Šviesos greitis vakuume (c) — apibrėžimas ir konstanta 299 792 458 m/s
Sužinokite šviesos greitį vakuume (c): apibrėžimas, reikšmė reliatyvumo teorijoje ir konstanta 299 792 458 m/s — faktai, paaiškinimai ir pritaikymai.
Šviesos greitis tuščioje erdvėje yra fundamentali fizikinė konstanta. Fizikai šviesos greičiui vakuume dažnai žymi raide c. Pagal tarptautinę susitarimą c = 299 792 458 m/s (apie 300 000 km/s; 983 571 056 pėdų per sekundę). Tai yra tiksli, apibrėžta reikšmė — ne eksperimentinis netikslus rezultatas: nuo 1983 m. metras SI sistemoje apibrėžtas kaip atstumas, kurį šviesa nukeliauja vakuume per 1/299 792 458 sekundės.
Kas sklinda šiuo greičiu?
Vakuume fotonai (šviesos dalelės) sklinda greičiu c. Pagal specialųjį reliatyvumą, c yra didžiausias greitis, kuriuo gali judėti energija, materija ir fizinė informacija visatoje. Tai reiškia, kad visos masės neturinčios dalelės ir susiję laukai, įskaitant elektromagnetinę spinduliuotę (pvz., šviesą), vakuume sklinda būtent šiuo greičiu.
Reliatyvumo ryšys ir pasekmės
Specialioji reliatyvumo teorija susieja erdvę ir laiką ir nuo to kyla daug svarbių rezultatų: laikui ir ilgiui priklausomi efektai (laiko dilatacija, ilgio sutrumpėjimas), energijos ir masės ekvivalentiškumas (garsioji lygtis E = mc2) bei uždraudimas perduoti signalus greičiau nei c. Dabartinė teorija taip pat numato, kad gravitacinės bangos sklinda šiuo pačiu greičiu; tai patvirtina stebėjimai (pvz., LIGO/Virgo detekcijos).
Matuojama ir istorija
Žmogaus žinios apie šviesos greitį vystėsi per kelis šimtmečius: Ole Rømer dar XVII a. įvertino šviesos greitį stebėdamas Judėjos mėnulio Io užtemimus, Fizeau ir Foucault atliko tiesioginius judesio bandymus XIX a., o Michelson-Morley eksperimentas padėjo atmesti eterio idėją. Vėliau, reliatyvumo teorija ir vis tikslesni eksperimentai patvirtino invariantiškumą. Dabar c laikoma tiksliai žinoma konstanta: matavimai ir metrologiniai susitarimai įtraukė ją į SI vienetus.
Praktiniai pavyzdžiai ir skaičiai
- Šviesa nuo Saulės iki Žemės nukeliauja maždaug per 8 min. 19 sek. (apie 499 sek.).
- 1 šviesmečiai ≈ 9,4607 × 1015 m — atstumas, kurį šviesa nukeliauja per vienerius žemės metus.
- Signalo kelionė tarp Žemės ir Marsą priklauso nuo padėties — nuo kelių iki keliolikos minučių, nes atstumas matuojamas milijonais kilometrų.
Šviesos greitis medijoje ir informacijos perdavimas
SVARBU: nurodytas greitis yra vakuume. Medijoje, tokioje kaip stiklas ar optinis pluoštas, šviesos fazės ar grupės greitis sumažėja dėl refrakcijos — paprastai v = c/n, kur n yra medijos refrakcijos rodiklis. Kai kuriose medijose grupės arba fazės greitis gali laikinais atvejais viršyti c, tačiau tai nekeičia priežastingumo — jokios naudingos informacijos negali būti perduota greičiau nei c.
Teorinės ribos ir eksotika
Pagal esamas teorijas dalelės, turinčios masę, negali pasiekti c (tam reikėtų begalinės energijos). Hipotetinės dalelės, vadinamos tachionais, būtų greitesnės už šviesą, bet jų egzistavimas prieštarauja daugeliui gerai patikrintų fizikos principų ir neturi eksperimentinio palaikymo.
