Rýchlosť svetla vo vákuu — definícia a hodnota c (299 792 458 m/s)

Toto správanie sa líši od našich bežných predstáv o pohybe, ako ukazuje tento príklad:

George stojí na zemi vedľa železničných koľají. Vlak sa rúti rýchlosťou 48 km/h. George hodí bejzbalovú loptičku rýchlosťou 140 km/h (90 mph) v smere, ktorým sa pohybuje vlak. Tom, cestujúci vo vlaku, má zariadenie (ako radarová pištoľ) na meranie rýchlosti hádzania. Keďže je vo vlaku, Tom sa už pohybuje rýchlosťou 30 mph (48 km/h) v smere hodu, takže Tom nameral rýchlosť loptičky len 60 mph (97 km/h).

Inými slovami, rýchlosť bejzbalovej loptičky, ktorú meria Tom vo vlaku, závisí od rýchlosti vlaku.

V uvedenom príklade sa vlak pohyboval 1/3 rýchlosti loptičky a rýchlosť loptičky nameraná vo vlaku bola 2/3 rýchlosti hodu nameranej na zemi.

Teraz zopakujte pokus so svetlom namiesto bejzbalovej loptičky; to znamená, že George má namiesto hádzania bejzbalovou loptičkou baterku. George aj Tom majú rovnaké zariadenia na meranie rýchlosti svetla (namiesto radarovej pištole v príklade s bejzbalovou loptičkou).

George stojí na zemi vedľa vlakových koľají. Okolo neho sa rúti vlak rýchlosťou 1/3 rýchlosti svetla. George zabliká svetelným lúčom v smere, ktorým sa pohybuje vlak. George nameral rýchlosť svetla 186 282 míľ za sekundu (299 792 kilometrov za sekundu). Tom, cestujúci vo vlaku, zmeria rýchlosť svetelného lúča. Akú rýchlosť nameral Tom?

Intuitívne si môžeme myslieť, že rýchlosť svetla z baterky nameraná vo vlaku by mala byť 2/3 rýchlosti nameranej na zemi, rovnako ako rýchlosť bejzbalovej loptičky bola 2/3. V skutočnosti je však rýchlosť nameraná vo vlaku plná hodnota, 186 282 míľ za sekundu (299 792 kilometrov za sekundu), a nie 124 188 míľ za sekundu (199 861 kilometrov za sekundu).

Znie to nemožne, ale práve to sa meria. Dôvodom je čiastočne to, že svetlo je energia, ktorá sa správa a pohybuje úplne iným spôsobom ako hmota alebo pevné predmety, napríklad bejzbalová loptička.

Maxwellove rovnice predpovedali rýchlosť svetla a potvrdili myšlienku Michaela Faradaya, že svetlo je elektromagnetické vlnenie (spôsob pohybu energie). Z týchto rovníc vyplýva, že rýchlosť svetla súvisí s inverznou druhou odmocninou z permitivity voľného priestoru, ε0, a permeability voľného priestoru, μ0:

c = 1 ε 0 μ 0 . {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}\ . }

Dôsledkom tejto skutočnosti je, že nič nemôže ísť rýchlejšie ako rýchlosťou svetla. Ďalším dôsledkom je, že v prípade objektov, ktoré majú hmotnosť, bez ohľadu na to, koľko energie sa použije na zvýšenie rýchlosti objektu, bude sa k nemu stále viac približovať, ale nikdy nedosiahne rýchlosť svetla. Tieto myšlienky objavil na začiatku 20. storočia Albert Einstein, ktorého práca úplne zmenila naše chápanie svetla.

Index lomu číreho materiálu je pomer medzi rýchlosťou svetla vo vákuu a rýchlosťou svetla v tomto materiáli.

Rømer

Ole Christensen Rømer použil astronomické meranie na prvý kvantitatívny odhad rýchlosti svetla. Pri meraní zo Zeme sú periódy mesiacov obiehajúcich okolo vzdialenej planéty kratšie, keď sa Zem k planéte približuje, ako keď sa od nej vzďaľuje. Vzdialenosť, ktorú prejde svetlo od planéty (alebo jej mesiaca) k Zemi, je kratšia, keď je Zem v bode svojej dráhy, ktorý je najbližšie k planéte, ako keď je Zem v najvzdialenejšom bode svojej dráhy, pričom rozdiel vo vzdialenosti je priemer dráhy Zeme okolo Slnka. Pozorovaná zmena obežnej doby Mesiaca je vlastne rozdielom v čase, ktorý svetlo potrebuje na prekonanie kratšej alebo dlhšej vzdialenosti. Rømer pozoroval tento efekt na najvnútornejšom Jupiterovom mesiaci Io a odvodil, že svetlo potrebuje 22 minút na prekonanie priemeru dráhy Zeme.

