Prędkość światła

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Prędkość światła w zależności od kontekstu może oznaczać:

Prędkość światła w próżni[edytuj]

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[edytuj]

Prędkość światła (prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni) jest bardzo ważną 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.:

Standaryzacja[edytuj]

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[edytuj]

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 alternatywe 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[edytuj]

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.

W 1676 duński astronom Ole Rømer podał pierwsze dowody skończonej prędkości światła i czasu jego przelotu przez orbitę ziemską. Obliczenia oparł na obserwacji opóźnienia zaćmień satelity Jowisza przez tę planetę[3]. Rømer, pomimo znajomości promienia orbity ziemskiej, nie podał liczbowej wartości prędkości światła. Zrobił to dopiero Christiaan Huygens.

W 1727 angielski astronom James Bradley dokonał pomiaru wykorzystując zjawisko aberracji światła gwiazd. Z ilorazu prędkości orbitalnej Ziemi i kąta aberracji uzyskał, w przeliczeniu, 301 000 km/s[4].

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)[5]. 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[6].

Zobacz też[edytuj]

Uwagi

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

Przypisy

Bibliografia[edytuj]