Prędkość światła

Z Wikipedii

Prędkość światła w zależności od kontekstu może oznaczać:

prędkość fali elektromagnetycznej w próżni i wynikającą z tego stałą fizyczną (c=299792458 m/s),
prędkość światła w ośrodkach materialnych.

Spis treści

1 Prędkość światła w próżni
2 Zależność od ośrodka
- 2.1 Przyspieszanie i spowalnianie
3 Pomiary
4 Stała fizyczna
- 4.1 Standaryzacja
5 Zobacz też
6 Przypisy

[edytuj] Prędkość światła w próżni

Przedstawiona grafika obrazuje przybliżony czas jaki potrzebuje światło, by pokonać dystans dzielący Ziemię i Księżyc

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

[edytuj] Zależność od ośrodka

Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej zależy od ośrodka w jakim porusza się ta fala i osiąga wielkość maksymalną w próżni. Należy przy tym pamiętać, że w odróżnieniu od np. dźwięku, fala elektromagnetyczna do propagacji nie potrzebuje ośrodka. Hipotetycznym ośrodkiem, w którym miałaby się rozchodzić fala elektromagnetyczna, nazywano eterem. Doświadczenia Michelsona-Morleya pokazały jednoznacznie, że eter nie istnieje.

[edytuj] Przyspieszanie i spowalnianie

Obiekty posiadające niezerową masę spoczynkową nie mogą osiągnąć prędkości światła w próżni, choć mogą się do niej dowolnie zbliżyć. Mogą one natomiast osiągać i przekraczać prędkość poruszania się światła w danym ośrodku. Obiekty takie emitują wówczas fotony zwane promieniowaniem Czerenkowa.

W najnowszych eksperymentach nad rozchodzeniem się światła w ośrodkach materialnych udało się:

spowolnić je do prędkości 69 km/h,
na bardzo krótki czas zatrzymać światło.

Takie manipulacje z prędkością uzyskiwane są w laboratoriach, gdzie wiązkę światła przepuszcza się przez specjalnie przygotowany ośrodek, którego własności zmienia się podczas ruchu światła w tym ośrodku.

Wyniki tych doświadczeń są skutkiem oddziaływania światła z materią. W ośrodku materialnym fotony są absorbowane i emitowane. Czas upływający pomiędzy absorpcją a emisją fotonu decyduje o zmniejszeniu prędkości światła. W istocie fotony pomiędzy poszczególnymi aktami pochłaniania poruszają się z prędkością c, tak jak w próżni.

[edytuj] Pomiary

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. Była to jednak pierwsza odnotowana eksperymentalna próba zmierzenia prędkości światła.

W 1676 Ole Rømer podał pierwsze szacowanie skończonej prędkości światła stwierdzając, że światło potrzebuje mniej niż sekundę, by przebyć odległość 3000 mil (francuskich, czyli około 13000 km). Obliczenia oparł na obserwacji satelity Jowisza^[1].

Pierwszego laboratoryjnego pomiaru prędkości światła dokonał w 1849 roku francuski fizyk Armand Fizeau używając koła zębatego. Od tamtej pory metody pomiaru prędkości światła były stale rozwijane skutkując wysoką dokładnością tychże. W 1907 roku Albert Abraham Michelson otrzymał Nagrodę Nobla m.in. za bardzo dokładne pomiary prędkości światła.

[edytuj] Stała fizyczna

Prędkość światła (prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni) jest bardzo ważną stałą fizyczną oznaczaną symbolem $c$ , wynoszącą dokładnie $299\,792\,458\,\tfrac{m}{s}$ .

W elektrodynamice klasycznej prędkość światła jest konsekwencją równań Maxwella. Rozwiązanie tych równań dla 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 $\varepsilon_0$ (wyrażone w jednostkach SI):

$\varepsilon_0 = \frac{10^{7}}{4\pi c^2} \quad \mathrm{(v~ A^2\, s^4\, kg^{-1}\, m^{-3}, \, albo \, F \, m^{-1})}$

i przenikalnościa magnetyczną $\mu_0\,$

$\mu_0 = 4\,\pi\, 10^{-7} \quad \mathrm{(v~ kg\, m\, s^{-2}\, A^{-2}, \, albo \, N \, A^{-2})}$ .

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

$c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}}$

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

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:

stanowi ona prędkość graniczną rozchodzenia się energii w szczególnej teorii względności.
$E = m c 2$
i inne...

[edytuj] Standaryzacja

Po zatwierdzeniu przez Generalną Konferencję Miar i Wag w 1983 definicji metra, jako odległości, jaką pokonuje światło w próżni w czasie $\tfrac{1}{299792458}\,\mathrm{s}$ , prędkość światła w próżni stała się wzorcem i wynosi dokładnie $299 792 458\,\mathrm{m/s}$ . W mniej dokładnych obliczeniach, często używa się też przybliżonej wartości tej prędkości: $3 \times 10^8\,\mathrm{m/s}$ .