Prędkość światła

Prędkość światła w pustej przestrzeni jest uniwersalną stałą fizyczną. Oznacza to, że jest ona wszędzie taka sama w pustej przestrzeni i nie zmienia się z czasem. Fizycy często używają litery c do określenia prędkości światła w pustej przestrzeni (próżni). Z definicji jest to dokładnie 299,792,458 metrów na sekundę (983,571,056 stóp na sekundę). Foton (cząstka światła) przemieszcza się z tą prędkością w próżni.

Zgodnie ze szczególną względnością, c jest maksymalną prędkością, z jaką może podróżować cała energia, materia i informacja fizyczna we wszechświecie. Jest to prędkość wszystkich bezmasowych cząstek, takich jak fotony, oraz związanych z nimi pól, w tym promieniowania elektromagnetycznego, takiego jak światło w próżni.

Według obecnej teorii jest to prędkość grawitacji (czyli fal grawitacyjnych). Takie cząstki i fale przemieszczają się w c niezależnie od ruchu źródła lub inercyjnego układu odniesienia obserwatora. W teoriiwzględności, c łączy w sobie przestrzeń i czas, i pojawia się w słynnym równaniu równoważności masa-energia E = mc2.

Szczególna teoria względności opiera się na przewidywaniu, podtrzymywanym dotychczas przez obserwacje, że zmierzona prędkość światła w próżni jest taka sama bez względu na to, czy źródło światła i osoba dokonująca pomiaru poruszają się względem siebie. Czasami jest to wyrażane jako "prędkość światła jest niezależna od ramy odniesienia".



Przykład

Zachowanie to różni się od naszych wspólnych wyobrażeń na temat ruchu, jak pokazano na tym przykładzie:

George stoi na ziemi obok niektórych torów kolejowych (kolejowych). Pociąg pędzi z prędkością 48 km/h (30 mph). George rzuca piłkę baseballową z prędkością 90 mph (140 km/h) w kierunku, w którym porusza się pociąg. Tomek, pasażer pociągu, ma urządzenie (jak pistolet radarowy) do pomiaru prędkości rzutów. Ponieważ jest w pociągu, Tomek już jedzie z prędkością 30 mph (48 km/h) w kierunku rzutu, więc Tomek mierzy prędkość piłki tylko jako 60 mph (97 km/h).

Innymi słowy, prędkość baseballa, mierzona przez Toma w pociągu, zależy od prędkości pociągu.

W powyższym przykładzie pociąg poruszał się z prędkością 1/3 prędkości piłki, a prędkość piłki mierzona na pociągu wynosiła 2/3 prędkości rzutu mierzonej na podłoże.

Teraz powtórzyć eksperyment ze światłem zamiast z baseballem; to znaczy, że George ma latarkę zamiast rzucać baseballem. George i Tom mają takie same urządzenia do pomiaru prędkości światła (zamiast radaru w przykładzie baseballa).

George stoi na ziemi obok niektórych torów kolejowych. Jest tam pociąg pędzący z prędkością 1/3 prędkości światła. George miga promieniem światła w kierunku, w którym porusza się pociąg. George mierzy prędkość światła na 186,282 mil na sekundę (299,792 kilometrów na sekundę). Tomek, pasażer pociągu, mierzy prędkość wiązki światła. Jaką prędkość mierzy Tomek?

Intuicyjnie można pomyśleć, że prędkość światła z latarki mierzona w pociągu powinna wynosić 2/3 prędkości mierzonej na ziemi, podobnie jak prędkość baseballa 2/3. Ale w rzeczywistości, prędkość mierzona w pociągu jest pełną wartością, 186.282 mil na sekundę (299.792 kilometrów na sekundę), a nie 124.188 mil na sekundę (199.861 kilometrów na sekundę).

Brzmi to niemożliwie, ale to jest to, co się mierzy. Po części dlatego, że światło jest energią, która działa i porusza się w sposób bardzo różny od materii lub obiektów stałych, takich jak baseball.

Równania Maxwella przewidywały prędkość światła i potwierdziły ideę Michaela Faradaya, że światło to fala elektromagnetyczna (sposób przemieszczania się energii). Z równań tych wynika, że prędkość światła jest związana z odwrotnością pierwiastka kwadratowego dopuszczalności wolnej przestrzeni, ε0, oraz przepuszczalności wolnej przestrzeni, μ0:

c = 1 ε 0 μ 0 . {\i1}Displaystyle c{\i1}frac {\i1}sqrt {\i1}varepsilon _{0}mu _0}}}}\i0} . } {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}\ .}

Konsekwencją tego faktu jest to, że nic nie może jechać szybciej niż prędkość światła. Kolejną konsekwencją jest to, że dla obiektów, które mają masę, bez względu na to, ile energii zużywa się do zwiększenia prędkości obiektu, będzie on coraz bliżej, ale nigdy nie osiągnie prędkości światła. Idee te zostały odkryte na początku XIX wieku przez Alberta Einsteina, którego praca całkowicie zmieniła nasze rozumienie światła.

Współczynnik załamania światła przezroczystego materiału jest to stosunek prędkości światła w próżni do prędkości światła w tym materiale.



