Prędkość światła – Dlaczego taka ważna?

Już Galileusz próbował dokonać pierwszego pomiaru prędkości światła. W tym celu wraz ze swoim pomocnikiem udali się za miasto na dwa odległe wzgórza. Sama próba polegała na odsłanianiu i zasłanianiu latarni, jednak ze względu na ogromną prędkość światła i bardzo duży błąd pomiaru, skazana była na niepowodzenie. Galileusz oszacował tylko, że prędkość światła – skończona bądź nie – jest znacznie większa niż 30 km/s, w czym oczywiście się nie mylił.

W 1676 astronom Ole Rømer podał pierwsze dowody skończonej prędkości światła. Obliczenia oparł na obserwacji zaćmień satelity Jowisza, które gdy Jowisz oddalał się od Ziemi były rzadziej, niż gdy się zbliżał.

W 1728 roku angielski astronom James Bradley, mierząc paralaksę roczną najjaśniejszej gwiazdy gwiazdozbioru Smoka, odkrył zjawisko aberracji światła. Polega ono na pozornych wahaniach położenia gwiazd na niebie w ciągu roku. Bradley wytłumaczył ten efekt geometrycznym złożeniem prędkości orbitalnej Ziemi i prędkości światła od gwiazdy, co dzięki znajomości orbitalnej prędkości Ziemi pozwoliło mu na oszacowanie wartości prędkości światła od obserwowanej gwiazdy na 301 000 km/s.

W XIX wieku odkryliśmy laboratoryjne sposoby mierzenia prędkości światła, co spowodowało istny renesans badań w tej dziedzinie. Maxwell dokonał unifikacji oddziaływań elektrycznych i magnetycznych, wprowadzone przez niego w 1861 roku równania Maxwella pokazały, że pole elektryczne i magnetyczne rozchodzą się w próżni z prędkością światła w postaci fali. W 1907 roku Albert Michelson otrzymał Nagrodę Nobla za bardzo dokładne pomiary prędkości światła.

 

Prędkość światła w ośrodkach materialnych

Fala elektromagnetyczna osiąga swoją maksymalną prędkość, prędkość światła, w próżni, natomiast poruszając się przez różne ośrodki materialne, takie jak szkło, może poruszać się wolniej. Dzieje się tak, mimo że bezmasowe fotony składające się no to światło nie mogą poruszać się wolniej niż z prędkością c, ponieważ fotony poruszające się przez ośrodek materialny trafiają w atomy go budujące, zostają pochłonięte i wypuszczone po pewnym czasie. W wyniku tego średnia prędkość fotonów złożona z prędkości światła oraz zupełnego postoju w atomach jest mniejsza. Takie jest klasyczne wytłumaczenie tego zagadnienia. W wyjątkowych sytuacjach, gdy naładowane ciało porusza się szybciej od prędkości światła w danym ośrodku, emituje ono promieniowanie Czerenkowa.

 

Zmiana definicji metra

W XX wieku poznaliśmy wartość prędkości światła z dokładnością do wielu miejsc po przecinku, jednakże w 1983 roku na Generalnej Konferencji Miar i Wag zmieniono definicję metra, w taki sposób, by zmienić wartość tej fundamentalnej stałej, ucinając jej nieskończone rozwinięcie dziesiętne, cyfry po przecinku. Od tamtego roku, poprzez nową definicję metra opartą na prędkości światła oraz sekundzie, jedna z najważniejszych stałych fizycznych we wszechświecie ma postać liczby naturalnej (plus jednostki), 299 792 458 m/s. Tym sposobem ludzkość uprościła stałą fizyczną za pomocą manipulacji jednostkami.

 

Znaczenie prędkości światła

Ale dlaczego ta stała fizyczna jest tak ważna? Jest tak, ponieważ na początku XX wieku okazało się, że jest to prędkość graniczna w naszym Wszechświecie. Żadne ciało obdarzone masą nigdy nie będzie w stanie rozpędzić się do tak zawrotnej prędkości, ponieważ im bliżej tej prędkości, tym bardziej będzie rósł opór do rozpędzania się poprzez wzrost masy obiektu. By rozpędzić dowolne, masywne ciało do tej prędkości potrzebujemy nieskończonej ilości energii. Oznacza to, że prędkość światła jest ograniczeniem, którego nie da się przekroczyć.

Co więcej, stała podniesiona do kwadratu znajduje się w znanym wzorze Einsteina, łącząc ze sobą masę oraz energię, które okazały się być przejawem tego samego. I tak na przykład masy cząstek elementarnych podaje się w ich energiach podzielonych przez prędkość światła do kwadratu, zamiast w kilogramach, ponieważ jest to wygodniejsze.

Warto wspomnieć jeszcze o tym, że prędkość światła pomnożona razy jednostkę urojoną oraz czas tworzy czwarty wymiar w czasoprzestrzeni Minkowskiego, czy o tym, że jest wykorzystywana w efekcie Dopplera, dzięki czemu potrafimy ocenić prędkość gwiazd na niebie oddalonych od nas o lata świetlne.

 

Artykuł powstał na podstawie filmu na kanale Wyprowadzić Wszechświat, który od niedawna prowadzę. Kanał działa w pewnej symbiozie z artykułami, które piszę na portalu AstroNET, znaleźć będzie można tam filmy popularnonaukowe o tematyce astrofizycznej, wyprowadzanie podstawowych praw fizyki na tablicy czy inne rzeczy z tym związane, chętnych zapraszam.

Autor

Szymon Ryszkowski

Redaktor AstroNETu, członek projektu CREDO, praktyki w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN, członek Klubu Astronomicznego Almukantarat, współtwórca edukacyjnej gry planszowej Solar System Voyager, uczeń technikum informatycznego w Jastrzębiu-Zdroju.