průměrně potřebné sluneční světlo [Ed. 1] 8 minut 17 sekund k dosažení Země | |
přesné hodnoty | |
---|---|
metrů za sekundu | 299 792 458 |
Planckovy jednotky | jeden |
přibližné hodnoty | |
kilometrů za sekundu | 300 000 |
kilometrů za hodinu | 1,08 miliardy |
astronomických jednotek za den | 173 |
přibližná doba dojezdu signálního světla | |
vzdálenost | čas |
jeden metr | 3,3 ns |
jeden kilometr | 3,3 µs |
z geostacionární dráhy k Zemi | 119 ms |
délka zemského rovníku | 134 ms |
z Měsíce na Zemi | 1,255 s |
ze Slunce na Zemi (1 AU ) | 8,3 min. |
Voyager 1 na Zemi | 21 hodin 49 minut (od září 2022) [1] |
jeden světelný rok | 1 rok |
jeden parsek | 3,26 roku |
z Proxima Centauri na Zemi | 4,24 let |
z Alfa Centauri na Zemi | 4,37 let |
z nejbližší galaxie ( Trpasličí galaxie v Canis Major ) na Zemi | 25 000 let |
přes mléčnou dráhu | 100 000 let |
z galaxie Andromeda na Zemi | 2,5 mil |
z nejvzdálenější známé galaxie na Zemi | 13,4 Ga [2] |
Rychlost světla ve vakuu [přibl. 2] je absolutní hodnota rychlosti šíření elektromagnetických vln přesně rovna 299 792 458 m/s (nebo přibližně 3×10 8 m/s). Ve fyzice se tradičně označuje latinským písmenem „ “ (vyslovuje se „tse“), z lat. celeritas (rychlost).
Rychlost světla ve vakuu je základní konstanta , nezávislá na volbě inerciálního referenčního systému (ISO) . Odkazuje na základní fyzikální konstanty, které charakterizují nejen jednotlivá tělesa nebo pole, ale vlastnosti geometrie časoprostoru jako celku [3] . Z postulátu kauzality (jakákoli událost může ovlivnit pouze události, které nastanou později než ona, a nemůže ovlivnit události, které nastaly před ní [4] [5] [6] ) a postulátu speciální teorie relativity o nezávislosti rychlost světla ve vakuu z volby inerciální vztažné soustavy (rychlost světla ve vakuu je stejná ve všech souřadnicových systémech pohybujících se přímočaře a rovnoměrně vůči sobě [7] ) z toho vyplývá, že rychlost žádného signálu a elementární částice nemůže překročit rychlost světla [8] [9] [6] . Rychlost světla ve vakuu je tedy limitní rychlostí částic a šíření interakcí.
Nejpřesnější měření rychlosti světla, 299 792 458 ± 1,2 m / s , na základě referenčního měřiče , bylo provedeno v roce 1975 [pozn. 3] .
V tuto chvíli se má za to, že rychlost světla ve vakuu je základní fyzikální konstanta , podle definice přesně rovna 299 792 458 m/s neboli 1 079 252 848,8 km/h . Přesnost hodnoty je dána tím, že od roku 1983 je metr v Mezinárodní soustavě jednotek (SI) definován jako vzdálenost, kterou světlo urazí ve vakuu za časový interval rovný 1/299 792 458 sekundy [11] .
V Planckově systému jednotek je rychlost světla ve vakuu 1. Můžeme říci, že světlo urazí 1 Planckovu délku v Planckově čase , ale v Planckově systému jednotek je rychlost světla základní jednotkou a jednotky času a vzdálenosti jsou derivace (na rozdíl od SI , kde hlavní jsou metr a druhý ).
V přírodě se rychlostí světla šíří (ve vakuu):
Masivní částice mohou mít rychlost blížící se velmi blízké rychlosti světla [Pozn. 4] , ale stále to nedosahuje přesně. Například rychlost blízko světla, pouze o 3 m/s menší než rychlost světla, mají masivní částice ( protony ) získané na urychlovači ( Large Hadron Collider ) nebo zahrnuté v kosmickém záření .
