Rýchlosť svetla je doteraz najneobvyklejšia meraná veličina. Prvým človekom, ktorý sa pokúsil vysvetliť fenomén šírenia svetla, bol Albert Einstein. Práve on prišiel so známym vzorcom E = mc² , Kde E je celková energia tela, m- omša a c- rýchlosť svetla vo vákuu.
Vzorec bol prvýkrát publikovaný v časopise Annalen der Physik v roku 1905. Približne v rovnakom čase Einstein predložil teóriu o tom, čo by sa stalo s telom pohybujúcim sa absolútnou rýchlosťou. Na základe skutočnosti, že rýchlosť svetla je konštantná veličina, dospel k záveru, že priestor a čas sa musia meniť.
Objekt sa teda rýchlosťou svetla bude donekonečna zmenšovať, jeho hmotnosť donekonečna narastať a čas sa prakticky zastaví.
V roku 1977 bolo možné vypočítať rýchlosť svetla 299 792 458 ± 1,2 metra za sekundu. Pre hrubšie výpočty sa vždy predpokladá hodnota 300 000 km/s. Z tejto hodnoty vychádzajú všetky ostatné kozmické dimenzie. Takto sa objavil pojem „svetelný rok“ a „parsek“ (3,26 svetelného roka).
Nie je možné sa pohybovať rýchlosťou svetla, tým menej ju prekonať. Aspoň v tomto štádiu ľudského vývoja. Na druhej strane autori sci-fi sa tento problém snažia na stránkach svojich románov riešiť už asi 100 rokov. Snáď sa raz sci-fi stane realitou, pretože ešte v 19. storočí Jules Verne predpovedal vzhľad helikoptéry, lietadla a elektrického kresla a potom to bola čistá sci-fi!
Umelcovo znázornenie vesmírnej lode, ktorá preskočila na „rýchlosť svetla“. Poďakovanie: NASA/Glenn Research Center.
Od staroveku sa filozofi a vedci snažili pochopiť svetlo. Okrem toho, že sa snažili určiť jej základné vlastnosti (t. j. či ide o časticu alebo vlnu atď.), snažili sa aj o konečné merania rýchlosti jej pohybu. Od konca 17. storočia to vedci robia presne a s narastajúcou presnosťou.
Získali tak lepšie pochopenie mechaniky svetla a toho, ako hrá dôležitú úlohu vo fyzike, astronómii a kozmológii. Jednoducho povedané, svetlo sa šíri neuveriteľnou rýchlosťou a je najrýchlejšie sa pohybujúcim objektom vo vesmíre. Jeho rýchlosť je stála a nepreniknuteľná bariéra a používa sa ako miera vzdialenosti. Ale ako rýchlo sa pohybuje?
Rýchlosť svetla (s):
Svetlo sa pohybuje konštantnou rýchlosťou 1 079 252 848,8 km/h (1,07 miliardy). Čo vyjde na 299 792 458 m/s. Dajme všetko na svoje miesto. Ak by ste mohli cestovať rýchlosťou svetla, mohli by ste obehnúť zemeguľu asi sedem a pol krát za sekundu. Medzitým by človeku letiacemu priemernou rýchlosťou 800 km/h trvalo viac ako 50 hodín, kým by obletela planétu.
Ilustrácia zobrazujúca vzdialenosť, ktorú svetlo prechádza medzi Zemou a Slnkom. Kredit: LucasVB/Public Domain.
Pozrime sa na to z astronomického hľadiska, priemerná vzdialenosť od do 384 398,25 km. Preto svetlo prejde túto vzdialenosť asi za sekundu. Medzitým je priemer 149 597 886 km, čo znamená, že svetlu trvá táto cesta len asi 8 minút.
Niet divu, prečo je rýchlosť svetla metrikou používanou na určenie astronomických vzdialeností. Keď hovoríme, že hviezda, ako je , je vzdialená 4,25 svetelných rokov, máme na mysli, že cesta konštantnou rýchlosťou 1,07 miliardy km/h by trvala asi 4 roky a 3 mesiace, kým by sa tam dostala. Ale ako sme dospeli k tejto veľmi špecifickej hodnote rýchlosti svetla?
História štúdia:
Až do 17. storočia boli vedci presvedčení, že svetlo sa šíri konečnou rýchlosťou alebo okamžite. Od čias starých Grékov až po stredovekých islamských teológov a moderných učencov sa vedú diskusie. Ale kým sa neobjavila práca dánskeho astronóma Ole Roemera (1644-1710), v ktorej sa uskutočnili prvé kvantitatívne merania.
V roku 1676 Römer pozoroval, že periódy najvnútornejšieho mesiaca Jupitera Io sa javili kratšie, keď sa Zem približovala k Jupiteru, ako keď sa vzďaľovala. Z toho dospel k záveru, že svetlo sa pohybuje konečnou rýchlosťou a odhaduje sa, že prekročenie priemeru obežnej dráhy Zeme trvá asi 22 minút.
