Hitrost svetlobe: 299 792 458 m/s – definicija in pomen v relativnosti
Hitrost svetlobe v praznem prostoru je univerzalna fizikalna konstanta. To pomeni, da je povsod v praznem prostoru enaka in se s časom ne spreminja. Fiziki za označevanje hitrosti svetlobe v praznem prostoru (vakuumu) pogosto uporabljajo črko c. Po definiciji je natanko 299 792 458 metrov na sekundo (983 571 056 čevljev na sekundo). Foton (svetlobni delec) v vakuumu potuje s to hitrostjo.
Po posebni teoriji relativnosti je c največja hitrost, s katero lahko potujejo vsa energija, snov in fizične informacije v vesolju. To je hitrost vseh delcev brez mase, kot so fotoni, in z njimi povezanih polj - vključno z elektromagnetnim sevanjem, kot je svetloba - v vakuumu.
Po sedanji teoriji naj bi bila to hitrost gravitacije (torej gravitacijskih valov). Takšni delci in valovi potujejo s hitrostjo c ne glede na gibanje vira ali inercialni referenčni okvir opazovalca. V teorijirelativnosti c povezuje prostor in čas ter se pojavlja v znani enačbi ekvivalentnosti mase in energije E = mc2.
Posebna teorija relativnosti temelji na napovedi, ki je bila doslej potrjena z opazovanji, da je izmerjena hitrost svetlobe v vakuumu enaka ne glede na to, ali se vir svetlobe in oseba, ki opravlja meritve, gibljeta drug glede na drugega ali ne. To se včasih izraža kot "hitrost svetlobe je neodvisna od referenčnega okvira".
Definicija v sistemu SI in zakaj je vrednost natančna
Vrednost 299 792 458 m/s je točna po definiciji. Od leta 1983 je meter definiran kot razdalja, ki jo svetloba v vakuumu prepotuje v 1/299 792 458 sekunde. Druga stran definicije je, da je sekunda določena z zelo stabilnim atomskim prehodom cezija. Skupaj to pomeni, da c ni “merjena številka z napako”, ampak temeljna konstanta, po kateri merimo dolžino. Meritve hitrosti svetlobe danes tako služijo predvsem preverjanju eksperimentalnih metod, ne pa določanju c.
Hitrost svetlobe v snovi in lomni količnik
Svetloba se v snovi giblje počasneje kot v vakuumu. Hitrost v snovi je v ≈ c/n, kjer je n lomni količnik snovi. Tipične vrednosti: zrak ~1,0003, voda ~1,33, steklo ~1,5. Ker n navadno zavisi od valovne dolžine, se svetloba različnih barv v prizmi različno lomi (disperzija).
- Fazna in grupna hitrost: fazna hitrost lahko preseže c ali je manjša od c, vendar to ne pomeni prenosa informacij hitreje od c. Najhitrejša fronta signala (hitrost informacije) ne more preseči c.
- Čerenkov sevanje: nabit delec lahko v snovi potuje hitreje od fazne hitrosti svetlobe v tej snovi in zato oddaja modrikasto Čerenkovovo sevanje. Tudi tu ne preseže univerzalne meje c v vakuumu.
Relativnost, vzročnost in posledice za gibanje
- Lokalna hitrostna meja: v teorijirelativnosti je c lokalna, univerzalna meja. Masivni delci se ji lahko le približajo; za dosego c bi potrebovali neskončno energije, zato je ne morejo doseči.
- Časovna dilatacija in skrčenje dolžin: ko se nekdo giblje blizu c, njegov čas teče počasneje, dolžine v smeri gibanja pa se skrčijo (v primerjavi z mirovanjem). To niso optične iluzije, temveč realni učinki, potrjeni z mnogimi eksperimenti.
- Sočasnost ni absolutna: dogodki, ki so sočasni v enem referenčni okvirju, v drugem niso nujno sočasni. Invariantnost c je jedro Lorentzovih transformacij, ki povezujejo prostor in čas.
- Gravitacija in c: gravitacijski valovi se širijo s hitrostjo, ki je v skladu z opazovanji enaka c. Opazovanje združitve nevtronskih zvezd (2017) je pokazalo, da je razlika med hitrostjo gravitacijskih valov in svetlobe izjemno majhna (v mejah eksperimentalne natančnosti). Zaradi gravitacije lahko svetloba navidezno potuje počasneje (Shapirov zamik) ali spremeni smer (gravitacijska leča), a lokalno ostaja hitrost vedno c.