Santrauka
Šviesos greitis vakuume (c) — tai universalus kosminis greitis, lygus 299 792 458 m/s, esminis fizikos dydis, susiejantis erdvę ir laiką, ribojantis informacijos perdavimą visatoje ir naudojamas kaip pagrindinis SI vienetų apibrėžimo elementas. Jis yra vienodas visose inercinėse atskaitos sistemose ir yra kertinis elementas tiek elektromagnetinės teorijos, tiek reliatyvumo reguliavimui bei šiuolaikinei metrologijai.
Pavyzdys
Kaip matyti iš šio pavyzdžio, toks elgesys skiriasi nuo mūsų įprastų įsivaizdavimų apie judėjimą:
Džordžas stovi ant žemės šalia geležinkelio bėgių. Pro juos 30 mylių per valandą (48 km/h) greičiu lekia traukinys. Džordžas meta beisbolo kamuoliuką 90 mylių per valandą (140 km/h) greičiu traukinio judėjimo kryptimi. Traukinio keleivis Tomas turi prietaisą (panašų į radarą) metimo greičiui matuoti. Kadangi jis yra traukinyje, Tomas jau juda 30 mph (48 km/h) greičiu metimo kryptimi, todėl Tomas išmatuoja tik 60 mph (97 km/h) kamuoliuko greitį.
Kitaip tariant, beisbolo kamuoliuko greitis, kurį išmatuoja traukinyje esantis Tomas, priklauso nuo traukinio greičio.
Pirmiau pateiktame pavyzdyje traukinys judėjo 1/3 kamuolio greičio, o kamuolio greitis, išmatuotas traukinyje, buvo 2/3 metimo greičio, išmatuoto ant žemės.
Dabar pakartokite eksperimentą su šviesa vietoj beisbolo kamuoliuko, t. y. Džordžas vietoj beisbolo kamuoliuko mėto žibintuvėlį. Tiek Džordžas, tiek Tomas turi vienodus prietaisus šviesos greičiui matuoti (vietoj beisbolo kamuolio pavyzdžio radaro pistoleto).
Džordžas stovi ant žemės šalia traukinio bėgių. Pro juos 1/3 šviesos greičio greičiu lekia traukinys. Džordžas mirkteli šviesos spinduliu traukinio judėjimo kryptimi. Džordžas išmatuoja 186 282 mylių per sekundę (299 792 kilometrų per sekundę) šviesos greitį. Traukinio keleivis Tomas išmatuoja šviesos spindulio greitį. Kokį greitį išmatuoja Tomas?
Intuityviai galima manyti, kad žibintuvėlio šviesos greitis, išmatuotas traukinyje, turėtų būti 2/3 greičio, išmatuoto ant žemės, kaip ir beisbolo kamuoliuko greitis buvo 2/3. Tačiau iš tikrųjų traukinyje išmatuotas greitis yra visa vertė - 186 282 mylios per sekundę (299 792 kilometrai per sekundę), o ne 124 188 mylios per sekundę (199 861 kilometras per sekundę).
Tai skamba neįmanomai, bet būtent tai ir matuojama. Iš dalies dėl to, kad šviesa yra energija, kuri veikia ir juda visai kitaip nei materija ar kieti objektai, pavyzdžiui, beisbolo kamuolys.
Maksvelo lygtys numatė šviesos greitį ir patvirtino Maiklo Faradėjaus idėją, kad šviesa yra elektromagnetinė banga (energijos judėjimo būdas). Iš šių lygčių sužinome, kad šviesos greitis yra susijęs su atvirkštine laisvosios erdvės skvarbos ε0 ir laisvosios erdvės pralaidumo μ0 kvadratine šaknimi:
c = 1 ε 0 μ 0 . {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}\ . } 
Šio fakto pasekmė yra ta, kad niekas negali judėti greičiau už šviesos greitį. Kita pasekmė yra ta, kad nesvarbu, kiek energijos bus panaudota objekto greičiui padidinti, objektas vis labiau priartės, bet niekada nepasieks šviesos greičio. Šias idėjas XX a. pradžioje atrado Albertas Einšteinas, kurio darbai visiškai pakeitė mūsų supratimą apie šviesą.