Profesor Albert Einstein na 11. prednáške Josiaha Willarda Gibbsa na Carnegie Institute of Technology 28. decembra 1934, kde vysvetľuje svoju teóriu, že hmota a energia sú to isté v rôznych formách. Poďakovanie: AP Photo.
Christiaan Huygens použil tento odhad a spojil ho s odhadom priemeru obežnej dráhy Zeme, aby dospel k odhadu 220 000 km/s. Isaac Newton tiež informoval o Roemerových výpočtoch vo svojom kľúčovom diele z roku 1706 Optika. Po úprave vzdialenosti medzi Zemou a Slnkom vypočítal, že svetlu bude trvať sedem alebo osem minút, kým prejde z jedného na druhé. V oboch prípadoch došlo k relatívne malej chybe.
Neskoršie merania francúzskych fyzikov Hippolyte Fizeau (1819-1896) a Léon Foucault (1819-1868) tieto údaje spresnili, čo viedlo k hodnote 315 000 km/s. A v druhej polovici 19. storočia si vedci uvedomili súvislosť medzi svetlom a elektromagnetizmom.
Dosiahli to fyzici meraním elektromagnetických a elektrostatických nábojov. Potom zistili, že číselná hodnota bola veľmi blízka rýchlosti svetla (ako ju nameral Fizeau). Na základe vlastnej práce, ktorá ukázala, že elektromagnetické vlny sa šíria v prázdnom priestore, nemecký fyzik Wilhelm Eduard Weber navrhol, že svetlo je elektromagnetické vlnenie.
Ďalší veľký zlom nastal na začiatku 20. storočia. Albert Einstein vo svojom článku s názvom „O elektrodynamike pohybujúcich sa telies“ uvádza, že rýchlosť svetla vo vákuu, meraná pozorovateľom s konštantnou rýchlosťou, je rovnaká vo všetkých inerciálnych referenčných sústavách a je nezávislá od pohybu telesa. zdroj alebo pozorovateľ.
Laserový lúč žiariaci cez pohár vody ukazuje, koľko zmien prechádza zo vzduchu do pohára do vody a späť do vzduchu. Poďakovanie: Bob King.
Na základe tohto tvrdenia a Galileovho princípu relativity ako základ odvodil Einstein špeciálnu teóriu relativity, v ktorej je rýchlosť svetla vo vákuu (c) základnou konštantou. Predtým bola medzi vedcami dohoda, že priestor je vyplnený „svetelným éterom“, ktorý bol zodpovedný za jeho šírenie – t.j. svetlo pohybujúce sa cez pohybujúce sa médium sa bude ťahať v chvoste média.
To zase znamená, že nameraná rýchlosť svetla by bola jednoduchým súčtom jeho rýchlosti cez médium plus rýchlosti tohto média. Einsteinova teória však urobila koncept stacionárneho éteru zbytočným a zmenila koncept priestoru a času.
Nielenže presadila myšlienku, že rýchlosť svetla je rovnaká vo všetkých inerciálnych sústavách, ale tiež naznačila, že veľké zmeny nastanú, keď sa veci pohybujú blízko rýchlosti svetla. Patrí medzi ne časopriestorový rámec pohybujúceho sa telesa, ktorý sa zdá byť spomalený, a smer pohybu, keď je meranie z pohľadu pozorovateľa (t. j. relativistická dilatácia času, kde sa čas spomaľuje, keď sa blíži rýchlosti svetla) .
Jeho pozorovania tiež súhlasia s Maxwellovými rovnicami pre elektrinu a magnetizmus so zákonmi mechaniky, zjednodušujú matematické výpočty tým, že sa vyhýbajú nesúvisiacim argumentom iných vedcov a sú v súlade s priamym pozorovaním rýchlosti svetla.
Ako podobné sú si hmota a energia?
V druhej polovici 20. storočia stále presnejšie merania pomocou laserových interferometrov a rezonančných dutín ďalej spresňovali odhady rýchlosti svetla. V roku 1972 skupina v americkom národnom úrade pre štandardy v Boulderi v Colorade použila laserovú interferometriu na dosiahnutie aktuálne akceptovanej hodnoty 299 792 458 m/s.
Úloha v modernej astrofyzike:
Einsteinova teória, že rýchlosť svetla vo vákuu nezávisí od pohybu zdroja a inerciálnej vzťažnej sústavy pozorovateľa, bola odvtedy vždy potvrdená mnohými experimentmi. Stanovuje tiež hornú hranicu rýchlosti, ktorou sa všetky bezhmotné častice a vlny (vrátane svetla) môžu pohybovať vo vákuu.
