Prędkość światła

Prędkość światła, a w zasadzie prędkość fali elektromagnetycznej w próżni jest jednakowa we wszystkich inercjalnych układach odniesienia, nie zależy od tego, z jaką prędkością porusza się obserwator, który mierzy tę prędkość. To podstawowy postulat szczególnej teorii względności. Prędkość ta jest jednocześnie maksymalną szybkością, jaką można uzyskać w przyrodzie.

Z faktu tego wynika między innymi, że:

• prędkość światła w próżni to maksymalna szybkość, z jaką można przekazywać informacje;
• oddziaływania między ciałami fizycznymi nie mogą rozchodzić się szybciej niż prędkość światła;
• nic nie może poruszać się z prędkością większą, niż światło.

© Tsurukame Design - stock.adobe.com

Prędkość światła zależy od tego w jakim ośrodku się porusza. Podstawową wartością tej prędkości, oznaczaną przez c, jest prędkość światła w próżni. To jedna z podstawowych stałych fizycznych.

Jak jest prędkość światła w próżni?

Ile wynosi prędkość światła w km/h? To około 300 000 km/s.

Należy pamiętać, że w ośrodkach materialnych prędkość światła maleje.

Doświadczenie Michelsona-Morleya

Przed tym doświadczeniem Albert Michelson próbował za pomocą tak zwanego interferometru zbadać ruch ziemi względem eteru - hipotetycznego ośrodka drgań dla światła i w ogóle fal elektromagnetycznych. Doświadczenie to dało zadziwiający wynik. Nie wykazano istotnego ruchu Ziemi względem eteru (a ściślej jeżeli już był, to prędkość ta nie była większa niż 5 km/s!).

Doświadczenie to Michelson powtórzył z Morleyem, zwiększając jego dokładność. To jedno z najważniejszych doświadczeń w historii fizyki. Michelson i Morley badali (w dużym uproszczeniu) rozchodzenie się dwóch wiązek światła w próżni w dwóch kierunkach. Jedna biegła ze wschodu na zachód, a druga biegła w kierunku północ-południe. Zgodnie z przewidywaniami mechaniki klasycznej prędkości tych wiązek powinny być różne, gdyż w jednym z przypadków źródło światła poruszało się wraz z obrotem Ziemi. To i kolejne doświadczenia (Kennedy'ego-Thorndike'a) kolejno prowadziły do wniosków, że żadnego eteru w przyrodzie nie ma, a natura światła jest zadziwiająca!

Pomiary prędkości światła - metody wyznaczania

Oto krótki przegląd badań w historii fizyki nad prędkością światła:

1. 1638 - Galileusz - jako pierwszy podał opis doświadczenia, w którym można by zmierzyć prędkość światła. Choć z opisu wynika, że nie można było uzyskać poprawnego wyniku, metodologia tego pomiaru przypominała późniejsze pomiary.
2. 1676 - Ole Roemer - jako pierwszy zmierzył prędkość światła. Wykorzystał zjawisko opóźniania się momentów zaćmień Io - księżyca Jowisza nawet o 22 minuty między różnymi odległościami Ziemi od Jowisza (w różnych porach roku). To opóźnienie Roemer przypisywał czasowi, jaki potrzebuje światło, aby pokonać odległość orbity Ziemi. Roemer uzyskał wynik 214 000 km/s. Już samo to, że udowodniono, iż światło porusza się ze skończoną prędkością było rewolucją w ówczesnym naukowym świecie.
3. 1725-1727 - James Bradley odkrył zjawisko aberracji światła gwiazd. Badał elipsę zakreślaną na firmamencie przez γ z gwiazdozbioru Smoka. Jej położenie nie pasowało do przesunięcia paralaktycznego. Bradley doszedł do wniosku, że jest ono wynikiem zmian pozycji Ziemi na orbicie wokół Słońca w ciągu roku i skończonej prędkości światła, którą oszacował na 301 000 km/s. Nieźle!
4. 1838 - Arago zaproponował wirujące zwierciadło do pomiaru prędkości światła. Wykorzystał je później jako pierwszy Foucault.
5. 1849 - H. L. Fizeau - dokonał pierwszego pomiaru prędkości światła w laboratorium. Fizeau badał światło padające i odbite na odcinku 8633 m i biegnące przez krawędź obracającego się zębatego koła o 720 zębach. Natężenie tego światła wzrastało, gdy promień padający trafiał na jedną przerwę, a powracający na kolejną i kolejną, w zależności od częstotliwości obrotu koła. Wynik jaki uzyskał Fizeau nie był dokładny (c = 315 300 km/s), ale jego doświadczenie zrewolucjonizowało sposób pomiaru.
6. 1850 - Foucault wykorzystał metodę wirujących zwierciadeł, która pozwalała zmniejszyć rozmiary aparatury i uzyskał wynik c=298 000 km/s.
7. 1874 - A. Cornu - uzyskał wynik c=300 030 km/s (metodą udoskonalonego doświadczenia Fizeau).
8. 1882 - NewComb uzyskał metodą wirujących zwierciadeł wynik c= 299 810 km/s.
9. 1902 - Perrotin dokonał ostatniego pomiaru c z użyciem zębatego koła i uzyskał wynik 299 880 km/s.
10. 1924-1926 - Michelson wykonał bardzo dokładne pomiary z użyciem wirujących zwierciadeł. Jego wynik to c = 299 796 z dokładnością do 4 km/s. On też próbował zmierzyć prędkość światła w próżni.
11. 1929 - Karolus i Mittelstaedt jako pierwsi odeszli od mechanicznych metod wyznaczania prędkości światła i wykorzystali w tym celu zjawisko Kerra. Użycie elektryczno-optycznych metod zwiększało dokładność pomiaru. Otrzymany wynik to: 299 784 km/s z błędem do 20 km/s. W wielu kolejnych pracach ulepszano tę metodę i uzyskiwano coraz dokładniejsze wyniki.

Ciekawostki

Prędkość światła w próżni jest podstawą przy definiowaniu metra - jednostki długości w układzie SI.

Obiekty posiadające niezerową masę spoczynkową nie mogą osiągnąć prędkości światła w próżni, choć mogą się do niej dowolnie zbliżyć.

To właśnie wyniki doświadczenia Michelsona-Morleya doprowadziły Lorentza do wyprowadzenia jego słynnej transformacji nazwanej jego imieniem.

W 1964 roku przeprowadzono ciekawe doświadczenie w CERN. Zmierzono prędkość źródła promieniowania, które poruszało się względem laboratorium z prędkością 0,99975 c. Prędkość promieniowania względem laboratorium wynosiła mimo wszystko c! Aby uzmysłowić jak bardzo jest to niezwykłe, fizyk klasyczny musiałby zaakceptować, że 0,99975+1=1! Musiał prędzej czy później pojawić się ktoś taki jak Albert Einstein.

Czy można spowolnić fotony?

Fotony są składnikiem światła. Wiemy że poruszają się ze stałą prędkością światła, która jest uniwersalną stałą fizyczną. Czy istnieje możliwość spowolnienia fotonów?

© medianauka.pl, 2021-11-04, A-4230