Bradley

Ďalšou metódou je využitie aberácie svetla, ktorú objavil a vysvetlil James Bradley v 18. storočí. Tento efekt vzniká pri vektorovom sčítaní rýchlosti svetla prichádzajúceho zo vzdialeného zdroja (napríklad hviezdy) a rýchlosti jeho pozorovateľa (pozri schému vpravo). Pohybujúci sa pozorovateľ tak vidí svetlo prichádzajúce z trochu iného smeru a následne vidí zdroj v polohe posunutej oproti jeho pôvodnej polohe. Keďže smer rýchlosti Zeme sa pri obehu Zeme okolo Slnka neustále mení, tento efekt spôsobuje, že zdanlivá poloha hviezd sa posúva. Z uhlového rozdielu v polohe hviezd je možné vyjadriť rýchlosť svetla v závislosti od rýchlosti Zeme okolo Slnka. Tú možno pri známej dĺžke roka ľahko prepočítať na čas potrebný na cestu zo Slnka na Zem. V roku 1729 Bradley touto metódou odvodil, že svetlo sa pohybuje 10 210-krát rýchlejšie ako Zem po svojej obežnej dráhe (moderný údaj je 10 066-krát rýchlejší) alebo, ekvivalentne, že svetlo by potrebovalo 8 minút a 12 sekúnd na cestu zo Slnka na Zem.

Moderné

V súčasnosti sa "svetelný čas na jednotku vzdialenosti" - inverzná hodnota c (1/c), vyjadrená v sekundách na astronomickú jednotku - meria porovnávaním času, za ktorý rádiové signály dosiahnu rôzne kozmické lode v Slnečnej sústave. Poloha kozmických lodí sa vypočítava z gravitačných účinkov Slnka a rôznych planét. Kombináciou mnohých takýchto meraní sa získa najlepšia vhodná hodnota pre svetelný čas na jednotku vzdialenosti. Od roku 2009^{[aktualizácia] je} najlepší odhad schválený Medzinárodnou astronomickou úniou (IAU):

svetelný čas na jednotku vzdialenosti: 499.004783836(10) s

c = 0,00200398880410(4) AU/s

c = 173,144632674(3) AU/deň.

Relatívna neistota týchto meraní je 0,02 častice na miliardu (2×10-11), čo zodpovedá neistote pozemských meraní dĺžky pomocou interferometrie. Keďže meter je definovaný ako dĺžka, ktorú prejde svetlo za určitý časový interval, meranie času svetla na jednotku vzdialenosti možno interpretovať aj ako meranie dĺžky AU v metroch. Meter sa považuje za jednotku vlastnej dĺžky, zatiaľ čo AU sa často používa ako jednotka pozorovanej dĺžky v danom referenčnom rámci.

Konečná rýchlosť svetla je hlavným obmedzením cestovania vesmírom na veľké vzdialenosti. Predpokladajme, že cesta na druhú stranu Mliečnej dráhy by trvala približne 200 000 rokov. Ešte závažnejšie je, že žiadna vesmírna loď nemôže cestovať rýchlejšie ako svetlo, takže všetka doprava v galaktickom meradle by bola v skutočnosti jednosmerná a trvala by oveľa dlhšie, ako existuje akákoľvek moderná civilizácia.

Rýchlosť svetla môže byť problematická aj na veľmi krátke vzdialenosti. V superpočítačoch je rýchlosť svetla limitom pre to, ako rýchlo možno posielať údaje medzi procesormi. Ak procesor pracuje na frekvencii 1 gigahertz, signál môže prejsť maximálne 30 cm za jeden cyklus. Procesory preto musia byť umiestnené blízko seba, aby sa minimalizovali komunikačné oneskorenia; to môže spôsobiť ťažkosti s chladením. Ak sa budú taktovacie frekvencie naďalej zvyšovať, rýchlosť svetla sa nakoniec stane limitujúcim faktorom pre vnútorný dizajn jednotlivých čipov.

• Michelson-Morleyho experiment