Jedným z výsledkov toho je, že kozmológie teraz vidia priestor a čas ako jedinú štruktúru známu ako časopriestor, v ktorej možno rýchlosť svetla použiť na určenie hodnoty oboch (t. j. svetelných rokov, svetelných minút a svetelných sekúnd). Meranie rýchlosti svetla môže byť tiež dôležitým faktorom pri určovaní zrýchlenia rozpínania vesmíru.
Začiatkom 20. rokov 20. storočia si vďaka pozorovaniam Lemaîtra a Hubblea vedci a astronómovia uvedomili, že vesmír sa od svojho vzniku rozširuje. Hubble si tiež všimol, že čím ďalej je galaxia, tým rýchlejšie sa pohybuje. To, čo sa dnes nazýva Hubbleova konštanta, je rýchlosť, ktorou sa vesmír rozširuje, rovná sa 68 km/s za megaparsek.
Ako rýchlo sa vesmír rozširuje?
Tento jav prezentovaný ako teória znamená, že niektoré galaxie sa môžu v skutočnosti pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla, čo by mohlo obmedziť to, čo pozorujeme v našom vesmíre. Galaxie, ktoré sa pohybujú rýchlejšie ako rýchlosť svetla, by v podstate prekročili „obzor kozmologických udalostí“, kde už nie sú pre nás viditeľné.
Okrem toho v 90. rokoch merania červeného posunu vzdialených galaxií ukázali, že expanzia vesmíru sa za posledných niekoľko miliárd rokov zrýchľovala. To viedlo k teórii „temnej energie“, kde neviditeľná sila poháňa expanziu samotného priestoru, a nie predmety, ktoré sa ním pohybujú (bez obmedzenia rýchlosti svetla alebo narušenia relativity).
Spolu so špeciálnou a všeobecnou teóriou relativity sa moderná hodnota rýchlosti svetla vo vákuu vyvinula z kozmológie, kvantovej mechaniky a štandardného modelu časticovej fyziky. Zostáva konštantná, pokiaľ ide o hornú hranicu, pri ktorej sa môžu bezhmotné častice pohybovať, a zostáva nedosiahnuteľnou bariérou pre častice s hmotnosťou.
Pravdepodobne raz nájdeme spôsob, ako prekročiť rýchlosť svetla. Aj keď nemáme žiadne praktické predstavy o tom, ako by sa to mohlo stať, zdá sa, že „inteligentné peniaze“ v technológii nám umožnia obísť zákony časopriestoru, a to buď vytvorením warp bublín (aka. Alcubierre warp drive) alebo tunelovaním cez ne (aka. červie diery).
Čo sú to červie diery?
Dovtedy sa jednoducho budeme musieť uspokojiť s vesmírom, ktorý vidíme, a držať sa skúmania časti, do ktorej sa dá dostať konvenčnými metódami.
Názov článku, ktorý čítate "Aká je rýchlosť svetla?".
Rýchlosť svetla je absolútna hodnota rýchlosti šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu. Vo fyzike sa tradične označuje latinským písmenom „c“ (vyslovuje sa [tse]). Rýchlosť svetla vo vákuu je základná konštanta, ktorá nezávisí od výberu inerciálnej referenčnej sústavy (IFR). Vzťahuje sa na základné fyzikálne konštanty, ktoré charakterizujú nielen jednotlivé telá, ale aj vlastnosti časopriestoru ako celku. Podľa moderných koncepcií je rýchlosť svetla vo vákuu maximálnou rýchlosťou pohybu častíc a šírenia interakcií. Dôležitý je aj fakt, že táto hodnota je absolútna. Toto je jeden z postulátov SRT.
Vo vákuu (prázdno)
V roku 1977 bolo možné vypočítať približnú rýchlosť svetla rovnajúcu sa 299 792 458 ± 1,2 m/s, vypočítanú na základe štandardného metra z roku 1960. V súčasnosti sa verí, že rýchlosť svetla vo vákuu je základná fyzikálna konštanta, podľa definície presne rovná 299 792 458 m/s, alebo približne 1 079 252 848,8 km/h. Presná hodnota je spôsobená skutočnosťou, že od roku 1983 sa za štandardný meter považuje vzdialenosť, ktorú svetlo prejde vo vákuu za časový úsek rovnajúci sa 1/299 792 458 sekundy. Rýchlosť svetla je symbolizovaná písmenom c.
Michelsonov experiment, základný pre SRT, ukázal, že rýchlosť svetla vo vákuu nezávisí ani od rýchlosti svetelného zdroja, ani od rýchlosti pozorovateľa. V prírode sa rýchlosťou svetla šíria:
skutočné viditeľné svetlo
iné druhy elektromagnetického žiarenia (rádiové vlny, röntgenové žiarenie atď.)