Skaidrios medžiagos lūžio rodiklis yra santykis tarp šviesos greičio vakuume ir šviesos greičio toje medžiagoje.
Matavimas
Rømer
Ole Christensenas Rømeris, naudodamas astronominius matavimus, pirmą kartą kiekybiškai įvertino šviesos greitį. Matuojant iš Žemės, mėnulių, skriejančių aplink tolimą planetą, periodai yra trumpesni, kai Žemė artėja prie planetos, nei kai Žemė nuo jos tolsta. Atstumas, kurį šviesa įveikia nuo planetos (arba jos mėnulio) iki Žemės, yra trumpesnis, kai Žemė yra arčiausiai planetos esančiame savo orbitos taške, negu kai Žemė yra tolimiausiame savo orbitos taške; atstumo skirtumas yra Žemės orbitos aplink Saulę skersmuo. Stebimas Mėnulio orbitos periodo pokytis iš tikrųjų yra laiko, per kurį šviesa įveikia trumpesnį ar ilgesnį atstumą, skirtumas. Römeris šį efektą stebėjo vidiniame Jupiterio mėnulyje Io ir padarė išvadą, kad šviesa Žemės orbitos skersmenį įveikia per 22 minutes.
Bradley
Kitas metodas - naudoti šviesos aberaciją, kurią XVIII a. atrado ir paaiškino Jamesas Bradley. Šis efektas atsiranda dėl to, kad iš tolimo šaltinio (pvz., žvaigždės) sklindančios šviesos greičio ir stebėtojo greičio vektorių suma (žr. diagramą dešinėje). Taigi judantis stebėtojas mato šviesą, sklindančią iš šiek tiek kitokios krypties, todėl šaltinį mato pasislinkusį nuo pradinės padėties. Kadangi Žemės greičio kryptis nuolat kinta Žemei skriejant aplink Saulę, dėl šio efekto tariamoji žvaigždžių padėtis keičiasi. Iš žvaigždžių padėties kampinio skirtumo galima išreikšti šviesos greitį Žemės greičiu aplink Saulę. Šį laiką, žinant metų ilgį, galima nesunkiai perskaičiuoti į laiką, reikalingą kelionei nuo Saulės iki Žemės. 1729 m. Bredlis šiuo metodu išvedė, kad šviesa skrieja 10 210 kartų greičiau nei Žemė savo orbita (šiuolaikinis rodiklis yra 10 066 kartus greičiau), arba kad šviesa nuo Saulės iki Žemės nukeliauja per 8 minutes 12 sekundžių.
Šiuolaikinis
Šiuo metu "šviesos laikas atstumo vienetui" - atvirkštinė c (1/c) vertė, išreiškiama sekundėmis vienam astronominiam vienetui - matuojamas lyginant laiką, per kurį radijo signalai pasiekia skirtingus Saulės sistemos erdvėlaivius. Erdvėlaivių padėtis apskaičiuojama pagal Saulės ir įvairių planetų gravitacinį poveikį. Sujungus daugybę tokių matavimų, gaunama geriausiai atitinkanti šviesos laiko, tenkančio vienam atstumo vienetui, vertė. Nuo 2009 m.[atnaujinta] Tarptautinės astronomų sąjungos (IAU) patvirtintas geriausias įvertis yra toks:
šviesos laikas, tenkantis atstumo vienetui: 499.004783836(10) s
c = 0,00200398880410(4) AU/s
c = 173,144632674(3) AU per dieną.
