1. Scroll
  2. /
  3. Technologia
  4. /
  5. Jaka jest prędkość światła? Wszystko o prędkości światła

Technologia

1 miesiąc temu

Jaka jest prędkość światła? Wszystko o prędkości światła

Nauka
10
1
0
10
1

Prędkość światła nie bez przyczyny nosi miano najważniejszej wartości we Wszechświecie. Choć tak złożone zagadnienie trudno ogarnąć umysłem, zdecydowanie warto spróbować – stanowi ono klucz do zrozumienia wielu prawideł otaczającej nas rzeczywistości.

Co to jest prędkość światła i ile wynosi?

Prędkość światła określa prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni lub ośrodku materialnym. Wartość ta mierzona w próżni jest największą, maksymalną prędkością oddziaływania znaną człowiekowi – wynosi 299 792 458 m/s. W tych warunkach jest także stałą fizyczną (oznaczoną symbolem c). Termin ten oznacza, że prędkość światła w próżni jest niezmienna niezależnie od zmian inercjalnych układów odniesienia czy np. częstotliwości fali.

prędkość światła

Duży wkład w nasze współczesne postrzeganie prędkości światła wniosła teoria względności, której autorem był Albert Einstein. W jednym z postulatów zauważył on, że prędkość światła jest stała i wynosi c. Stan ma być prawdziwy dla dowolnego układu odniesienia. Pomimo wielu badań do dziś nie możemy uzyskać żadnego wyniku, który podważałby teorię genialnego naukowca, zdaje się więc, że prędkość światła jako stała fizyczna pozostanie z nami na znacznie dłużej.

Od czego zależy prędkość światła?

Przenoszące fale elektromagnetyczne grupy cząstek (fotonów) zawsze poruszają się z tą samą prędkością i niemożliwe jest, by poruszały się szybciej lub wolniej niż 299 792 458 m/s. Jednakże, jeśli wyemitujemy wiązkę światła w dowolnym ośrodku materialnym, prędkość fali elektromagnetycznej zawsze wynosić będzie mniej niż w przypadku takiej samej wiązki podróżującej tym razem przez próżnię. Dlaczego tak jest?

Wystarczy, że na swojej drodze fala natrafi na choćby najsłabszą przeszkodę, by jej prędkość fazowa natychmiast spadła, niekiedy do stosunkowo niskich poziomów. Światło poruszające się w ośrodkach materialnych pobudza do drgań ich ładunki elektryczne. Gdy drgania ładunków ośrodka wracają do pierwotnego stanu, wypuszczają fale opóźnione w stosunku do fal, które zostały dostarczone do ośrodka jako pierwsze. Wrażenie spowolnienia światła jest wynikiem właśnie tej własności tego otoczenia – przedarcie się fal elektromagnetycznych przez swoisty cząsteczkowy filtr w ośrodkach materialnych jest procesem znacznie bardziej czasochłonnym, mimo że same fotony zawsze poruszają się z prędkością światła.

Od czego zależy prędkość światła?

To, jakie wyniki pomiaru prędkości światła otrzymamy, zależy także w dużej mierze od zastosowanej metody tego pomiaru. Fale elektromagnetyczne poruszają się tak szybko, że niemożliwe jest znalezienie jakiegokolwiek skutecznego sposobu opartego wyłącznie na ludzkich zmysłach. Dlatego też do pomiarów prędkości światła w próżni i ośrodku materialnym wykorzystuje się różne bardziej zaawansowane narzędzia, takie jak detektor światła modulowanego.

Czy światło da się wyprzedzić?

Twórcy literatury i różnych filmów science fiction od lat ochoczo wykorzystują w swoich dziełach motyw napędu nadświetlnego, który, wykorzystany na przykład w podróżach kosmicznych, umożliwia astronautom znalezienie się w odległej części kosmosu w bardzo krótkim czasie. Stanowiona przez prawa fizyki rzeczywistość każe jednak zaliczyć ten element bardziej do fiction, niż do science. Czy więc można prześcignąć światło? Wszelkie próby odpowiedzi na to pytanie należy poprzedzić przypomnieniem sobie informacji na temat elementarnych właściwości samego światła-fali elektromagnetycznej. Jest ono przenoszone przez fotony – wyjątkowe cząstki, które posiadają zerową masę spoczynkową. Między innymi to ze względu na tę właściwość oraz korpuskularno-falową naturę światła może ono osiągać prędkość tak zawrotną jak 299 792 458 m/s.