Zo špeciálnej teórie relativity vyplýva, že zrýchlenie častíc s pokojovou hmotnosťou na rýchlosť svetla je nemožné, pretože by táto udalosť porušila základný princíp kauzality. To znamená, že je vylúčené, aby signál prekročil rýchlosť svetla alebo pohyb hmoty takouto rýchlosťou. Teória však nevylučuje pohyb častíc v časopriestore nadsvetelnou rýchlosťou. Hypotetické častice pohybujúce sa nadsvetelnou rýchlosťou sa nazývajú tachyóny. Matematicky tachyóny ľahko zapadajú do Lorentzovej transformácie – sú to častice s imaginárnou hmotnosťou. Čím vyššia je rýchlosť týchto častíc, tým menej energie nesú a naopak, čím je ich rýchlosť bližšie k rýchlosti svetla, tým väčšia je ich energia – rovnako ako energia obyčajných častíc, aj energia tachyónov má tendenciu k nekonečnu ako blížia sa rýchlosti svetla. Toto je najzreteľnejší dôsledok Lorentzovej transformácie, ktorá nedovoľuje častici zrýchliť sa na rýchlosť svetla – je jednoducho nemožné dodať častici nekonečné množstvo energie. Malo by byť zrejmé, že po prvé, tachyóny sú triedou častíc a nie jedným typom častíc, a po druhé, žiadna fyzikálna interakcia sa nemôže šíriť rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Z toho vyplýva, že tachyóny neporušujú princíp kauzality – nijako neinteragujú s bežnými časticami a rozdiel v ich rýchlostiach medzi nimi sa tiež nerovná rýchlosti svetla.
Bežné častice, ktoré sa pohybujú pomalšie ako svetlo, sa nazývajú tardyóny. Tardioni nemôžu dosiahnuť rýchlosť svetla, ale iba sa k nemu ľubovoľne priblížiť, pretože v tomto prípade sa ich energia stáva neobmedzene veľkou. Všetky tardyóny majú pokojovú hmotnosť, na rozdiel od bezhmotných fotónov a gravitónov, ktoré sa vždy pohybujú rýchlosťou svetla.
V Planckových jednotkách je rýchlosť svetla vo vákuu 1, to znamená, že svetlo prejde 1 jednotku Planckovej dĺžky za jednotku Planckovho času.
V transparentnom prostredí
Rýchlosť svetla v priehľadnom prostredí je rýchlosť, ktorou sa svetlo pohybuje v inom prostredí ako vo vákuu. V médiu s disperziou sa rozlišujú fázové a skupinové rýchlosti.
Fázová rýchlosť súvisí s frekvenciou a vlnovou dĺžkou monochromatického svetla v médiu (λ=c/ν). Táto rýchlosť je zvyčajne (ale nie nevyhnutne) nižšia ako c. Pomer fázovej rýchlosti svetla vo vákuu k rýchlosti svetla v médiu sa nazýva index lomu média. Skupinová rýchlosť svetla v rovnovážnom prostredí je vždy menšia ako c. V nerovnovážnych médiách však môže prekročiť c. V tomto prípade sa však predná hrana impulzu stále pohybuje rýchlosťou nepresahujúcou rýchlosť svetla vo vákuu.
Armand Hippolyte Louis Fizeau experimentálne dokázal, že pohyb média vzhľadom na svetelný lúč je tiež schopný ovplyvniť rýchlosť šírenia svetla v tomto médiu.
Negácia postulátu o maximálnej rýchlosti svetla
V posledných rokoch sa často objavujú správy, že pri takzvanej kvantovej teleportácii sa interakcia šíri rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Napríklad 15. augusta 2008 výskumná skupina doktora Nicolasa Gisina zo Ženevskej univerzity, ktorá študovala viazané stavy fotónov vzdialené 18 km vo vesmíre, údajne ukázala, že „interakcie medzi časticami sa vyskytujú rýchlosťou približne stotisíckrát väčšia ako rýchlosť Sveta“. Predtým sa hovorilo aj o takzvanom Hartmannovom paradoxe – nadsvetelnej rýchlosti s tunelovým efektom.
Vedecká analýza významu týchto a podobných výsledkov ukazuje, že v zásade nemôžu byť použité na superluminálny prenos akéhokoľvek signálu alebo pohybu hmoty.
História meraní rýchlosti svetla
Starovekí vedci až na zriedkavé výnimky považovali rýchlosť svetla za nekonečnú. V modernej dobe sa táto otázka stala predmetom diskusií. Galileo a Hooke priznali, že je konečný, aj keď veľmi veľký, zatiaľ čo Kepler, Descartes a Fermat stále obhajovali nekonečnosť rýchlosti svetla.
Prvý odhad rýchlosti svetla uviedol Olaf Roemer (1676). Všimol si, že keď sú Zem a Jupiter na opačných stranách Slnka, zatmenie Jupiterovho satelitu Io sa oneskorí o 22 minút v porovnaní s výpočtami. Z toho dostal hodnotu pre rýchlosť svetla asi 220 000 km/s – nepresnú, ale blízku skutočnosti. O polstoročie neskôr objav aberácie umožnil potvrdiť konečnosť rýchlosti svetla a spresniť jej hodnotenie.
