Брзина светлости

Из Википедије, слободне енциклопедије
Брзина светлости
The distance from the Sun to the Earth is shown as 150 million kilometers, an approximate average. Sizes to scale.
Сунчевој свјетлости је потребно око 8 минута и 17 секунди да пређе просечно растојање од површине Сунца до Земље.
Тачне вредности
метара у секунди 299792458
Планкова дужина по Планковом времену
(i.e., Планкове јединице)
1
Апроксимативне вредности (до три значајне цифре)
Километара на сат 1080 милион (1.08×109)
миља по секунди 186000
миља по сату[1] 671 милион (6.71×108)
астрономских јединица на дан 173[Note 1]
парсека годишње 0,307[Note 2]
Апроксимативно време путовања светлосног сигнала
Растојање Време
једна стопа 1,0 ns
један метар 3,3 ns
од геостационарне орбите до Земље 119 ms
дужина Земљиног екватора 134 ms
од Месеца до Земље 1,3 s
од Сунца до Земље (1 АУ) 8,3 мин
једна светлосна година 1,0 година
један парсек 3,26 година
од најближе звезде до Сунца (1,3 pc) 4,2 година
од најближе галаксије (патуљасте галаксије Велики пас) до Земље 25000 година
преко Млечног пута 100000 година
од галаксије Андромеда до Земље 2,5 милиона година
од Земље до краја видљивог свемира 46,5 милијарди година

Брзина светлости у вакууму износи тачно 299.792.458 m/s (приближно 300.000 km/s), односно 1.079.252.848,8 km/h, представља важну физичку константу и зато се обележава посебним словом c (од латинске речи celeritas). У теоријиј релативности, c међусобно повезује простор и време, а исто тако се јавља у познатој једначини једнакости масе и енергије E = mc2.[2] У различитим срединама (течностима, гасовима итд.) брзина светлости је различита и увек мања него у вакууму.[3] С обзиром да је светлост облик електромагнетног зрачења, њена брзина зависи од електричних и магнетних својстава средине кроз коју се креће и константна је за ту средину.[4] Израчунава се на основу формуле: . У вакууму је .

Брзина светлости је један од важнијих појмова у Ајнштајновој теорији релативности. Према истој теорији није могуће кретање брзинама већим од брзине светлости у вакууму.[5]

Прву познату и признату историјску методу за мерење брзине светлости извео је дански астроном Оле Кристенсен Ремер 1675. године. После Ремера, Физо без астрономских метода долази до брзине светлости која износи 313.870 km/s.

Најпознатије мерење брзине је извео Алберт Мајкелсон, уз помоћ ротирајућих огледала у Калифорнији. Захваљујући тим експериментима, утврђено је да је брзина светлости 299.792,458 km/s, а сам Мајкелсон је добио Нобелову награду 1907.

С обзиром да се основна мерна јединица за време (секунда) може прецизније измерити од основне јединица за дужину, метра, брзина светлости је искоришћена за прецизну дефиницију ове мерне јединице. Тако је од 21. октобра 1983. године метар одређен као растојање које светлост пређе у вакууму за 1/299.792.458 део секунде.[6]

Нумеричка вредност, нотација, и јединице[уреди]

Врзина светлости у вакууму се обично означава малим словом c, за constant" или лат. 'celeritas' (са значењем „брзина“). Године 1856, Вилхелм Едуард Вебер и Рудолф Колрауш су користили c за различите константе за које је касније показано да су једнаке 2 пута брзина светлости у вакууму. Историјски, симбол V је кориштен као алтернативни симбол за брзину светлости, који је увео Џејмс Клерк Максвел 1865. године. Пол Друд је 1894. године редефинисао симбол c у његово садашње значење. Ајнштајн је користио V у својим оригиналним публикацијама на немачком о специјалној релативности 1905, али је 1907. прешао на c, које је у то време постало стандардни симбол за брзину светлости.[7][8]

Понекад се c користи за брзину таласа у било ком материјалном медију, а c0 за брзину светлости у вакууму.[9] Ова усвојена нотација, која је подржана у званичној СИ литератури,[6] има исту форму као и друге сродне константе: наиме, μ0 за Пермеабилност вакуума или магнетна константа, ε0 за диелектричну константу вакуума или електричну константу, и Z0 за импеданцију слободног простора. Овај чланак искључиво користи c за брзину светлости у вакууму.

Од 1983, метар је дефинисан у Међународном систему јединица (СИ) као растојање које светлост путује у вакууму у 1299792458 секунди. Ова дефиниција фиксира брзину светлости у вакуму на тачно 299,792,458 m/s.[10][11][12] Као димензиона физичка константа, нумеричка вредност c се разликује за различите системе јединица.[Note 3] У гранама физике у којима се c често јавља, као што је релативност, уобичајено се користе системи природних јединица кретања или геометријски систем јединица где c = 1.[14][15] Користећи ове јединице, c се не појављује експлицитно пошто множење или дељење са 1 не утиче на резултат.