V moderní fyzice je tvrzení, že kauzální účinek nelze přenést rychlostí větší, než je rychlost světla ve vakuu (včetně přenosu takového účinku nějakým fyzickým tělem), považováno za opodstatněné. Existuje však problém „ provázaných stavů “ částic, které, jak se zdá , okamžitě „znají“ svůj stav . V tomto případě však nedochází k nadsvětelnému přenosu informace , protože k přenosu informace tímto způsobem je nutné zapojit další klasický přenosový kanál rychlostí světla [pozn. 5] .
Pohyb některých objektů rychlostí větší, než je rychlost světla ve vakuu je sice v zásadě docela možný, nicméně z moderního pohledu se může jednat pouze o objekty, které svým pohybem nelze použít k přenosu informací (např. sluneční paprsek v principu se může pohybovat po stěně rychlostí větší než je rychlost světla, ale nelze jej použít k přenosu informace takovou rychlostí z jednoho bodu stěny do druhého) [13] .
Rychlost světla v průhledném prostředí je rychlost, kterou se světlo šíří v jiném prostředí, než je vakuum . V prostředí s disperzí se rozlišuje fázová a skupinová rychlost .
Fázová rychlost souvisí s frekvencí a vlnovou délkou monochromatického světla v médiu ( ). Tato rychlost je obvykle (ale ne nutně) nižší než . Poměr rychlosti světla ve vakuu k fázové rychlosti světla v prostředí se nazývá index lomu prostředí. Jestliže úhlová frekvence vlny v médiu závisí na vlnovém čísle nelineárním způsobem, pak je skupinová rychlost rovna první derivaci , na rozdíl od fázové rychlosti . [čtrnáct]
Skupinová rychlost světla je definována jako rychlost šíření úderů mezi dvěma vlnami s podobnou frekvencí a v rovnovážném prostředí je vždy menší . V nerovnovážných médiích, například silně absorbujících médiích, však může překročit . V tomto případě se však náběžná hrana pulsu stále pohybuje rychlostí nepřesahující rychlost světla ve vakuu. V důsledku toho zůstává nadsvětelný přenos informací nemožný.
Armand Hippolyte Louis Fizeau zkušenostmi prokázal , že pohyb média vzhledem ke světelnému paprsku může ovlivnit i rychlost šíření světla v tomto médiu.
Maxwellovy rovnice v diferenciálním tvaru:
- vektor intenzity elektrického pole
- vektor síly magnetického pole
- vektor magnetické indukce
- vektorová elektrická indukce
- magnetická permeabilita
- magnetická konstanta
- elektrická propustnost
- elektrická konstanta
- proudová hustota
- hustota náboje
- rotor , diferenciální operátor,
- divergence , diferenciální operátor,
je Laplaceův operátor ,
Pro elektromagnetickou vlnu tedy :
Podle vlastnosti vektorového pole curl . Nahrazením zde a , dostaneme:
dosadíme zde z Maxwellových rovnic , dostaneme:
[3] (1)
Vlnová rovnice:
, kde je operátor d'Alembert ,
(2)
Dosadíme (1) do (2) , najdeme rychlost:
s A /m kg
kg m/s A
ve vakuu ,
slečna
Rychlost, kterou se světelné vlny šíří ve vakuu, nezávisí na pohybu zdroje vlnění, ani na vztažné soustavě pozorovatele [Pozn. 6] . Einstein předpokládal takovou neměnnost rychlosti světla v roce 1905 [15] . K tomuto závěru dospěl na základě Maxwellovy teorie elektromagnetismu a důkazu nepřítomnosti světélkujícího éteru [16] .
Neměnnost rychlosti světla je vždy potvrzena mnoha experimenty [17] . Je možné pouze experimentálně ověřit, že rychlost světla v "oboustranném" experimentu (například ze zdroje do zrcadla a naopak) nezávisí na vztažné soustavě, protože není možné měřit rychlost světla v jednom směru (například od zdroje ke vzdálenému přijímači) bez dalších dohod o způsobu synchronizace hodin zdroje a přijímače. Pokud však k tomu použijeme Einsteinovu synchronizaci, jednosměrná rychlost světla se z definice rovná rychlosti obousměrné [18] [19] .
Speciální teorie relativity zkoumá důsledky invariance za předpokladu, že fyzikální zákony jsou stejné ve všech inerciálních vztažných soustavách [20] [21] . Jedním z důsledků je, že - to je rychlost, s jakou se všechny bezhmotné částice a vlny (zejména světlo) musí pohybovat ve vakuu.