Dávno predtým, ako vedci zmerali rýchlosť svetla, museli tvrdo pracovať, aby definovali samotný pojem „svetlo“. Ako jeden z prvých na to myslel Aristoteles, ktorý považoval svetlo za akúsi pohyblivú substanciu šíriacu sa v priestore. Jeho starorímsky kolega a nasledovník Lucretius Carus trval na atómovej štruktúre svetla.
Do 17. storočia sa sformovali dve hlavné teórie podstaty svetla – korpuskulárna a vlnová. Newton bol jedným z prívržencov prvého. Podľa jeho názoru všetky svetelné zdroje vyžarujú drobné častice. Počas „letu“ tvoria svetelné čiary - lúče. Jeho oponent, holandský vedec Christiaan Huygens, trval na tom, že svetlo je typ vlnenia.
V dôsledku stáročných sporov dospeli vedci ku konsenzu: obe teórie majú právo na život a svetlo je okom viditeľné spektrum elektromagnetických vĺn.
Trochu histórie. Ako sa merala rýchlosť svetla?
Väčšina starovekých vedcov bola presvedčená, že rýchlosť svetla je nekonečná. Výsledky výskumu Galilea a Hooka však umožnili jeho extrémnu povahu, čo jasne potvrdil v 17. storočí vynikajúci dánsky astronóm a matematik Olaf Roemer.
Svoje prvé merania urobil pozorovaním zatmení Io, satelitu Jupitera, v čase, keď sa Jupiter a Zem nachádzali na opačných stranách vzhľadom na Slnko. Roemer zaznamenal, že keď sa Zem vzdialila od Jupitera o vzdialenosť rovnajúcu sa priemeru obežnej dráhy Zeme, čas oneskorenia sa zmenil. Maximálna hodnota bola 22 minút. V dôsledku výpočtov dostal rýchlosť 220 000 km / s.
O 50 rokov neskôr v roku 1728 anglický astronóm J. Bradley vďaka objavu aberácie tento údaj „spresnil“ na 308 000 km/s. Neskôr zmerali rýchlosť svetla francúzski astrofyzici François Argot a Leon Foucault a získali výkon 298 000 km/s. Ešte presnejšiu techniku merania navrhol tvorca interferometra, slávny americký fyzik Albert Michelson.
Michelsonov experiment na určenie rýchlosti svetla
Experimenty trvali od roku 1924 do roku 1927 a pozostávali z 5 sérií pozorovaní. Podstata experimentu bola nasledovná. Na Mount Wilson v okolí Los Angeles bol inštalovaný zdroj svetla, zrkadlo a otočný osemhranný hranol a o 35 km neskôr na Mount San Antonio bolo inštalované odrazové zrkadlo. Najprv svetlo cez šošovku a štrbinu dopadá na hranol otáčajúci sa vysokorýchlostným rotorom (rýchlosťou 528 ot./s).
Účastníci experimentov si mohli nastaviť rýchlosť otáčania tak, aby bol obraz svetelného zdroja v okuláre dobre viditeľný. Keďže vzdialenosť medzi vrcholmi a frekvencia rotácie boli známe, Michelson určil rýchlosť svetla - 299 796 km/s.
O rýchlosti svetla sa vedci definitívne rozhodli v druhej polovici 20. storočia, kedy vznikli masery a lasery, vyznačujúce sa najvyššou stabilitou frekvencie žiarenia. Začiatkom 70-tych rokov klesla chyba merania na 1 km/s. Výsledkom bolo, že na odporúčanie XV. Generálnej konferencie pre váhy a miery, ktorá sa konala v roku 1975, sa rozhodlo predpokladať, že rýchlosť svetla vo vákuu je teraz rovná 299792,458 km/s.
Je rýchlosť svetla pre nás dosiahnuteľná?
Je zrejmé, že prieskum vzdialených kútov vesmíru je nemysliteľný bez vesmírnych lodí letiacich obrovskou rýchlosťou. Najlepšie rýchlosťou svetla. Ale je to možné?
Rýchlosť svetelnej bariéry je jedným z dôsledkov teórie relativity. Ako viete, zvýšenie rýchlosti vyžaduje zvýšenie energie. Rýchlosť svetla by vyžadovala prakticky nekonečnú energiu.
Bohužiaľ, fyzikálne zákony sú kategoricky proti. Pri rýchlosti kozmickej lode 300 000 km/s sa k nej letiace častice, napríklad atómy vodíka, premenia na smrtiaci zdroj silného žiarenia rovnajúceho sa 10 000 sievertom/s. To je približne to isté, ako keby ste boli vo vnútri Veľkého hadrónového urýchľovača.