- Kozmologija: zaradi širjenja vesolja se lahko oddaljene galaksije od nas oddaljujejo s hitrostjo, večjo od c. To ne krši relativnosti, ker ne gre za gibanje skozi prostor, temveč za širjenje samega prostora.
Kako vemo, da je c nespremenljiva in enaka za vse opazovalce
- Zgodnje meritve: Rømer je v 17. stoletju iz zakasnitev pri mrkih Jupitrove lune Io sklepno določil končno hitrost svetlobe. Fizeau (z nazobčanim kolesom) in Foucault (z vrtečim zrcalom) sta v 19. stoletju izmerila c v laboratoriju.
- Michelson–Morley: klasični poskus leta 1887 ni našel razlike v hitrosti svetlobe v različnih smereh, kar je spodbudilo razvoj posebne relativnosti.
- Moderni preizkusi: ultra-natančni laserski resonatorji, atomske ure, meritve na medplanetarnih razdaljah in opazovanja astrofizikalnih pojavov potrjujejo, da je dvopotna izmerjena hitrost svetlobe enaka v vseh smereh z izjemno natančnostjo. Opozorilo: t. i. enopotna hitrost je konceptualno odvisna od sinhronizacije ur, zato je neposredno ni mogoče izmeriti brez dodatnih konvencij.
Vloga v tehnologiji in vsakdanjih primerih
- Navigacija in čas: GPS in druge satelitske navigacije zahtevajo relativistične popravke (časovna dilatacija, gravitacijski potencial) in natančno znanje c, sicer bi nastale velike napake v položaju.
- Komunikacije: signali v optičnih vlaknih potujejo približno s 2/3 do 3/4 c (odvisno od vlakna), kar določa zakasnitve pri internetnih povezavah na velikih razdaljah.
- Metrologija: definicije enot v SI so zasidrane v konstantah, kot je c; to zagotavlja stabilnost in ponovljivost meritev po svetu.
Hitri ponazoritveni podatki
- Okoli Zemlje (obseg ~40 075 km) bi svetloba v vakuumu obkrožila približno 7,5-krat v eni sekundi.
- Od Zemlje do Lune potuje svetloba približno 1,28 sekunde.
- Od Sonca do Zemlje pride svetloba v približno 8 minutah in 20 sekundah.
Pogoste zmote
- “Nič ne more iti hitreje od svetlobe”: pravilneje je reči, da informacije, snov in energija v vakuumu ne morejo presegati c. Nekatere hitrosti (fazna, grupna, navidezna) lahko presežejo c, vendar ne prenašajo informacij.
- “Svetloba se v gravitaciji upočasni”: lokalno ne; c ostaja enaka. Opazovalne zakasnitve izvirajo iz ukrivljenosti prostora-časa in izbrane koordinatne opisne sheme.
Bistvo: c je temeljna konstanta, ki postavlja mejo hitrosti v naravi, povezuje prostor in čas, nastopa v enačbah E = mc2 in definira naše enote. Razumevanje njene vloge je ključno za fiziko, tehnologijo in natančne meritve v vsakdanjem življenju.
Primer
To vedenje se razlikuje od naših splošnih predstav o gibanju, kar je razvidno iz tega primera:
George stoji na tleh ob železniških tirih. Mimo drvi vlak s hitrostjo 48 km/h. George vrže žogico za baseball s hitrostjo 140 km/h (90 mph) v smeri, po kateri se premika vlak. Tom, potnik na vlaku, ima napravo (podobno radarski pištoli) za merjenje hitrosti metanja. Ker je na vlaku, se Tom že premika s hitrostjo 48 km/h (30 mph) v smeri meta, zato Tom izmeri hitrost žogice le 97 km/h (60 mph).
Z drugimi besedami, hitrost bejzbola, ki jo izmeri Tom na vlaku, je odvisna od hitrosti vlaka.
V zgornjem primeru se je vlak gibal z 1/3 hitrosti žoge, hitrost žoge, izmerjena na vlaku, pa je bila 2/3 hitrosti metanja, izmerjene na tleh.
Zdaj ponovite poskus s svetlobo namesto z bejzbolsko žogico; to pomeni, da ima George svetilko, namesto da bi vrgel bejzbolsko žogico. George in Tom imata enake naprave za merjenje hitrosti svetlobe (namesto radarske pištole v primeru z bejzbolko).