Speciální teorie relativity má mnoho experimentálně ověřených implikací, které jsou kontraintuitivní [22] . Mezi takové důsledky patří: ekvivalence hmoty a energie , kontrakce délky (zmenšování objektů při jejich pohybu) [Pozn. 7] a dilataci času (pohybující se hodiny běží pomaleji). Koeficient , který ukazuje, kolikrát se délka zkracuje a čas zpomaluje, je známý jako Lorentzův faktor ( Lorentzův faktor)
kde je rychlost objektu. Pro rychlosti mnohem menší než (například pro rychlosti, které řešíme v běžném životě) je rozdíl mezi a 1 tak malý, že jej lze zanedbat. V tomto případě je speciální teorie relativity dobře aproximována Galileovskou relativitou. Ale při relativistických rychlostech se rozdíl zvětšuje a při přibližování má tendenci k nekonečnu .
Kombinace výsledků speciální teorie relativity vyžaduje splnění dvou podmínek: (1) prostor a čas jsou jedinou strukturou známou jako časoprostor (kde spojují jednotky prostoru a času) a (2) fyzikální zákony splňují požadavky speciální symetrie zvaná Lorentzova invariance (Lorentzova invariance), jejíž vzorec obsahuje parametr [25] . Lorentzova invariance je všudypřítomná v moderních fyzikálních teoriích, jako je kvantová elektrodynamika , kvantová chromodynamika , standardní model částicové fyziky a obecná teorie relativity . Parametr se tedy nachází v celé moderní fyzice a objevuje se mnoha způsoby, které nemají nic společného se samotným světlem. Například obecná teorie relativity naznačuje, že gravitace a gravitační vlny se šíří rychlostí [26] [27] . V neinerciálních vztažných soustavách (v gravitačně zakřiveném prostoru nebo v referenčních soustavách pohybujících se zrychlením) je místní rychlost světla také konstantní a rovna , ale rychlost světla na trajektorii konečné délky se může lišit od závislosti na tom, jak prostor a čas jsou definovány [28] .
Základní konstanty, jako je , jsou považovány za mající stejnou hodnotu v celém časoprostoru, to znamená, že nezávisí na místě a nemění se s časem. Některé teorie však naznačují, že rychlost světla se může v čase měnit [29] [30] . Pro takové změny zatím neexistují přesvědčivé důkazy, zůstávají však předmětem výzkumu [31] [32] .
Kromě toho se má za to, že rychlost světla je izotropní, to znamená, že nezávisí na směru jeho šíření. Pozorování emisí přechodů jaderné energie jako funkce orientace jader v magnetickém poli (Gossův-Dreverův experiment), stejně jako rotujících optických dutin ( Michelsonův-Morleyův experiment a jeho nové variace), vyvolalo omezení možnosti oboustranné anizotropie [33] [34] .
V řadě přirozených systémů jednotek je rychlost světla jednotkou měření rychlosti [35] . V Planckově soustavě jednotek, související rovněž s přírodními soustavami, slouží jako jednotka rychlosti a je jednou ze základních jednotek soustavy.
Podle speciální teorie relativity je energie objektu s klidovou hmotností a rychlostí , kde je Lorentzův faktor definovaný výše. Když se rovná nule, rovná se jedné, což vede ke známému vzorci pro ekvivalenci hmotnosti a energie . Vzhledem k tomu, že faktor se přibližuje k nekonečnu , urychlení masivního objektu na rychlost světla by vyžadovalo nekonečnou energii. Rychlost světla je horní limit rychlosti pro objekty s nenulovou klidovou hmotností. To bylo experimentálně prokázáno v mnoha testech relativistické energie a hybnosti [36] .
Obecně platí, že informace nebo energie nemohou být přenášeny prostorem rychleji, než je rychlost světla. Jeden argument pro toto vyplývá z kontraintuitivního závěru speciální teorie relativity známé jako relativnost simultánnosti . Pokud je prostorová vzdálenost mezi dvěma událostmi A a B větší než časový interval mezi nimi, vynásobený , pak existují vztažné soustavy, ve kterých A předchází B a jiné, ve kterých B předchází A, a také takové, ve kterých události A a B jsou simultánní. V důsledku toho, pokud by se objekt pohyboval rychleji než rychlost světla vzhledem k nějaké inerciální vztažné soustavě, pak by se v jiné vztažné soustavě pohyboval zpět v čase a byl by porušen princip kauzality [Pozn. 8] [38] . V takovém referenčním rámci bylo možné pozorovat „účinek“ před jeho „původní příčinou“. Takové porušení kauzality nebylo nikdy pozorováno [19] . Může také vést k paradoxům, jako je tachyonový protilátkofon [39] .