Czy światło da się wyprzedzić?

Problem pojawia się w momencie, w którym chcielibyśmy nadać takiego tempa dowolnemu obiektowi, który ma niezerową masę spoczynkową. By rozpędzić do tej prędkości jakiś przedmiot (nieważne, czy miałaby to być drobna cząsteczka, czy ogromny statek kosmiczny), potrzebne byłyby nieskończone ilości energii. Jest tak, ponieważ wzrost prędkości wiąże się ze wzrostem masy obiektu, co z kolei oznacza, że porusza się on z coraz większym oporem wobec dalszego rozpędzania. Warunek ten nie pozostawia więc żadnych wątpliwości – w przypadku prędkości rozchodzenia się światła w próżni mamy do czynienia z wartością nieprzekraczalną dla dowolnego obiektu, który posiada choćby najdrobniejszą masę. Rozpędzenie do niej cząstek innych niż fotony złamałoby prawa fizyki.

Czy można wyobrazić sobie prędkość światła w próżni?

Odpowiedź na to pytanie brzmi: to zależy. Współcześnie wcale nie musimy jej sobie w żaden sposób wyobrażać, bo dysponujemy sprawdzonymi, bardzo dokładnymi metodami jej pomiaru i wiemy, że wynosi ona 299 792 458 m/s. By ogarnąć umysłem tak ogromną wartość jak prędkość światła, konieczne może się okazać znalezienie jakiegoś punktu odniesienia, który w obrazowy sposób pomoże nam ją sobie wyobrazić. Oto przykład takiego zobrazowania.

W skali ogromu wszechświata nawet prędkość tak olbrzymia jak ta, z którą porusza się światło, wydaje się niewielka. Jego wiązki nieustannie przemierzają ogromne dystanse pomiędzy kosmicznymi obiektami i to właśnie na ich podstawie astronomowie są w stanie z wysoką dokładnością oszacowywać takie parametry ciał niebieskich, jak na przykład kierunek czy prędkość ich poruszania się. Konieczność przebycia przez fale elektromagnetyczne dużych odległości, by dotrzeć do obserwatora na Ziemi, sprawia, że pomiędzy wyemitowaniem fali przez obiekt a zauważeniem światła na naszej planecie może upłynąć dużo czasu.

Światło w próżni

Zjawisko to jest dostrzegalne nawet w przypadku tak bliskiego nam (w kosmicznej skali) Słońca. Gdyby centralna gwiazda naszego układu nagle wybuchła, ludzie na Ziemi nie zaobserwowaliby tego przez… 8 minut od wybuchu. Proporcja ta zwiększa się znacznie dla obiektów oddalonych od naszej rodzimej planety o dziesiątki, tysiące czy więcej lat świetlnych. Patrząc nocą w niebo, widzimy gwiazdy takimi, jakie były niekiedy bardzo dawno temu.

Historia najważniejszej stałej we Wszechświecie. Jak badano prędkość światła przed erą nowoczesnych technologii?

Dokładna prędkość światła bardzo długo pozostawała zagadką. Do naszych czasów nie zachowały się żadne informacje o mierzeniu jej przez ludzi żyjących przed XVII wiekiem, trudno więc stwierdzić, czy takie próby w ogóle były w zamierzchłych czasach podejmowane.

Zobacz: Sprawdź prędkość internetu. Speed test – test prędkości łącza internetowego

Obserwacje świata dawały ludziom raczej powód do przekonania, że prędkość światła jest nieskończona. Przypuszczeniom takim trudno byłoby się dziwić – właśnie takie wnioski wyciągali nasi odlegli przodkowie, dla których wszechświat charakteryzował się znacznie mniejszą możliwą skalą prowadzenia obserwacji. Brak odczuwalnych przez zmysły opóźnień pomiędzy wyemitowaniem światła (na przykład poprzez zapalenie pochodni) a dostrzeżeniem go, kazało dawnym ludziom przypuszczać raczej, że mają do czynienia z wartością nieograniczoną żadnym ze znanych im prawideł czy limitów.

