Wikipedysta:Lekko gazowany/widmo

Prędkość światła w próżni jest podstawową fizyczną stałą. Ten postulat, wraz z zasadą względności wszystkich inercjalnym układów odniesienia tworzy podstawy szczególnej teorii względności Einsteina.

Eksperymentalne dowody pokazały, że prędkość światła jest niezależna od ruchu jego źródła. Potwierdzono także, że dwukierunkowa prędkość światła (na przykład, ze źródła do lustra i z powrotem) jest stałą. Niemożliwe jest jednak zmierzenie jednokierunkowej prędkości światła (ze źródła do odległego detektora) bez pewnych założeń co do tego jak powinny być zsynchronizowane zegary u źródła i przy odbiorniku.^[4] Einstein (świadomy tego) postulował przyjęcie prędkości światła jako stałej w obydwu przypadkach.

Warto też zaznaczyć, że to stała prędkość c, a nie samo światło jest kluczowe dla szczególnej teorii względności, tak więc jeżeli światło w jakikolwiek sposób będzie zmuszone poruszać się z prędkością mniejszą od c, nie wpłynie to bezpośrednio na szczególną teorie względności.

Obserwator poruszający się względem zbioru źródeł światła doświadczy przesunięcia ku fioletowi od źródeł przed nim oraz przesunięcia ku czerwieni od źródeł za nim.

Użycie symbolu 'c' dla prędkości światła

Symbol 'c' (od łac. celeritas - szybkość)^[5] jest głównie używany na oznaczenie prędkości światła. NIST i BIPM używają c₀ dla prędkości światłą w próżni. Bardzo rzadko poprzez c oznacza się prędkość światłą w ośrodkach innych niż próżnia. W tym artykule c jest użyte wyłącznie jako prędkość światła w próżni.

W dziedzinach fizyki, w których prędkość światłą odgrywa ważną role, np. teoria względności, powszechnie stosuję się system w któym c oznacza się jako 1, w tym przypadku dodatkowy symbol zostaje wyeliminowany.

Przyczynowość i przepływ informacji

Jeżeli informacja mogłaby przepływać szybciej niż c w jednym układzie odniesienia, zasada przyczynowości została by naruszona w innym układzie odniesienia: informacja zostałaby odebrana zanim ją wysłano, skutek nastąpiłby przed przyczyną. Jak dotąd nie zaobserowano takiego naruszenia.^[6]

Innymi słowy, informacja rozchodzi się między punktami określonymi wewnątrz stożka światła. Interwał czasoprzestrzenny AB na wykresie po prawej jest czasowy (tzn. istnieje układ odniesienia, w którym zdarzenia A i B występują w tym samym miejscu w przestrzeni, ale w różnym czasie, jeżeli A poprzedza B w tym układzie to A poprzedza B we wszystkich innych układach, tj. nie istnieje układ odniesienia, w którym zdarzenia A i B następują jednocześnie). W związku z tym istnieje hipotetyczna możliwość, że materia (lub informacja) przemieści się z A do B, co skutkuje związkiem przyczynowo-skutkowym (z A jako przyczyną i B - skutkiem).

Z kolei, interwał AC na wykresie to interwał odległościowy (tzn. że istnieje taki układ odniesienia, w którym zdarzenia A i C następują jednocześnie, ale w różnych miejscach przestrzeni). Oznacza to, że istnieją inne układy odniesienia, w których A poprzedza C (tak jak na wykresie) oraz takie, w których C poprzedza A. Wykluczywszy możliwość poruszania się szybciej niż światło, nie jest możliwe, aby materia (lub informacja) przemieściła się z A do C i z C do A. Wnioskujemy, że nie istnieje przyczynowy związek między A i C.

Lata świetlne

Odległości astronomiczne są mierzone w latach świetlnych (odległość jaką pokonuję światło w jeden ziemski rok, w przybliżeniu 9,46*10¹² km lub ok. 5,88 mil). Ponieważ światło rozchodzi się z dużą lecz skończoną prędkością, potrzeba czasu żeby przebyło duże odległości. Światło odległych gwiazd, które obserwujemy zostało wyemitowane dawno temu, w rezultacie widzimy ich odległą przeszłość. Także mówiąc o naszej gwieździe, patrzymy w przeszłość. Światło ze słońca potrzebuję około ośmiu minut i dwudziestu sekund aby dotrzeć do ziemi.

Prędkość światła odgrywa ważną role w komunikacji. Biorąc pod uwagę długość [równik]a, która wynosi ok. 40 075 km i c w przybliżeniu 300 000 km/s, teoretycznie najkrótszy czas przesłania informacji na drugą stronę globu po powierzchni wynosi 0,0668 s.

Rzeczywisty czas transmisji jest dłuższy, częsciowo z tego powodu, że prędkość światła w światłowodzie jest mniejsza o ok. 35% w zależności od współczynnika załamania n (${\displaystyle v=c/n}$ oraz krzywizny Ziemi, ale także z powodu opóźnień sygnału spowodowanych przez przełączniki i regeneratory. Typowy czas odpowiedzi komputerów na rok 2004 między Stanami Zjednoczonymi a Australia, albo Japonią wynosi 0,18 s. Prędkość światła wpływa także na projektowanie komunikacji bezprzewodowej.

Skończona prędkości światła powoduje, że komunikacja ze statkami powietrznymi nie jest natychmiastowa, a czas transmisji staje się znaczący gdy wzrasta odległość. Opóźnienie odczuto podczas misji Apollo 8, który jako pierwszy dostał się na orbitę księżyca. Na każdą odpowiedź, ze statku kosmicznego Centrum Lotów w Houston musiało czekać prawie 3 sekundy.