Podľa vedcov z Univerzity Johnsa Hopkinsa neexistuje v prírode primeraná ochrana pred takýmto monštruóznym kozmickým žiarením. Skazu lode zavŕši erózia z účinkov medzihviezdneho prachu.
Ďalším problémom s rýchlosťou svetla je dilatácia času. Staroba bude oveľa dlhšia. Skreslené bude aj zorné pole, v dôsledku čoho bude trajektória lode prechádzať ako v tuneli, na konci ktorého posádka uvidí žiarivý záblesk. Za loďou bude úplná tma.
Takže v blízkej budúcnosti bude musieť ľudstvo obmedziť svoju rýchlosť „chuť do jedla“ na 10% rýchlosti svetla. To znamená, že let k najbližšej hviezde k Zemi, Proxima Centauri (4,22 svetelného roka), bude trvať asi 40 rokov.
V 19. storočí sa uskutočnilo niekoľko vedeckých experimentov, ktoré viedli k objaveniu množstva nových javov. Medzi tieto javy patrí objav Hansa Oersteda o generovaní magnetickej indukcie elektrickým prúdom. Neskôr Michael Faraday objavil opačný efekt, ktorý sa nazýval elektromagnetická indukcia.
Rovnice Jamesa Maxwella – elektromagnetická povaha svetla
V dôsledku týchto objavov bola zaznamenaná takzvaná „interakcia na diaľku“, čo viedlo k novej teórii elektromagnetizmu formulovanej Wilhelmom Weberom, ktorá bola založená na pôsobení na veľké vzdialenosti. Neskôr Maxwell definoval pojem elektrických a magnetických polí, ktoré sa môžu navzájom generovať, čo je elektromagnetická vlna. Následne Maxwell vo svojich rovniciach použil takzvanú „elektromagnetickú konštantu“ - s.
V tom čase sa už vedci priblížili skutočnosti, že svetlo má elektromagnetickú povahu. Fyzikálny význam elektromagnetickej konštanty je rýchlosť šírenia elektromagnetických vzruchov. Na prekvapenie samotného Jamesa Maxwella sa nameraná hodnota tejto konštanty v experimentoch s jednotkovými nábojmi a prúdmi ukázala ako rovná rýchlosti svetla vo vákuu.
Pred týmto objavom ľudstvo oddelilo svetlo, elektrinu a magnetizmus. Maxwellovo zovšeobecnenie nám umožnilo nový pohľad na povahu svetla, ako určitého fragmentu elektrických a magnetických polí, ktoré sa šíria nezávisle v priestore.
Na obrázku nižšie je znázornená schéma šírenia elektromagnetickej vlny, ktorá je tiež svetlom. Tu je H vektor intenzity magnetického poľa, E je vektor intenzity elektrického poľa. Oba vektory sú kolmé na seba, ako aj na smer šírenia vlny.
Michelsonov experiment - absolútnosť rýchlosti svetla
Vtedajšia fyzika bola z veľkej časti postavená na Galileovom princípe relativity, podľa ktorého zákony mechaniky vyzerajú rovnako v akejkoľvek zvolenej inerciálnej vzťažnej sústave. Zároveň by podľa sčítania rýchlostí mala rýchlosť šírenia závisieť od rýchlosti zdroja. V tomto prípade by sa však elektromagnetická vlna správala odlišne v závislosti od výberu referenčnej sústavy, čo porušuje Galileov princíp relativity. Maxwellova zdanlivo dobre vytvorená teória bola teda v neistom stave.
Experimenty ukázali, že rýchlosť svetla skutočne nezávisí od rýchlosti zdroja, čo znamená, že je potrebná teória, ktorá dokáže vysvetliť takýto zvláštny fakt. Najlepšou teóriou v tom čase bola teória „éteru“ - určitého média, v ktorom sa šíri svetlo, rovnako ako zvuk sa šíri vzduchom. Potom by rýchlosť svetla nebola určená rýchlosťou pohybu zdroja, ale charakteristikou samotného média – éteru.
Na objavenie éteru sa uskutočnilo mnoho experimentov, z ktorých najznámejší je experiment amerického fyzika Alberta Michelsona. Stručne povedané, je známe, že Zem sa pohybuje vo vesmíre. Potom je logické predpokladať, že sa pohybuje aj éterom, keďže úplná pripútanosť éteru k Zemi nie je len najvyšším stupňom egoizmu, ale jednoducho nemôže byť ničím spôsobená. Ak sa Zem pohybuje určitým prostredím, v ktorom sa šíri svetlo, potom je logické predpokladať, že tu prebieha sčítanie rýchlostí. To znamená, že šírenie svetla musí závisieť od smeru pohybu Zeme, ktorá letí éterom. V dôsledku svojich experimentov Michelson nezistil žiadny rozdiel medzi rýchlosťou šírenia svetla v oboch smeroch od Zeme.