Историја[уреди]

Пре првих научних покушаја мерења брзине светлости, највеће расправе су се водиле око тога путује ли светлост коначном брзином, или се шири простором тренутно (бесконачно брзо).

Ремеров покушај мерења[уреди]

Скица Ремеровог метода за одређивање брзине светлости на основу кашњења заласка Јупитеровог месеца Ио

Дански астроном Оле Кристенсен Ремер је 1675. установио да тренуци опажања окултација (кад се небеско тело, гледано са Земље, скрива иза другог) Јупитерових сателита (пример је Ио) зависе од брзине ширења светлости. До тада се сматрало да се светлост шири бесконачном брзином. Када се Земља налази у положају 1. (види слику доле), проматрач уочава да до окултација долази у једнаким временским размацима, тада се Земља нити приближава нити удаљава од Јупитера. У положају 2. Земља се удаљава од Јупитера, а проматрач налази да тренуци окултације касне. Разлог је у томе што је светлости потребно додатно време да превали повећану удаљеност до Земље. Знајући у којим су се размацима времена окултације појављивале у положају 1, може се предвидети време окултације када се дође у положају 3. Међутим до ње не би долазило још толико времена колико је светлости потребно да превали удаљеност од положаја Земље 1. до положаја Земље 3, а то је дужина 2а. Ремер је измерио да укупно кашњење износи око t = 1,000 секунди. За брзину светлости следи:[16]

Астрономска метода мерења брзине светлости

где је: c – брзина светлости, a – удаљеност Земље од Сунца, t – време кашњења светлости.

Бројна вредност брзине светлости директно зависи од тачности с којом је позната средња удаљеност до Сунца (у оно време позната као 140 милона километара). Однос брзине светлости и брзине Земље не зависи од средње удаљености до Сунца. Наиме, како је брзина кретања Земље по стази једнака v = 2aπ / Z, где је Z сидеричка година, то је:

где је: c – брзина светлости, v = брзина кретања Земље, a – удаљеност Земље од Сунца, Z - сидеричка година Земље, π = 3.14, t – време кашњења светлости.

Ремер је вршио мерења око 8 година и однос c : v је изашао око 7600. Данашње вредности су 299.792 km/s : 29,8 km/s ≈ 10,100. Уствари Ремер није направио никакав прорачун и није проценио брзину светлости. На основу његових мерења то је обавио Кристијан Хајгенс и он је добио за око 25 % мању вредност од данашњих мерења. Значајно је да је Ремер доказао да је брзина светлости коначна. Његови резултати нису у почетку прихваћени, све док Џејмс Бредли 1727. није открио аберацију светлости. Године 1809. француски астроном Жан-Батист-Жозеф Деламбр је поновио Ремерова мерења, која су тада обављена с много тачнијим мерним инструментима и добио за брзину светлости око 300.000 km/s. Он је уствари измерио да светлост путује са Сунца до Земље 8 минута и 12 секунди (стварна вредност је 8 минута и 19 секунди).

Мерења на Земљи[уреди]

Главни проблем с првим земаљским (терестичким) мерењима је био што су научници у експериментима могли да проучавају распростирање светлости на релативно малим удаљеностима.

Први важнији покушај је спровео Иполит Физо помоћу уређаја с ротирајућим зупчаником кроз чије зупце је пропуштао светлост. Мерењима је добио вредност од око 313 300 km/s.

Амерички физичар Мајкелсон за своја је мерења светлости у раздобљу од 1880. до 1920. примио Нобелову награду за физику. Користио се осмостаничним ротирајућим огледалом и извором светлости удаљеним око 35 km. Својим мерењима је добио вредност од око 300 000 km/s.

После је с колегом Едвардом Морлејем спровео чувени Мајкелсон—Морлијев експеримент, у којем су доказали да брзина светлости не зависи од извора, нити од брзине кретања извора.

Савремена мерења су утврдила брзину светлости на тачно 299 792 458 m/s.

