Prędkość światła
Prędkość światła w zależności od kontekstu może oznaczać:- prędkość fali elektromagnetycznej w próżni i wynikającą z tego stałą fizyczną (c = 299 792 458 m/s),
- prędkość światła w ośrodkach materialnych.
Prędkość światła w próżni
i Księżyc
Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni nie zależy od częstości fali <math>(\omega=c\,k)</math> 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 bardzo ważną stałą fizyczną oznaczaną symbolem c, wynoszącą dokładnie- <math>c = 299\,792\,458\,\tfrac{\operatorname m}{\operatorname s}</math>
- <math> \varepsilon_0 = \frac{10^{7}}{4\pi c^2} \quad \mathrm{( A^2\, s^4\, kg^{-1}\, m^{-3}, \, albo \, F \, m^{-1})}</math>
- <math> \mu_0 = 4\,\pi\, 10^{-7} \quad \mathrm{( kg\, m\, s^{-2}\, A^{-2}, \, albo \, N \, A^{-2})}</math>.
- <math>c_m=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon\mu}}</math>
- ε – przenikalność elektryczna ośrodka,
- μ – przenikalność magnetyczna ośrodka,
- cm – prędkość światła w danym ośrodku.
- <math>c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}}</math>
- ε0 – przenikalność elektryczna próżni,
- μ0 – przenikalność magnetyczna próżni.
Eksperymentalnie zostało to potwierdzone przez Heinricha 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, np.:- stanowi ona prędkość graniczną rozchodzenia się energii w szczególnej teorii względności.
- <math>E=mc^2</math>
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 od np. 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 nie istnieje.
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, jeżeli mają niezerowy ładunek elektryczny, emitują wówczas fotony zwane promieniowaniem Czerenkowa.
W najnowszych eksperymentach nad rozchodzeniem się światła w ośrodkach materialnych udało się spowolnić je do prędkości 0,2 mm/s<ref>Rekordowe spowolnienie światła.</ref>. Spowolnienie osiągnięto w warunkach laboratoryjnych, poprzez dynamiczną zmianę własności fizycznych ośrodka, w którym rozchodziła się wiązka światła.
W skali atomowej zachodzi pochłanianie i emisja fotonu przez atomy. Między pochłonięciem a emisją mija pewien czas, co skutkuje zmniejszeniem uśrednionej prędkości fotonów. Im częściej ma miejsce taki akt absorpcji i emisji, a czas między tymi zjawiskami jest większy, tym mniejsza jest efektywna prędkość fotonów. W trakcie cyklu absorpcji-emisji nie są zmieniane właściwości fotonu, takie jak jego energia i częstotliwość.
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 (około 13000 km). Obliczenia oparł na obserwacji satelity Jowisza<ref>
Olaus Rømer, Demonstration touchant le mouvement de la lumiere, Journal des Sçavans, 7 grudnia 1676 r.</ref>.
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, czego efektem był wzrost dokładności pomiaru. W 1907 roku Albert Abraham Michelson otrzymał Nagrodę Nobla m.in. za bardzo dokładne pomiary prędkości światła.
Zobacz też