George stoji na tleh ob železniških tirih. Mimo drvi vlak s hitrostjo 1/3 svetlobne hitrosti. George s svetlobnim žarkom utripa v smeri, v kateri se premika vlak. George izmeri hitrost svetlobe 186 282 milj na sekundo (299 792 kilometrov na sekundo). Tom, potnik na vlaku, izmeri hitrost svetlobnega žarka. Kakšno hitrost izmeri Tom?
Intuitivno si lahko mislimo, da bi morala biti hitrost svetlobe iz svetilke, izmerjena na vlaku, enaka 2/3 hitrosti, izmerjene na tleh, tako kot je bila hitrost bejzbolske žogice 2/3. Toda dejansko je hitrost, izmerjena na vlaku, polna vrednost, 186 282 milj na sekundo (299 792 kilometrov na sekundo), in ne 124 188 milj na sekundo (199 861 kilometrov na sekundo).
Sliši se nemogoče, a to je tisto, kar se meri. Deloma zato, ker je svetloba energija, ki deluje in se giblje na povsem drugačen način kot snov ali trdni predmeti, kot je bejzbolska žogica.
Maxwellove enačbe so napovedale hitrost svetlobe in potrdile idejo Michaela Faradaya, da je svetloba elektromagnetno valovanje (način gibanja energije). Iz teh enačb je razvidno, da je hitrost svetlobe povezana z obratnim kvadratnim korenom iz prepustnosti prostega prostora, ε0, in prepustnosti prostega prostora, μ0:
c = 1 ε 0 μ 0 . {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}\ . } 
Posledica tega dejstva je, da nič ne more biti hitrejše od svetlobne hitrosti. Druga posledica je, da se bo objekt, ki ima maso, ne glede na to, koliko energije uporabimo za povečanje hitrosti, vedno bolj približeval, vendar nikoli ne bo dosegel svetlobne hitrosti. Te zamisli je na začetku 20. stoletja odkril Albert Einstein, ki je s svojim delom popolnoma spremenil naše razumevanje svetlobe.
Lomni količnik prozorne snovi je razmerje med hitrostjo svetlobe v vakuumu in hitrostjo svetlobe v tej snovi.
Merjenje
Rømer
Ole Christensen Rømer je z astronomsko meritvijo prvič kvantitativno ocenil hitrost svetlobe. Ko se Zemlja približuje planetu, so periode lun, ki krožijo okoli oddaljenega planeta, krajše, kot ko se Zemlja od planeta oddaljuje. Razdalja, ki jo prepotuje svetloba od planeta (ali njegove lune) do Zemlje, je krajša, ko je Zemlja na točki svoje tirnice, ki je najbližje planetu, kot ko je Zemlja na najbolj oddaljeni točki svoje tirnice; razlika v razdalji je enaka premeru Zemljine tirnice okoli Sonca. Opazovana sprememba Lunine tirnice je pravzaprav razlika v času, ki ga svetloba potrebuje za premagovanje krajše ali daljše razdalje. Rømer je ta učinek opazoval pri Jupitrovi najbolj notranji luni Io in sklepal, da svetloba potrebuje 22 minut, da prečka premer Zemljine tirnice.
Bradley
Druga metoda je uporaba aberacije svetlobe, ki jo je v 18. stoletju odkril in razložil James Bradley. Ta učinek je posledica vektorskega seštevanja hitrosti svetlobe, ki prihaja iz oddaljenega vira (na primer zvezde), in hitrosti opazovalca (glej diagram na desni). Gibajoči se opazovalec tako vidi svetlobo, ki prihaja iz nekoliko drugačne smeri, in posledično vidi vir v položaju, ki je zamaknjen glede na prvotni položaj. Ker se smer Zemljine hitrosti med kroženjem Zemlje okoli Sonca nenehno spreminja, se zaradi tega učinka navidezni položaj zvezd premika. Iz kotne razlike v položaju zvezd je mogoče izraziti hitrost svetlobe v obliki hitrosti Zemlje okoli Sonca. To lahko ob znani dolžini leta enostavno pretvorimo v čas, ki je potreben za potovanje od Sonca do Zemlje. Bradley je leta 1729 s to metodo izračunal, da svetloba potuje 10.210-krat hitreje kot Zemlja po svoji tirnici (sodobni podatek je 10.066-krat hitreje) ali, enakovredno, da bi svetloba za pot od Sonca do Zemlje potrebovala 8 minut in 12 sekund.
