Valguse kiirus: konstant c, väärtus (299 792 458 m/s) ja relatiivsusteooria

Avasta valguse kiirus c (299 792 458 m/s): relatiivsusteooria, ruumi‑aja seos, täpsed mõõtmised ja mõju füüsikale — selge, põnev ja haarav ülevaade.

Valguse kiirus tühjas ruumis on universaalne füüsikaline konstant. See tähendab, et tühjas ruumis kiirus ei sõltu asukohast ega ajast ja seda tähistatakse tavaliselt sümboliga $c$ . Täpselt määratletud väärtus on 299 792 458 meetrit sekundis (983 571 056 jalga sekundis). Fotoon (valgusosakese) liikumiskiirus vaakumis võrdub selle konstantsusega.

Määratlus ja täpne väärtus

Alates 1983. aastast on meetri definitsioon seotud valguse kiirusega: üks meeter on see kaugus, mille valgus läbib vaakumis ajavahemikus 1/299 792 458 sekundist. See muudab $c$ mitte ainult optimaalseks mõõdetavate suuruste arvuks, vaid ka paljude mõõtühikute alusmõõtuks.

Relatiivsusteooria ja füüsikalised tagajärjed

Spetsiaalse relatiivsusteooria järgi on $c$ maksimaalne kiirus, millega kogu energia, aine ja informatsioon universumis võivad liikuda. See kehtib massita osakeste ja nende väljade kohta: kõik sellised nähtused — sealhulgas väljad ja eriti elektromagnetilise kiirguse liikumine, nagu valgus — edastatakse kiirusega $c$ vaakumis. Relatiivsusteooria seob $c$ ruumi ja aega; sellest tuleneb mitmeid tuntud nähtusi, nagu aja dilatatsioon, pikkuse kontraktsioon ja relativistlik massi-energia ekvivalentsus, mida väljendab kuulus võrrand E = mc2.

Gravitatsioon ja lained

Praeguste teooriate kohaselt liiguvad ka gravitatsioonilised mõjutused, sealhulgas gravitatsioonilained, kiirusega $c$ . Need lained levivad sõltumata allika liikumisest või vaatleja inertsiaalsest vaatlusraamistikust.

Mõõtmised ja eksperimentaalne tugi

Relatiivsusteooria ja valguse kiiruse invariaalsuse alus on tugevate eksperimentaalsete tulemustega. Klassikalised katsed, nagu Michelson–Morley’ eksperiment, samuti Kennedy–Thorndike’i ja Ives–Stilwelli katsed, kinnitasid, et valguse kiirus vaakumis ei sõltu liikuva allika ega vaatleja suhtelisest kiirusest. Tänapäeval mõõdetakse $c$ ja sellega seotud suurusi väga täpsete optiliste ja elektroniliste meetoditega.

Valguse käitumine erinevates keskkondades

Oluline on eristada kiirust vaakumis ja kiirust aines (näiteks õhus, vees või klaasis). Keskkonnas leviv valgus näib aeglasem, seda iseloomustab murdumisnäitaja ning siin võivad tekkida ka nähtused nagu faasi- ja grupikiirus, mis võivad olla suuremad või väiksemad kui $c$ ilma, et see rikuks relativistlikku põhjuslikkust. Väikesed osakesed, millel on mass (näiteks neutriinod), liiguvad alati alla $c$ .

Praktiline tähendus ja piirangud

Põhjuslikkus: Kiiruse $c$ olemasolu tagab, et põhjus ja tagajärg ei saa olla segi aetud — informatsioon ei saa levida kiiremini kui $c$ .
Tehnoloogia: Elektromagnetilised suhted ja kommunikatsioon on otseselt seotud valguse kiirusega; satelliitnavigatsioon ja füüsikalised mõõtmised arvestavad relativistlikke efekte.
Teooriate testimine: Kõik kilbi all olevad uusimad eksperimendid ja vaatlusandmed (näiteks gravitatsioonilainete detektorid) kontrollivad $c$ -ga seotud ennustusi ja otsivad võimalikke erandeid.

Kokkuvõtvalt on valguse kiirus $c$ keskne konstant nii teoreetilises füüsikas kui ka igapäevaste mõõtmiste ja tehnoloogiate aluseks. Tema fikseeritud väärtus ja roll ruumi-aja struktuuris muudavad selle üheks tähtsamaks fundamentaalseks parameetriks kaasaegses teaduses.

Näide

See käitumine erineb meie tavalisest arusaamast liikumisest, nagu näitab see näide:

George seisab maapinnal rongirööbaste (raudtee) kõrval. Rong sõidab mööda kiirusega 48 km/h (30 mph). George viskab pesapalli kiirusega 90 mph (140 km/h) rongi liikumissuunas. Tomil, rongireisijal, on seade (nagu radaripüstol), millega mõõdetakse viske kiirust. Kuna ta on rongis, liigub Tom juba 48 km/h (30 mph) viske suunas, nii et Tom mõõdab palli kiiruseks ainult 97 km/h (60 mph).