To zjawisko jest podstawą globalnego systemu pozycjonowania GPS i innych systemów nawigacyjnych. Dokładna pozycja jest określana dzięki opóźnieniom w dotarciu sygnału radiowego z kilku satelit, z których każda ma na pokładzie zsynchronizowany dokładny zegar atomowy. Aby system działał poprawnie trzeba wziąć pod uwagę ruch satelity i odbiornika względem siebie, co m.in. przyczyniło się do odkrycia (na skale międzyplanetarną) skończonej prędkości światła.

Tym samym natychmiastowe zdalne sterowanie statkiem kosmicznym jest niemożliwe, gdyż na przesłanie informacji ze statku na Ziemie, oraz w drugą stronę potrzeba czasu. Informacja o problemie na statku mogłaby dotrzeć na Ziemię po kilku godzinach i tyle samo zajęłoby przesłanie rozkazów do statku.

Prędkość światła ma także znaczenie na krótkich odległościach. Ogranicza ona prędkość przesyłania informacji między procesorami w superkomputerach. Jeżeli procesor taktuje z szybkością 1 GHz sygnał może pokonać co najwyżej 300 mm w jednym cyklu. Dlatego procesory muszą być umieszczone blisko siebie, aby zminimalizować opóźnienia. Jeżeli częstotliwość taktowania będzie wzrastać, prędkość światła stanie się czynnikiem ograniczającym możliwości pojedyńczych układów scalonych.

Stała prędkość we wszystkich inercjalnych układach odniesienia

Jesteśmy przyzwyczajeni do zasady dodawnia prędkości: jeżeli dwa samochody zbliżają się do siebie z dwóch przeciwnych kierunków, każdy poruszczając się z prędkością 50 km/h, to każdy z kierowców zmierzy z dużą dokładnością, że względem powierzchni drogi, samochód z na przeciwka zbliża się z prędkością 50 + 50 = 100 km/h.

Gdy w grę wchodzą duże prędkości zasada ta przestaje obowiązywać. Dwa pojazdy kosmiczne zbliżające się do siebie, każdy z prędkością 90% prędkości światłaHowever, as speeds increase this rule becomes less accurate. Two spaceships approaching each other, each traveling at 90% the speed of light relative to some third observer between them, do not measure each other as approaching at 90% + 90% = 180% the speed of light; instead they each measure the other as approaching at slightly less than 99.5% the speed of light. This last result is given by the Einstein velocity-addition formula:^[7]

${\displaystyle u={v+w \over 1+vw/{c}^{2}}\,\!}$

where ${\displaystyle v}$ and ${\displaystyle w}$ are the (positive) velocities of the spaceships as measured by the third observer, and ${\displaystyle u}$ is the measured velocity of either space ship as observed by the other.^[8] This reduces to ${\displaystyle u=v+w}$ for sufficiently small values of ${\displaystyle v}$ and ${\displaystyle w}$ (such as those typically encountered in common daily experiences), as the term ${\displaystyle vw/{c}^{2}}$ approaches zero, reducing the denominator to 1.

If one of the velocities for the above formula (or both) are c, the final result is c, as is expected if the speed of light is the same in all reference frames. Another important result is that this formula always returns a value which is less than c whenever v and w are less than c: this shows that no acceleration in any frame of reference can cause one to exceed the speed of light with respect to another observer. Thus c acts as a speed limit for all objects with respect to all other objects in special relativity.

Luminiferous aether (discredited)

Before the advent of special relativity, it was believed that light travels through a medium called the luminiferous aether. Maxwell’s equations predict a given speed of light, in much the same way as is the speed of sound in air. The speed of sound in air is relative to the movement of the air itself, and the speed of sound in air with respect to an observer may be changed if the observer is moving with respect to the air (or vice versa). The speed of light was believed to be relative to a medium of transmission for light that acted as air does for the transmission of sound—the luminiferous aether.

The Michelson–Morley experiment, arguably the most famous and useful failed experiment in the history of physics, was designed to detect the motion of the Earth through the luminiferous aether. It could not find any trace of this kind of motion, suggesting, as a result, that it is impossible to detect one's presumed absolute motion, that is, motion with respect to the hypothesized luminiferous aether. The Michelson–Morley experiment said little about the speed of light relative to the light’s source and observer’s velocity, as both the source and observer in this experiment were traveling at the same velocity together in space.

Interaction with transparent materials

In passing through materials, the observed speed of light can differ from c. The ratio of c to the phase velocity of light in the material is called the refractive index. The speed of light in air is only slightly less than c. Denser media, such as water and glass, can slow light much more, to fractions such as ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}$ and ${\displaystyle {\tfrac {2}{3}}}$ of c. Through diamond, light is much slower—only about 124,000 kilometres per second, less than ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}$ of c.^[9] This reduction in speed is also responsible for bending of light at an interface between two materials with different indices, a phenomenon known as refraction.

Since the speed of light in a material depends on the refractive index, and the refractive index may depend on the frequency of the light, light at different frequencies can travel at different speeds through the same material. This effect is called dispersion.

Classically, considering electromagnetic radiation to be a wave, the charges of each atom (primarily the electrons) interact with the electric and magnetic fields of the radiation, slowing its progress.

A more complete description of the passage of light through a medium is given by quantum electrodynamics.