Starověcí vědci až na vzácné výjimky považovali rychlost světla za nekonečnou [40] . V moderní době se tato problematika stala předmětem diskuzí. Galileo a Hooke předpokládali, že je konečný, i když velmi velký, zatímco Kepler , Descartes a Fermat stále argumentovali nekonečností rychlosti světla.
První odhad rychlosti světla provedl Olaf Römer ( 1676 ). Všiml si, že když je Země na své oběžné dráze dále od Jupitera , Jupiterova zatmění Jupiterova měsíce Io se oproti výpočtům zpozdí o 22 minut . Z toho odvodil hodnotu rychlosti světla asi 220 000 km/s — nepřesná hodnota, ale blízká skutečné hodnotě. V roce 1676 podal zprávu pařížské akademii, ale své výsledky nepublikoval ve formální vědecké práci. Vědecká komunita proto přijala myšlenku konečné rychlosti světla až o půl století později [41] , když v roce 1728 objev aberace umožnil J. Bradleymu potvrdit konečnost rychlosti světla a zpřesnit její odhad. Hodnota získaná Bradleyem byla 308 000 km/s [42] [43] .
Poprvé byla měření rychlosti světla, založená na určení doby, za kterou světlo urazí přesně změřenou vzdálenost za pozemských podmínek, provedena v roce 1849 A. I. L. Fizeauem . Ve svých experimentech Fizeau používal jím vyvinutou „metodu přerušení“, zatímco vzdálenost, kterou světlo urazilo při Fizeauových experimentech, byla 8,63 km . Hodnota získaná jako výsledek provedených měření vyšla na 313 300 km/s. Následně byla metoda přerušení výrazně zdokonalena a pro měření ji použili M. A. Cornu (1876), A. J. Perrotin (1902) a E. Bergstrand . Měření provedená E. Bergstrandem v roce 1950 poskytla pro rychlost světla hodnotu 299 793,1 km/s , přičemž přesnost měření byla zvýšena na 0,25 km/s [42] .
Další laboratorní metodu („metoda rotujícího zrcadla“), jejíž myšlenku vyslovil v roce 1838 F. Arago , provedl v roce 1862 Leon Foucault . Měřením krátkých časových intervalů pomocí zrcátka otáčejícího se vysokou rychlostí ( 512 ot./min ) získal hodnotu 298 000 km/s pro rychlost světla s chybou 500 km/s. Délka základny ve Foucaultových experimentech byla poměrně malá – dvacet metrů [43] [42] [44] [45] [46] . Následně byla díky zdokonalení experimentální techniky, zvětšení použité základny a přesnějšímu určení její délky výrazně zvýšena přesnost měření metodou rotujícího zrcadla. Takže S. Newcomb v roce 1891 získal hodnotu 299 810 km/s s chybou 50 km/s a A. A. Michelsonovi se v roce 1926 podařilo snížit chybu na 4 km/s a získat hodnotu 299 796 km/s pro rychlost. . Michelson ve svých experimentech použil základnu rovnou 35 373,21 m [42] .
Další pokrok byl spojen s nástupem maserů a laserů , které se vyznačovaly velmi vysokou stabilitou radiační frekvence, což umožnilo určovat rychlost světla současným měřením vlnové délky a frekvence jejich záření. Na počátku 70. let se chyba v měření rychlosti světla blížila 1 m/s [47] . Po kontrole a odsouhlasení výsledků získaných v různých laboratořích XV. Generální konference pro váhy a míry v roce 1975 doporučila jako hodnotu rychlosti světla ve vakuu použít hodnotu rovnou 299 792 458 m/s s relativní chybou ( nejistota) 4⋅10 - 9 [48] , což odpovídá absolutní chybě 1,2 m/s [49] .