Santykinė šių matavimų neapibrėžtis yra 0,02 dalys milijardui (2×10-11), t. y. lygiavertė ilgio matavimų Žemėje interferometrijos metodu neapibrėžčiai. Kadangi metras apibrėžiamas kaip ilgis, kurį šviesa nueina per tam tikrą laiko tarpą, šviesos laiko matavimo atstumo vienetui rezultatai taip pat gali būti interpretuojami kaip AU ilgio matavimas metrais. Metras laikomas tikrojo ilgio vienetu, o AU dažnai naudojamas kaip stebimo ilgio vienetas tam tikroje atskaitos sistemoje.
Šviesos aberacija: dėl ribinio šviesos greičio šviesa iš tolimo šaltinio judančiam teleskopui atrodo esanti kitoje vietoje.
Praktinis poveikis
Ribinis šviesos greitis yra pagrindinis apribojimas keliaujant dideliais atstumais. Tarkime, jei keliautume į kitą Pieno kelio pusę, bendras pranešimo ir atsakymo į jį laikas būtų apie 200 000 metų. Dar rimčiau - joks erdvėlaivis negalėtų keliauti greičiau už šviesą, todėl visas galaktinio masto transportas iš tikrųjų būtų vienpusis ir truktų daug ilgiau, nei egzistuoja bet kuri šiuolaikinė civilizacija.
Šviesos greitis taip pat gali kelti susirūpinimą labai mažais atstumais. Superkompiuteriuose šviesos greitis riboja duomenų siuntimo tarp procesorių greitį. Jei procesorius veikia 1 gigahercų dažniu, signalas per vieną ciklą gali nukeliauti ne daugiau kaip 30 cm. Todėl procesoriai turi būti išdėstyti arti vienas kito, kad būtų sumažintas ryšio uždelsimas; dėl to gali kilti aušinimo sunkumų. Jei taktinis dažnis ir toliau didės, šviesos greitis ilgainiui taps ribojančiu veiksniu atskirų lustų vidiniam dizainui.
Susiję puslapiai
Klausimai ir atsakymai
K: Koks yra šviesos greitis?
Atsakymas: Šviesos greitis, žymimas "c", yra fizikinė konstanta, kuri yra lygiai 299 792 458 metrai per sekundę (983 571 056 pėdų per sekundę).
K: Kaip vaizduojamas šviesos greitis?
A: Šviesos greitis paprastai žymimas "c", o vakuuminėje terpėje - "c^0".
K: Kokios dalelės skrieja šviesos greičiu?
A: Šiuo greičiu vakuume keliauja fotonai (šviesos dalelės). Be to, visos masės neturinčios dalelės, pavyzdžiui, fotonai ir su jais susiję laukai, įskaitant elektromagnetinę spinduliuotę, pavyzdžiui, šviesą, keliauja greičiu c, nepriklausomai nuo jų šaltinio ar stebėtojo inercinės atskaitos sistemos.
K: Ką specialusis reliatyvumas teigia apie šviesos greitį?
A: Pagal specialųjį reliatyvumą c yra didžiausias greitis, kuriuo visatoje gali judėti visa energija, materija ir fizinė informacija. Taip pat teigiama, kad išmatuotas šviesos greitis vakuume išlieka nepakitęs, nepriklausomai nuo to, ar šviesos šaltinis, ar stebėtojas juda vienas kito atžvilgiu.
K: Kaip c siejasi su erdve ir laiku?
A: Reliatyvumo teorijoje c susieja erdvę ir laiką, nes yra Einšteino garsiojoje lygtyje E = mc2. Ši lygtis parodo, kaip energija gali būti paverčiama mase ir atvirkščiai.
Klausimas: Ar yra kokių nors įrodymų, patvirtinančių specialiojo reliatyvumo prognozę dėl išmatuoto šviesos greičio?
Atsakymas: Taip - iki šiol stebėjimai patvirtino šią prognozę, kad nesvarbu, iš kokios atskaitos sistemos stebima šviesa ar kokiu greičiu keliauja jos šaltinis, išmatuotas greitis išlieka pastovus.
Ieškoti