Galileusz i pierwszy krok na właściwej ścieżce

Najwcześniejsza znana ludzkości próba zmierzenia prędkości ruchu światła została podjęta przez urodzonego w XVI wieku włoskiego fizyka i astronoma, Galileusza. Postanowił on skonfrontować z rzeczywistością powszechną teorię o nieskończonej wartości za pomocą eksperymentu. On i jego towarzysz weszli na szczyty dwóch odległych od siebie wzgórz, trzymając w rękach latarnie. Odsłonięcie latarni przez jednego z fizyków było dla drugiego sygnałem do natychmiastowego uczynienia tego samego. Odkrywający wówczas latarnię badacz miał za zadanie zmierzyć, ile czasu upłynęło od odsłonięcia źródła światła przez niego samego aż do uzyskania odpowiedzi od swojego kolegi.

Galileusz i pierwszy krok na właściwej ścieżce
Źródło: polimaty.pl

Wnioski, które Galileusz wyciągnął ze swojego eksperymentu, wcale nie były nieprawidłowe, choć z dzisiejszej perspektywy mocno nieprecyzyjne. Udało mu się oszacować prędkość ruchu światła – według astronoma miałaby ona wynosić więcej niż 30 kilometrów na godzinę. Choć obecnie wiemy, że wartość ta nawet w ośrodkach materialnych jest wiele tysięcy razy większa, zaś dokładne zbadanie prędkości światła którymkolwiek z dostępnych współczesnym Galileuszowi ludziom sposobów byłoby niemożliwe, pionierskie starania astronoma zdecydowanie warto docenić.

Jak Jowisz pozwolił oszacować prędkość światła?

Kolejny przełom w świecie fizyki w sprawie pomiarów tej wartości przyszedł pod koniec XVII wieku. Duński naukowiec Ole Rømer przedstawił w 1676 dowody na to, że prędkość światła jest w rzeczywistości skończona. Na wysnucie tego wniosku pozwoliły mu obserwacje jednego z księżyców Jowisza i różne częstotliwości jego zaćmień. Występowały one częściej, gdy Jowisz zbliżał się do Ziemi, rzadziej zaś, gdy się od niej oddalał. Naukowiec wytłumaczył to zjawisko dłuższą drogą, jaką musiało przebyć światło z Jowisza, nim zostało dostarczone do obserwatora na Ziemi. Na podstawie obserwacji Rømera holenderski badacz fizyki Christiaan Huygens oszacował wówczas prędkość światła w próżni i powietrzu na 214 300 km/s.

Jak Jowisz pozwolił oszacować prędkość światła?
Źródło: cnx.org

Rozwój mechanicznych metod wyznaczania prędkości światła

W XVIII wieku nastąpił rozwój pomiaru prędkości światła w warunkach laboratoryjnych, za pomocą różnorodnych urządzeń. Warto wymienić choćby metodę wirującego zwierciadła (zastosowaną po raz pierwszy przez Jeana Foucault), określającą prędkość światła na podstawie przesunięcia obrazu padającego na obracające się lustro.

Sprawdź: Galaktyki – czym są? Nowe galaktyki, najciekawsze i najodleglejsze

Błędy pomiaru to nie jedyne problemy, z którymi przez lata musieli radzić sobie badacze fizyki, by choć zbliżyć się do poznania niezwykłych własności prędkości światła. Dziś, korzystając już z możliwości, jakie dają najnowsze technologie, wprawnie oceniamy i stosujemy tę wyjątkową spośród stałych fizycznych wartość. Czy o prędkości światła możemy się dowiedzieć jeszcze czegoś więcej? Trudno stwierdzić, my jednak z niecierpliwością czekamy na kolejne przełomy w fizycznych badaniach nad nią.

10
1

Podziel się:

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.