Tento problém sa pokúsil vyriešiť holandský fyzik Hendrik Lorentz. Podľa jeho predpokladu „éterický vietor“ ovplyvňoval telá tak, že sa v smere pohybu zmenšovali. Na základe tohto predpokladu Zem aj Michelsonov prístroj zaznamenali túto Lorentzovu kontrakciu, v dôsledku ktorej Albert Michelson získal rovnakú rýchlosť šírenia svetla v oboch smeroch. A hoci sa Lorentzovi podarilo do istej miery oddialiť smrť éterovej teórie, vedci sa stále domnievali, že táto teória je „pritiahnutá“. Éter teda mal mať množstvo „rozprávkových“ vlastností, vrátane stavu beztiaže a absencie odporu voči pohybujúcim sa telesám.
Koniec histórie éteru nastal v roku 1905 vydaním článku „O elektrodynamike pohybujúcich sa telies“ od vtedy málo známeho Alberta Einsteina.
Špeciálna teória relativity Alberta Einsteina
Dvadsaťšesťročný Albert Einstein vyjadril úplne nový, odlišný pohľad na povahu priestoru a času, ktorý bol v rozpore s dobovými predstavami a najmä hrubo porušoval Galileov princíp relativity. Podľa Einsteina Michelsonov experiment nepriniesol pozitívne výsledky z toho dôvodu, že priestor a čas majú také vlastnosti, že rýchlosť svetla je absolútna hodnota. To znamená, že bez ohľadu na to, v akej referenčnej sústave sa pozorovateľ nachádza, rýchlosť svetla voči nemu je vždy rovnaká, 300 000 km/s. Z toho vyplynula nemožnosť aplikovania sčítania rýchlostí vo vzťahu k svetlu – nech sa svetelný zdroj pohybuje akokoľvek rýchlo, rýchlosť svetla sa nezmení (pridať ani ubrať).
Einstein použil Lorentzovu kontrakciu na opis zmien parametrov telies pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. Napríklad dĺžka takýchto telies sa zníži a ich vlastný čas sa spomalí. Koeficient takýchto zmien sa nazýva Lorentzov faktor. Slávny Einsteinov vzorec E=mc 2 v skutočnosti zahŕňa aj Lorentzov faktor ( E= ymc 2), čo sa vo všeobecnosti rovná jednote v prípade, keď je rýchlosť tela v rovná nule. Keď sa rýchlosť tela blíži v na rýchlosť svetla c Lorentzov faktor r rúti sa do nekonečna. Z toho vyplýva, že na zrýchlenie telesa na rýchlosť svetla bude potrebné nekonečné množstvo energie, a preto nie je možné prekročiť tento rýchlostný limit.
V prospech tohto tvrdenia existuje aj argument nazývaný „relatívnosť simultánnosti“.
Paradox relativity simultánnosti SRT
Stručne povedané, fenoménom relativity simultánnosti je, že hodiny, ktoré sa nachádzajú v rôznych bodoch priestoru, môžu bežať „v rovnakom čase“, ak sú v rovnakej inerciálnej referenčnej sústave. To znamená, že čas na hodinách závisí od výberu referenčného systému.
Z toho vyplýva paradox, že udalosť B, ktorá je dôsledkom udalosti A, môže nastať súčasne s ňou. Okrem toho je možné zvoliť referenčné systémy tak, že udalosť B nastane skôr ako udalosť A, ktorá ju spôsobila Takýto jav porušuje princíp kauzality, ktorý je vo vede dosť pevne zakorenený a nikdy nebol spochybnený. Táto hypotetická situácia sa však pozoruje iba v prípade, keď je vzdialenosť medzi udalosťami A a B väčšia ako časový interval medzi nimi vynásobený „elektromagnetickou konštantou“ - s. Teda konštanta c, ktorá sa rovná rýchlosti svetla, je maximálna rýchlosť prenosu informácií. V opačnom prípade by bol porušený princíp kauzality.
Ako sa meria rýchlosť svetla?
Postrehy Olafa Roemera
Starovekí vedci väčšinou verili, že svetlo sa pohybuje nekonečnou rýchlosťou a prvý odhad rýchlosti svetla bol získaný už v roku 1676. Dánsky astronóm Olaf Roemer pozoroval Jupiter a jeho mesiace. V momente, keď sa Zem a Jupiter nachádzali na opačných stranách Slnka, sa zatmenie Jupiterovho mesiaca Io oneskorilo o 22 minút oproti vypočítanému času. Jediné riešenie, ktoré Olaf Roemer našiel, je, že rýchlosť svetla je limitujúca. Z tohto dôvodu sú informácie o pozorovanej udalosti oneskorené o 22 minút, pretože prejdenie vzdialenosti od satelitu Io k astronómovmu ďalekohľadu trvá určitý čas. Podľa Roemerových výpočtov bola rýchlosť svetla 220 000 km/s.