Teisisõnu, pesapalli kiirus, mida Tom rongis mõõdab, sõltub rongi kiirusest.

Ülaltoodud näites liikus rong 1/3 palli kiirusest ja palli kiirus, mida mõõdeti rongil, oli 2/3 viske kiirusest, mida mõõdeti maapinnal.

Nüüd korrake eksperimenti pesapalli asemel valgusega, st George'il on pesapalli viskamise asemel taskulamp. George'il ja Tomil on mõlemal samad seadmed valguse kiiruse mõõtmiseks (pesapalli näites kasutatud radaripüstoli asemel).

George seisab maapinnal rongirööbaste kõrval. Rong sõidab mööda 1/3 valguse kiirusega. George vilgutab valgusvihku rongi liikumissuunas. George mõõdab valguse kiiruseks 186 282 miili sekundis (299 792 kilomeetrit sekundis). Tom, rongireisija, mõõdab valguskiire kiirust. Millist kiirust mõõdab Tom?

Intuitiivselt võib arvata, et taskulambi valguse kiirus, mida mõõdetakse rongis, peaks olema 2/3 maapinnal mõõdetud kiirusest, nagu ka pesapalli kiirus oli 2/3. Kuid tegelikult on rongil mõõdetud kiirus täies ulatuses 186,282 miili sekundis (299,792 kilomeetrit sekundis), mitte 124,188 miili sekundis (199,861 kilomeetrit sekundis).

See kõlab võimatult, kuid see ongi see, mida mõõdetakse. Osaliselt on põhjus selles, et valgus on energia, mis toimib ja liigub hoopis teisiti kui aine või tahked objektid, näiteks pesapall.

Maxwelli võrrandid ennustasid valguse kiirust ja kinnitasid Michael Faraday ideed, et valgus on elektromagnetiline laine (energia liikumisviis). Nendest võrranditest leiame, et valguse kiirus on seotud vaba ruumi läbilaskvuse ε0 ja vaba ruumi läbilaskvuse μ0 ruutjuure pöördväärtusega:

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

Selle tõsiasja tagajärg on see, et miski ei saa liikuda kiiremini kui valguskiirus. Teine tagajärg on see, et ükskõik kui palju energiat ka ei kasutataks, et suurendada objekti kiirust, jõuab see üha lähemale ja lähemale, kuid ei saavuta kunagi valguse kiirust. Need ideed avastas 1900. aastate alguses Albert Einstein, kelle töö muutis täielikult meie arusaama valgusest.

Läbipaistva materjali murdumisnäitaja on valguse kiiruse suhe vaakumis ja valguse kiiruse suhe selles materjalis.

Mõõtmine

Rømer

Ole Christensen Rømer kasutas astronoomilist mõõtmist, et teha esimene kvantitatiivne hinnang valguse kiirusele. Maalt mõõdetuna on kaugel asuvat planeeti ümbritsevate kuude perioodid lühemad, kui Maa läheneb planeedile, kui kui Maa eemaldub planeedist. Kaugus, mille valgus läbib planeedilt (või selle kuult) Maale, on lühem, kui Maa on oma orbiidi punktis, mis on planeedile kõige lähemal, kui kui Maa on oma orbiidi kõige kaugemas punktis, kusjuures vahemaa erinevus on Maa orbiidi läbimõõt ümber Päikese. Kuu orbitaalperioodi täheldatud muutus on tegelikult erinevus ajas, mis valgusel kulub lühema või pikema vahemaa läbimiseks. Rømer täheldas seda efekti Jupiteri sisemise kuu Io puhul ja järeldas, et valgusel kulub Maa orbiidi läbimõõdu ületamiseks 22 minutit.

Bradley

Teine meetod on kasutada valguse aberratsiooni, mille avastas ja selgitas James Bradley 18. sajandil. See efekt tuleneb kaugest allikast (näiteks tähest) saabuva valguse kiiruse ja vaatleja kiiruse vektoriaalse liitmise tulemusel (vt joonis paremal). Liikuv vaatleja näeb seega valgust, mis tuleb veidi teisest suunast, ja järelikult näeb allikat algsest asukohast nihkes. Kuna Maa kiiruse suund muutub pidevalt, kui Maa tiirleb ümber Päikese, põhjustab see efekt tähtede näilise asukoha muutumist. Tähtede asukoha nurgaerinevuse põhjal on võimalik väljendada valguse kiirust Maa kiiruse suhtes ümber Päikese. Seda saab koos teadaoleva aasta pikkusega hõlpsasti teisendada ajaks, mis kulub Päikeselt Maale jõudmiseks. Bradley kasutas seda meetodit 1729. aastal, et tuletada, et valgus liigub 10 210 korda kiiremini kui Maa oma orbiidil (tänapäevane arv on 10 066 korda kiirem) või et valgusel kulub Päikeselt Maale jõudmiseks 8 minutit ja 12 sekundit.