Je příznačné, že další zvýšení přesnosti měření se stalo nemožným kvůli okolnostem zásadní povahy: limitujícím faktorem byla velikost nejistoty při implementaci definice měřidla, která v té době platila. Zjednodušeně řečeno, hlavní podíl na chybě měření rychlosti světla měla chyba „výroby“ etalonu měřidla, jejíž relativní hodnota byla 4⋅10 -9 [49] . Na základě toho a také s přihlédnutím k dalším úvahám přijala XVII. Generální konference pro váhy a míry v roce 1983 novou definici metru, založenou na dříve doporučené hodnotě rychlosti světla a definující metr jako vzdálenost, kterou světlo cestuje ve vakuu za dobu rovnající se 1/299 792 458 sekundy [50] .
Ze speciální teorie relativity vyplývá, že překročení rychlosti světla fyzikálními částicemi (hmotnými nebo nehmotnými) by porušilo princip kauzality - v některých inerciálních vztažných soustavách by bylo možné přenášet signály z budoucnosti do minulý. Teorie však nevylučuje u hypotetických částic, které neinteragují s běžnými částicemi [51] , pohyb v časoprostoru nadsvětelnou rychlostí.
Hypotetické částice pohybující se nadsvětelnou rychlostí se nazývají tachyony . Matematicky pohyb tachyonů popisují Lorentzovy transformace jako pohyb částic s imaginární hmotností. Čím vyšší je rychlost těchto částic, tím méně energie nesou, a naopak, čím více se jejich rychlost blíží rychlosti světla, tím větší je jejich energie – stejně jako energie běžných částic má energie tachyonů tendenci k nekonečnu, když blížící se rychlosti světla. To je nejzřetelnější důsledek Lorentzovy transformace, která nedovolí masivní částici (jak s reálnou, tak i imaginární hmotností) dosáhnout rychlosti světla – dát částici nekonečné množství energie je prostě nemožné.
Mělo by být zřejmé, že za prvé, tachyony jsou třídou částic, a nikoli pouze jedním druhem částic, a za druhé, tachyony neporušují princip kauzality, pokud žádným způsobem neinteragují s běžnými částicemi [51] .
Obyčejné částice pohybující se pomaleji než světlo se nazývají tardyony . Tardioni nemohou dosáhnout rychlosti světla, ale mohou se k němu pouze přiblížit tak blízko, jak chtějí, protože v tomto případě je jejich energie nekonečně velká. Všechny tardiony mají hmotnost , na rozdíl od bezhmotných částic zvaných luxony . Luxony ve vakuu se vždy pohybují rychlostí světla, mezi ně patří fotony , gluony a hypotetické gravitony .
Od roku 2006 se ukazuje, že při tzv. efektu kvantové teleportace se zdánlivá interakce částic šíří rychleji, než je rychlost světla. Například v roce 2008 výzkumný tým doktora Nicolase Gisina z Ženevské univerzity, který studoval provázané fotonové stavy vzdálené 18 km ve vesmíru, ukázal, že tato zdánlivá „interakce mezi částicemi se provádí rychlostí asi sto tisíc krát rychlost Sveta“. Dříve se také diskutovalo o takzvaném „ Hartmanově paradoxu “ – zdánlivé nadsvětelné rychlosti v tunelovém efektu [52] . Analýza těchto a podobných výsledků ukazuje, že je nelze použít pro nadsvětelný přenos jakékoli zprávy nesoucí informaci nebo pro pohyb hmoty [53] .
Výsledkem zpracování dat experimentu OPERA [54] , shromážděných v letech 2008 až 2011 v laboratoři Gran Sasso společně s CERNem , byl zaznamenán statisticky významný údaj o překročení rychlosti světla mionovými neutriny [55] . Toto oznámení bylo doprovázeno publikací v předtiskovém archivu [56] . Získané výsledky byly odborníky zpochybněny, protože nejsou v souladu nejen s teorií relativity, ale ani s jinými experimenty s neutriny [57] . V březnu 2012 byla ve stejném tunelu provedena nezávislá měření, která nenalezla nadsvětelné rychlosti neutrin [58] . V květnu 2012 OPERA provedla sérii kontrolních experimentů a dospěla ke konečnému závěru, že důvodem mylného předpokladu o nadsvětelné rychlosti byla technická závada (špatně zasunutý konektor optického kabelu) [59] .
Slovníky a encyklopedie | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
Planckovy jednotky | |
---|---|
Hlavní | |
Odvozené jednotky | |
Použito v |