Pomiar

Rømer

Ole Christensen Rømer zastosował pomiar astronomiczny, aby dokonać pierwszej ilościowej oceny prędkości światła. Przy pomiarze z Ziemi, okresy księżyców krążących wokół odległej planety są krótsze, gdy Ziemia zbliża się do planety, niż gdy Ziemia się od niej cofa. Odległość światła od planety (lub jej księżyca) do Ziemi jest krótsza, gdy Ziemia znajduje się w punkcie swojej orbity najbliższym swojej planecie, niż gdy Ziemia znajduje się w najdalszym punkcie swojej orbity, przy czym różnica w odległości jest równa średnicy orbity Ziemi wokół Słońca. Obserwowana zmiana w okresie orbitalnym Księżyca jest w rzeczywistości różnicą w czasie potrzebnym do pokonania krótszej lub dłuższej odległości. Rømer zaobserwował ten efekt dla najbardziej wewnętrznego Księżyca Io Jowisza i wydedukował, że światło potrzebuje 22 minut na przekroczenie średnicy orbity Ziemi.

Bradley

Inną metodą jest wykorzystanie aberracji światła, odkrytej i wyjaśnionej przez Jamesa Bradleya w XVIII wieku. Efekt ten wynika z dodania wektora prędkości światła docierającego z odległego źródła (takiego jak gwiazda) oraz prędkości jego obserwatora (patrz diagram po prawej stronie). Ruchomy obserwator widzi więc światło przychodzące z nieco innego kierunku i w konsekwencji widzi źródło w pozycji przesuniętej w stosunku do pozycji wyjściowej. Ponieważ kierunek prędkości Ziemi zmienia się nieustannie w miarę jak Ziemia krąży wokół Słońca, efekt ten powoduje pozorne przesunięcie pozycji gwiazd. Z różnicy kątowej w położeniu gwiazd można wyrazić prędkość światła w kategoriach prędkości Ziemi wokół Słońca. Prędkość tę, o znanej długości roku, można łatwo przeliczyć na czas potrzebny do podróży od Słońca do Ziemi. W 1729 r. Bradley użył tej metody, aby określić, że światło podróżowało 10.210 razy szybciej niż Ziemia na swojej orbicie (współczesna liczba wynosi 10.066 razy szybciej) lub, odpowiednio, że podróż ze Słońca na Ziemię zajęłaby 8 minut 12 sekund.

Nowoczesny

Obecnie "czas świetlny na jednostkę odległości" - odwrotność c (1/c), wyrażona w sekundach na jednostkę astronomiczną - jest mierzony poprzez porównanie czasu, w którym sygnały radiowe docierają do różnych statków kosmicznych w Układzie Słonecznym. Pozycja statku kosmicznego jest obliczana na podstawie efektów grawitacyjnych Słońca i różnych planet. Łącząc wiele takich pomiarów, uzyskuje się najlepszą wartość dla czasu świetlnego na jednostkę odległości. Według stanu na rok 2009[aktualizacja], najlepszym szacunkiem, zatwierdzonym przez Międzynarodową Unię Astronomiczną (IAU), jest:

czas oświetlenia dla odległości jednostki: 499.004783836(10) s

c = 0,00200398880410(4) AU/s

c = 173,144632674(3) AU/dzień.

Względna niepewność w tych pomiarach wynosi 0,02 części na miliard (2×10-11), co odpowiada niepewności w pomiarach długości Ziemi metodą interferometryczną. Ponieważ metr jest zdefiniowany jako długość pokonana przez światło w określonym przedziale czasu, pomiar czasu świetlnego dla jednostki odległości może być również interpretowany jako pomiar długości AU w metrach. Metr jest uważany za jednostkę odpowiedniej długości, podczas gdy AU jest często używany jako jednostka długości obserwowanej w danym zakresie odniesienia.



Aberracja światła: światło z odległego źródła wydaje się pochodzić z innego miejsca niż teleskop ruchomy ze względu na skończoną prędkość światła.
Aberracja światła: światło z odległego źródła wydaje się pochodzić z innego miejsca niż teleskop ruchomy ze względu na skończoną prędkość światła.

Praktyczne efekty

Skończona prędkość światła jest głównym ograniczeniem dla podróży kosmicznych na duże odległości. Zakładając podróż na drugą stronę Drogi Mlecznej, całkowity czas na przesłanie i jego odpowiedź wynosiłby około 200.000 lat. Co jeszcze poważniejsze, żaden statek kosmiczny nie mógłby podróżować szybciej niż światło, więc cały transport na skalę galaktyczną byłby skutecznie jednokierunkowy i trwałby znacznie dłużej niż jakakolwiek współczesna cywilizacja.

Prędkość światła może być również niepokojąca na bardzo krótkich dystansach. W superkomputerach prędkość światła narzuca ograniczenie na szybkość przesyłania danych pomiędzy procesorami. Jeśli procesor pracuje z prędkością 1 gigaherców, sygnał może przebyć maksymalnie około 30 centymetrów (1 ft) w jednym cyklu. Dlatego procesory muszą być umieszczone blisko siebie, aby zminimalizować opóźnienia w komunikacji; może to powodować trudności z chłodzeniem. Jeśli częstotliwości taktowania będą nadal rosły, prędkość światła stanie się w końcu czynnikiem ograniczającym wewnętrzną konstrukcję pojedynczych chipów.



Powiązane strony




AlegsaOnline.com - 2020 / 2021 - License CC3