Kaasaegne

Tänapäeval mõõdetakse "valguse aega ühikukauguse kohta" - c pöördväärtust (1/c), mida väljendatakse sekundites astronoomilise ühiku kohta -, võrreldes aega, mille jooksul raadiosignaalid jõuavad Päikesesüsteemi eri kosmoseaparaatideni. Kosmoseaparaatide asukoht arvutatakse Päikese ja erinevate planeetide gravitatsioonimõjude põhjal. Mitmeid selliseid mõõtmisi kombineerides saadakse valgusaeg ühiku kohta kõige paremini sobiv väärtus. 2009. aasta seisuga^[update] on Rahvusvahelise Astronoomialiidu (IAU) poolt heaks kiidetud parim hinnang:

valgusaeg ühiku pikkuse vahemaa kohta: 499.004783836(10) s

c = 0,00200398880410(4) AU/s

c = 173,144632674(3) AU/päev.

Nende mõõtmiste suhteline mõõtemääramatus on 0,02 osa miljardi kohta (2×10-11), mis on samaväärne Maa-põhiste interferomeetriliste pikkuse mõõtmiste mõõtemääramatusega. Kuna meeter on defineeritud kui valguse poolt teatud aja jooksul läbitud pikkus, võib valguse aja mõõtmist ühikukauguse kohta tõlgendada ka nii, et see mõõdab Aafrika Liidu pikkust meetrites. Meetrit peetakse oma pikkuse ühikuks, samal ajal kui AU-d kasutatakse sageli vaadeldava pikkuse ühikuna konkreetses vaatlusraamistikus.

Valguse aberratsioon: kaugest allikast tulev valgus paistab liikuva teleskoobi jaoks valguse piiratud kiiruse tõttu teisest kohast.

Praktiline mõju

Valguskiiruse piiratus on suur takistus pikamaareisidel. Kui oletada, et teekond teispoolsesse Linnutee otsa kestaks sõnumi ja selle vastuse saatmiseks kokku umbes 200 000 aastat. Veelgi tõsisem on see, et ükski kosmoseaparaat ei saaks liikuda kiiremini kui valgus, nii et kogu galaktilise ulatusega transport oleks tegelikult ühesuunaline ja võtaks palju kauem aega, kui ükski kaasaegne tsivilisatsioon on eksisteerinud.

Valguskiirus võib olla probleemiks ka väga lühikeste vahemaade puhul. Superarvutites seab valguse kiirus piirangu sellele, kui kiiresti saab andmeid protsessorite vahel saata. Kui protsessor töötab 1 gigahertsi kiirusel, saab signaal ühe tsükliga läbida maksimaalselt umbes 30 sentimeetrit. Seetõttu tuleb protsessorid paigutada üksteisele lähedale, et vähendada side viivitusajaid; see võib põhjustada probleeme jahutusega. Kui taktsagedused jätkuvalt kasvavad, muutub valguskiirus lõpuks üksikute kiipide sisekujunduse piiravaks teguriks.

Seotud leheküljed

Michelsoni-Morley katse

Küsimused ja vastused

K: Mis on valguse kiirus?

V: Valguse kiirus, mida tähistatakse tähisega "c", on füüsikaline konstant, mis on täpselt 299 792 458 meetrit sekundis (983 571 056 jalga sekundis).

K: Kuidas kujutatakse valguse kiirust?

V: Valguse kiirust tähistatakse tavaliselt tähisega "c" ja vaakumkeskkonnas tähistatakse seda konkreetselt kui "c^0".

K: Millised osakesed liiguvad valguse kiirusega?

V: Fotoonid (valguse osakesed) liiguvad vaakumis selle kiirusega. Lisaks sellele liiguvad kõik massita osakesed, nagu footonid ja nendega seotud väljad - sealhulgas elektromagnetiline kiirgus, nagu valgus - kiirusega c, sõltumata nende allikast või vaatleja inertsiaalsest võrdlusraamistikust.

K: Mida väidab erirelatiivsusteooria valguse kiiruse kohta?

V: Erirelatiivsusteooria kohaselt on c maksimaalne kiirus, millega kogu energia, aine ja füüsikaline teave võib universumis liikuda. Samuti väidab see, et valguse mõõdetud kiirus vaakumis jääb muutumatuks, olenemata sellest, kas valgusallikas või vaatleja liiguvad üksteise suhtes.

K: Kuidas on c seotud ruumi ja ajaga?

V: Suhtelisusteoorias seostab c ruumi ja aega, kuna see esineb Einsteini kuulsas võrrandis E = mc2. See võrrand näitab, kuidas energia saab muunduda massiks ja vastupidi.

K: Kas on tõendeid, mis toetavad erirelatiivsusteooria ennustust mõõdetud valguskiiruse kohta?

V: Jah - senised vaatlused on kinnitanud seda ennustust, et olenemata sellest, millisest vaatlusraamistikust vaadeldakse või millise kiirusega võib selle allikas liikuda, jääb mõõdetud kiirus konstantseks.