wzrost dokładności pomiaru. W 1907 roku Albert Abraham Michelson otrzymał Nagrodę Nobla m.in. za bardzo dokładne pomiary prędkości światła, prowadzone od 1878. W 1880 uzyskał wynik 299 910 ± 50 km/s, w latach 1924–1926, dzięki aparaturze ustawionej na szczytach górskich Mount Wilson i Mount San Antonio odległych o 35 km, 299 796 ± 4 km/s zbliżony do przyjmowanego obecnie.

W późniejszych pomiarach metody mechaniczne zastąpione zostały przez elektryczno-optyczne przy wykorzystaniu zjawiska Kerra. Przy mierzeniu prędkości fal radiowych wykorzystywane są metody rezonatora wnękowego[9].

Zobacz też

Uwagi

  1. Oznacza to że foton istnieje tylko w ruchu. Dualizm korpuskularno-falowy; Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne s. 18.

Przypisy

Bibliografia

Media użyte na tej stronie

Sr1.svg
Autor: User:Ysmo, Licencja: CC BY 1.0
Light cone
Speed of light from Earth to Moon.gif
Autor: en:User:Cantus, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Scale model of the Earth and the Moon, with a beam of light traveling between them at the speed of light. It takes approximately 1.26 seconds.
Aberration.svg
Autor: D.H, Licencja: CC BY-SA 3.0
Aberration of light as seen in two different frames of reference. (The telescope is taken from http://openclipart.org/detail/28059/spyglass1-by-crimperman )
Illustration from 1676 article on Ole Rømer's measurement of the speed of light.jpg
A diagram of Jupiter (B) eclipsing its moon Io (DC) as viewed from different points in earth's orbit around the sun. From Olaf (Ole) Roemer, "Demonstration tovchant le mouvement de la lumiere trouvé par M. Römer de l' Academie Royale des Sciences," December 7, 1676. Translated into English as "A Demonstration Concerning the Motion of Light," Philosophical Transactions of the Royal Society 12 (June 25, 1677): 893-94. Scans of both the French and English versions of the paper are on the Web at http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Roemer-1677/Roemer-1677.html. This image was scanned from a copy of Roemer's paper in William Francis Magie, A Source Book in Physics, 1st ed (New York, London: McGraw-Hill, 1935).