Hitrost svetlobe: 299 792 458 m/s – definicija in pomen v relativnosti

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.

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.

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.

• Michelson-Morleyjev poskus