Viteza luminii

Acest comportament este diferit de ideile noastre comune despre mișcare, după cum arată acest exemplu:

George se află pe jos, lângă niște șine de tren (cale ferată). Un tren trece în viteză cu 48 km/h (30 mph). George aruncă o minge de baseball cu 90 mph (140 km/h) în direcția în care se deplasează trenul. Tom, un pasager din tren, are un dispozitiv (ca un pistol radar) pentru a măsura viteza de aruncare. Pentru că se află în tren, Tom se deplasează deja cu 48 km/h în direcția de aruncare, astfel că Tom măsoară viteza mingii ca fiind de numai 97 km/h.

Cu alte cuvinte, viteza mingii de baseball, măsurată de Tom în tren, depinde de viteza trenului.

În exemplul de mai sus, trenul se deplasa cu 1/3 din viteza mingii, iar viteza mingii măsurată în tren era de 2/3 din viteza de aruncare măsurată pe sol.

Acum, repetați experimentul cu lumină în loc de o minge de baseball, adică George are o lanternă în loc să arunce o minge de baseball. George și Tom au amândoi dispozitive identice pentru a măsura viteza luminii (în loc de pistolul radar din exemplul cu mingea de baseball).

George se află pe jos, lângă niște șine de tren. Un tren trece cu o viteză de 1/3 din viteza luminii. George emite un fascicul de lumină în direcția în care se deplasează trenul. George măsoară viteza luminii ca fiind de 186.282 mile pe secundă (299.792 kilometri pe secundă). Tom, un pasager din tren, măsoară viteza fasciculului de lumină. Ce viteză măsoară Tom?

Intuitiv, cineva ar putea crede că viteza luminii lanternei măsurată în tren ar trebui să fie 2/3 din viteza măsurată pe sol, la fel cum viteza mingii de baseball a fost de 2/3. Dar, de fapt, viteza măsurată în tren este valoarea completă, 186,282 mile pe secundă (299,792 kilometri pe secundă), nu 124,188 mile pe secundă (199,861 kilometri pe secundă).

Sună imposibil, dar asta este ceea ce se măsoară. O parte a motivului este că lumina este energie care acționează și se mișcă în moduri foarte diferite de cele ale materiei sau ale obiectelor solide, cum ar fi o minge de baseball.

Ecuațiile lui Maxwell au prezis viteza luminii și au confirmat ideea lui Michael Faraday că lumina este o undă electromagnetică (un mod de deplasare a energiei). Din aceste ecuații, aflăm că viteza luminii este legată de inversul rădăcinii pătrate a permitivității spațiului liber, ε ₀, și a permeabilității spațiului liber, μ ₀:

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

O consecință a acestui fapt este că nimic nu poate merge mai repede decât viteza luminii. O altă consecință este că, în cazul obiectelor care au masă, indiferent de câtă energie este folosită pentru a crește viteza unui obiect, acesta se va apropia din ce în ce mai mult, dar nu va atinge niciodată viteza luminii. Aceste idei au fost descoperite la începutul anilor 1900 de Albert Einstein, a cărui lucrare a schimbat complet înțelegerea noastră despre lumină.

Indicele de refracție al unui material transparent este raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii în acel material.

Rømer

Ole Christensen Rømer a folosit o măsurătoare astronomică pentru a face prima estimare cantitativă a vitezei luminii. Atunci când sunt măsurate de pe Pământ, perioadele lunilor care orbitează în jurul unei planete îndepărtate sunt mai scurte atunci când Pământul se apropie de planetă decât atunci când Pământul se îndepărtează de aceasta. Distanța parcursă de lumină de la o planetă (sau de la luna acesteia) până la Pământ este mai scurtă atunci când Pământul se află în punctul din orbita sa cel mai apropiat de planetă decât atunci când Pământul se află în cel mai îndepărtat punct al orbitei sale, diferența de distanță fiind diametrul orbitei Pământului în jurul Soarelui. Schimbarea observată în perioada orbitală a Lunii este, de fapt, diferența de timp în care lumina are nevoie pentru a parcurge o distanță mai scurtă sau mai lungă. Rømer a observat acest efect pentru Io, cea mai interioară lună a lui Jupiter, și a dedus că lumina are nevoie de 22 de minute pentru a traversa diametrul orbitei Pământului.