Sodobni
Danes se "svetlobni čas na enoto razdalje" - obratna vrednost c (1/c), izražena v sekundah na astronomsko enoto - meri s primerjavo časa, v katerem radijski signali dosežejo različna vesoljska plovila v Osončju. Položaj vesoljskih plovil se izračuna na podlagi gravitacijskih učinkov Sonca in različnih planetov. Z združitvijo številnih tovrstnih meritev se dobi najbolj ustrezna vrednost svetlobnega časa na enoto razdalje. Od leta 2009[posodobitev] je najboljša ocena, ki jo je potrdila Mednarodna astronomska zveza (IAU), naslednja:
svetlobni čas na enoto razdalje: 499.004783836(10) s
c = 0,00200398880410(4) AU/s
c = 173,144632674(3) AU/dan.
Relativna negotovost teh meritev je 0,02 dela na milijardo (2×10-11), kar je enako negotovosti meritev dolžine z interferometrijo na Zemlji. Ker je meter definiran kot dolžina, ki jo svetloba prepotuje v določenem časovnem intervalu, lahko meritev svetlobnega časa za enoto razdalje interpretiramo tudi kot meritev dolžine AU v metrih. Meter velja za enoto lastne dolžine, medtem ko se AU pogosto uporablja kot enota opazovane dolžine v danem referenčnem okviru.
Aberacija svetlobe: svetloba iz oddaljenega vira se zaradi končne hitrosti svetlobe pri premikajočem se teleskopu zdi, da prihaja z drugega mesta.
Praktični učinki
Končna hitrost svetlobe je glavna omejitev za potovanja v vesolje na dolge razdalje. Če bi potovali na drugo stran galaksije, bi bil skupni čas za sporočilo in odgovor nanj približno 200.000 let. Še bolj resno je, da nobeno vesoljsko plovilo ne more potovati hitreje od svetlobe, zato bi bil ves promet na galaktičnem območju dejansko enosmeren in bi trajal veliko dlje, kot obstaja katerakoli sodobna civilizacija.
Hitrost svetlobe je lahko zaskrbljujoča tudi na zelo kratkih razdaljah. V superračunalnikih je hitrost svetlobe omejitev, kako hitro je mogoče pošiljati podatke med procesorji. Če procesor deluje s hitrostjo 1 gigaherca, lahko signal v enem ciklu prepotuje največ 30 centimetrov. Zato morajo biti procesorji nameščeni blizu drug drugemu, da se čim bolj zmanjša zakasnitev komunikacije; to lahko povzroči težave pri hlajenju. Če se bodo taktne frekvence še naprej povečevale, bo hitrost svetlobe sčasoma postala omejitveni dejavnik za notranjo zasnovo posameznih čipov.
Vprašanja in odgovori
V: Kakšna je hitrost svetlobe?
O: Hitrost svetlobe, označena s "c", je fizikalna konstanta, ki je natanko 299 792 458 metrov na sekundo (983 571 056 čevljev na sekundo).
V: Kako je predstavljena hitrost svetlobe?
O: Hitrost svetlobe se običajno označuje s "c", v vakuumskem okolju pa s "c^0".
V: Kateri delci potujejo s svetlobno hitrostjo?
O: Fotoni (delci svetlobe) potujejo s to hitrostjo v vakuumu. Poleg tega vsi delci brez mase, kot so fotoni in z njimi povezana polja - vključno z elektromagnetnim sevanjem, kot je svetloba - potujejo s hitrostjo c ne glede na njihov vir ali inercialni referenčni okvir opazovalca.
V: Kaj pravi posebna teorija relativnosti o hitrosti svetlobe?
O: Po posebni teoriji relativnosti je c največja hitrost, s katero lahko v vesolju potujejo vsa energija, snov in fizikalne informacije. Prav tako pravi, da izmerjena hitrost svetlobe v vakuumu ostane nespremenjena ne glede na to, ali se njen vir ali opazovalec gibljeta drug glede na drugega.
V: Kako je c povezan s prostorom in časom?
O: V teoriji relativnosti c povezuje prostor in čas, saj se pojavlja v Einsteinovi slavni enačbi E = mc2. Ta enačba kaže, kako se lahko energija pretvori v maso in obratno.
V: Ali obstajajo dokazi, ki potrjujejo napoved posebne teorije relativnosti o izmerjeni hitrosti svetlobe?
O: Da - dosedanja opazovanja so potrdila to napoved, da ne glede na to, iz katerega referenčnega okvira jo opazujemo ali s kakšno hitrostjo potuje njen vir, izmerjena hitrost ostaja konstantna.