Улога у физици[уреди]

Гранична брзина[уреди]

Према посебној теорији релативности, енергија предмета масе m и брзине v дата је једначином γmc2, где је γ Лоренцов фактор. Ако тело мирује, v је једнака нули, па је γ једнак 1, из чега следи E = mc2, којим се дефинише еквиваленција масе и енергије. γ се приближава бесконачности како се v приближава c, па би била потребна бесконачна количина енергије како би објект масе m достигао брзину светлости. Другим речима, маса m тела које мирује мања је од масе m0 тела које се креће: у складу са формулом . То значи да што је тело брже, и што се више приближава брзини светлости, треба му све више енергије како би своју, све већу масу, успело да убрза. Брзина светлости је тиме горња граница брзине за објекте који посједују масу, па због тога појединачни фотони не могу путовати брзинама већим од брзине светлости.[17][18] Ово је ексериментално доказано у многим тестирањима релативистичке енергије и момента.[19]

Напомене[уреди]

  1. Тачна вредност:
    (299792458 × 60 × 60 × 24 / 149597870700) АУ/дан
  2. Тачна вредност:
    999992651π/10246429500 pc/y
  3. Брзина светлости у империјалним јединицама и САД јединицама је базирана на инчу са тачно 2.54 cm и њена вредности је тачно 186.282 миља, 698 јарди, 2 стопе, и 5 21/127 инча по секунди.[13]

Референце[уреди]

  1. Larson & Hostetler (2007). стр. 197.
  2. Uzan, J-P; Leclercq, B (2008). The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants. Springer. стр. 43—4. ISBN 0-387-73454-6. 
  3. Penrose, R (2004). The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe. Vintage Books. стр. 410—11. ISBN 978-0-679-77631-4. »... the most accurate standard for the metre is conveniently defined so that there are exactly 299,792,458 of them to the distance travelled by light in a standard second, giving a value for the metre that very accurately matches the now inadequately precise standard metre rule in Paris.« 
  4. „How is the speed of light measured?”. Архивирано из оригинала на датум 2015-08-21. 
  5. Stachel, JJ (2002). Einstein from "B" to "Z" – Volume 9 of Einstein studies. Springer. стр. 226. ISBN 978-0-8176-4143-6. 
  6. 6,0 6,1 International Bureau of Weights and Measures (2006), The International System of Units (SI) (PDF) (8th изд.), стр. 112, ISBN 92-822-2213-6 
  7. Gibbs, P (2004) [1997]. „Why is c the symbol for the speed of light?”. Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Архивирано из оригинала на датум 2009-11-17. Приступљено 2009-11-16.  "The origins of the letter c being used for the speed of light can be traced back to a paper of 1856 by Weber and Kohlrausch [...] Weber apparently meant c to stand for 'constant' in his force law, but there is evidence that physicists such as Lorentz and Einstein were accustomed to a common convention that c could be used as a variable for velocity. This usage can be traced back to the classic Latin texts in which c stood for 'celeritas' meaning 'speed'."
  8. Mendelson, KS (2006). „The story of c”. American Journal of Physics. 74 (11): 995—997. Bibcode:2006AmJPh..74..995M. doi:10.1119/1.2238887. 
  9. See for example:
  10. Sydenham, PH (2003). „Measurement of length”. Ур.: Boyes, W. Instrumentation Reference Book (3rd изд.). Butterworth–Heinemann. стр. 56. ISBN 978-0-7506-7123-1. »... if the speed of light is defined as a fixed number then, in principle, the time standard will serve as the length standard ...« 
  11. „CODATA value: Speed of Light in Vacuum”. The NIST reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. Приступљено 2009-08-21. 
  12. Jespersen, J; Fitz-Randolph, J; Robb, J (1999). From Sundials to Atomic Clocks: Understanding Time and Frequency (Reprint of National Bureau of Standards 1977, 2nd изд.). Courier Dover. стр. 280. ISBN 978-0-486-40913-9. 
  13. Savard, J. „From Gold Coins to Cadmium Light”. John Savard. Архивирано из оригинала на датум 2009-11-14. Приступљено 2009-11-14. 
  14. Lawrie, ID (2002). „Appendix C: Natural units”. A Unified Grand Tour of Theoretical Physics (2nd изд.). CRC Press. стр. 540. ISBN 978-0-7503-0604-1. 
  15. Hsu, L (2006). „Appendix A: Systems of units and the development of relativity theories”. A Broader View of Relativity: General Implications of Lorentz and Poincaré Invariance (2nd изд.). World Scientific. стр. 427—8. ISBN 978-981-256-651-5. 
  16. Владис Вујновић : "Астрономија", Школска књига, 1989.
  17. It's official: Time machines won't work, Los Angeles Times, pristupljeno 25. srpnja 2011., pristupljeno 8. decembra 2016.
  18. HKUST Profesori dokazali da fotoni ne nadilaze brzinu svetlosti, pristupljeno 8. decembra 2016.
  19. Fowler, M (март 2008). „Notes on Special Relativity” (PDF). University of Virginia. стр. 56. Приступљено 7. 5. 2010. 

Литература[уреди]

Спољашње везе[уреди]