Bradley

O altă metodă constă în utilizarea aberației luminii, descoperită și explicată de James Bradley în secolul al XVIII-lea. Acest efect rezultă din adunarea vectorială a vitezei luminii care sosește de la o sursă îndepărtată (cum ar fi o stea) și a vitezei observatorului său (a se vedea diagrama din dreapta). Astfel, un observator în mișcare vede lumina venind dintr-o direcție ușor diferită și, în consecință, vede sursa într-o poziție decalată față de poziția sa inițială. Deoarece direcția vitezei Pământului se schimbă continuu pe măsură ce Pământul orbitează în jurul Soarelui, acest efect face ca poziția aparentă a stelelor să se deplaseze. Pornind de la diferența unghiulară a poziției stelelor, este posibilă exprimarea vitezei luminii în funcție de viteza Pământului în jurul Soarelui. Aceasta, cu ajutorul lungimii cunoscute a unui an, poate fi ușor convertită în timpul necesar pentru a călători de la Soare la Pământ. În 1729, Bradley a folosit această metodă pentru a calcula că lumina călătorește de 10 210 ori mai repede decât Pământul pe orbita sa (cifra modernă este de 10 066 de ori mai rapidă) sau, în mod echivalent, că lumina ar avea nevoie de 8 minute și 12 secunde pentru a călători de la Soare la Pământ.

Modern

În prezent, "timpul luminii pentru unitatea de distanță" - inversul lui c (1/c), exprimat în secunde pe unitate astronomică - este măsurat prin compararea timpului în care semnalele radio ajung la diferite nave spațiale din sistemul solar. Poziția navelor spațiale este calculată în funcție de efectele gravitaționale ale Soarelui și ale diferitelor planete. Prin combinarea mai multor astfel de măsurători, se obține cea mai bună valoare de potrivire a timpului de lumină pe unitate de distanță. Începând cu 2009^{[actualizare], cea} mai bună estimare, aprobată de Uniunea Astronomică Internațională (IAU), este următoarea:

timpul de lumină pentru unitatea de distanță: 499.004783836(10) s

c = 0,0020039398880410(4) UA/s

c = 173,144632674(3) UA/zi.

Incertitudinea relativă a acestor măsurători este de 0,02 părți pe miliard (2×10⁻¹¹ ), echivalentă cu incertitudinea măsurătorilor de lungime prin interferometrie efectuate pe Pământ. Deoarece metrul este definit ca fiind lungimea parcursă de lumină într-un anumit interval de timp, măsurarea timpului de lumină pentru unitatea de distanță poate fi interpretată, de asemenea, ca o măsurătoare a lungimii unei UA în metri. Metrul este considerat a fi o unitate de lungime proprie, în timp ce UA este adesea utilizată ca unitate de lungime observată într-un anumit cadru de referință.

Viteza finită a luminii reprezintă o constrângere majoră pentru călătoriile spațiale pe distanțe lungi. Presupunând o călătorie până în cealaltă parte a Căii Lactee, timpul total pentru un mesaj și răspunsul acestuia ar fi de aproximativ 200.000 de ani. Și mai grav, nicio navă spațială nu ar putea călători mai repede decât lumina, astfel încât toate transporturile la scară galactică ar fi, de fapt, cu sens unic și ar dura mult mai mult decât a existat vreo civilizație modernă.

Viteza luminii poate fi, de asemenea, un motiv de îngrijorare pe distanțe foarte scurte. În cazul supercomputerelor, viteza luminii impune o limită în ceea ce privește viteza cu care pot fi trimise datele între procesoare. Dacă un procesor funcționează la o viteză de 1 gigahertz, un semnal poate parcurge doar maximum 30 de centimetri într-un singur ciclu. Prin urmare, procesoarele trebuie să fie plasate aproape unele de altele pentru a minimiza latențele de comunicare; acest lucru poate cauza dificultăți în ceea ce privește răcirea. Dacă frecvențele de ceas continuă să crească, viteza luminii va deveni în cele din urmă un factor limitativ pentru proiectarea internă a cipurilor unice.

• Experimentul Michelson-Morley