Pozorovania Jamesa Bradleyho
V roku 1727 objavil anglický astronóm James Bradley fenomén svetelnej aberácie. Podstatou tohto javu je, že keď sa Zem pohybuje okolo Slnka, ako aj počas vlastnej rotácie Zeme, pozorujeme posun hviezd na nočnej oblohe. Keďže pozemský pozorovateľ a samotná Zem neustále menia svoj smer pohybu voči pozorovanej hviezde, svetlo vyžarované hviezdou prechádza v priebehu času rôzne vzdialenosti a dopadá v rôznych uhloch k pozorovateľovi. Obmedzená rýchlosť svetla vedie k tomu, že hviezdy na oblohe opisujú elipsu počas celého roka. Tento experiment umožnil Jamesovi Bradleymu odhadnúť rýchlosť svetla – 308 000 km/s.
Zážitok Louisa Fizeaua
V roku 1849 uskutočnil francúzsky fyzik Louis Fizeau laboratórny experiment na meranie rýchlosti svetla. Fyzik nainštaloval zrkadlo v Paríži vo vzdialenosti 8 633 metrov od zdroja, no podľa Roemerových výpočtov prejde svetlo túto vzdialenosť za stotisíciny sekundy. Takáto presnosť hodiniek bola vtedy nedosiahnuteľná. Fizeau potom použil ozubené koleso, ktoré sa otáčalo na ceste od zdroja k zrkadlu a od zrkadla k pozorovateľovi, ktorého zuby periodicky blokovali svetlo. V prípade, že svetelný lúč zo zdroja do zrkadla prešiel pomedzi zuby a na ceste späť zasiahol zub, fyzik zdvojnásobil rýchlosť otáčania kolesa. Keď sa rýchlosť otáčania kolesa zvýšila, svetlo takmer prestalo miznúť, až kým rýchlosť otáčania nedosiahla 12,67 otáčok za sekundu. V tej chvíli svetlo opäť zmizlo.
Takéto pozorovanie znamenalo, že svetlo neustále „narážalo“ do zubov a nemalo čas „vkĺznuť“ medzi ne. Fizeau, ktorý poznal rýchlosť otáčania kolesa, počet zubov a dvojnásobnú vzdialenosť od zdroja k zrkadlu, vypočítal rýchlosť svetla, ktorá sa rovnala 315 000 km/s.
O rok neskôr ďalší francúzsky fyzik Leon Foucault uskutočnil podobný experiment, v ktorom namiesto ozubeného kolesa použil rotujúce zrkadlo. Hodnota, ktorú získal pre rýchlosť svetla vo vzduchu, bola 298 000 km/s.
O storočie neskôr bola Fizeauova metóda vylepšená natoľko, že podobný experiment, ktorý v roku 1950 uskutočnil E. Bergstrand, priniesol hodnotu rýchlosti 299 793,1 km/s. Toto číslo sa líši len o 1 km/s od aktuálnej hodnoty rýchlosti svetla.
Ďalšie merania
S príchodom laserov a zvyšovaním presnosti meracích prístrojov sa podarilo znížiť chybu merania až na 1 m/s. V roku 1972 teda americkí vedci použili na svoje experimenty laser. Meraním frekvencie a vlnovej dĺžky laserového lúča sa im podarilo získať hodnotu 299 792 458 m/s. Je pozoruhodné, že ďalšie zvýšenie presnosti merania rýchlosti svetla vo vákuu nebolo možné kvôli technickým nedokonalostiam prístrojov, ale kvôli chybe samotnej normy merača. Z tohto dôvodu v roku 1983 XVII. Generálna konferencia pre váhy a miery definovala meter ako vzdialenosť, ktorú svetlo prejde vo vákuu za čas rovnajúci sa 1/299 792 458 sekundy.
Poďme si to zhrnúť
Takže zo všetkého vyššie uvedeného vyplýva, že rýchlosť svetla vo vákuu je základná fyzikálna konštanta, ktorá sa objavuje v mnohých základných teóriách. Táto rýchlosť je absolútna, to znamená, že nezávisí od výberu referenčného systému a tiež sa rovná maximálnej rýchlosti prenosu informácií. Touto rýchlosťou sa pohybujú nielen elektromagnetické vlny (svetlo), ale aj všetky bezhmotné častice. Vrátane, pravdepodobne, gravitónu, častice gravitačných vĺn. Okrem iného v dôsledku relativistických efektov sa vlastný čas svetla doslova zastaví.
Takéto vlastnosti svetla, najmä nepoužiteľnosť princípu pridávania rýchlostí k nemu, nesedia do hlavy. Mnohé experimenty však potvrdzujú vlastnosti uvedené vyššie a množstvo základných teórií je založených práve na tejto povahe svetla.
