Brzina svjetlosti

Brzina svetlosti u vakuumu iznosi tačno 299.792.458 m/s (približno 300.000 km/s), predstavlja važnu fizičku konstantu i zato se obeležava posebnim slovom c. U različitim sredinama (tečnostima, gasovima itd.) brzina svetlosti je različita i uvek manja nego u vakuumu. S obzirom da je svetlost oblik elektromagnetnog zračenja, njena brzina zavisi od električnih i magnetnih svojstava sredine kroz koju se kreće i konstantna je za tu sredinu. Izračunava se na osnovu formule: . U vakuumu je .

Brzina svetlosti je jedan od važnijih pojmova u Ajnštajnovoj teoriji relativnosti. U teoriji relativnosti,  međusobno povezuje prostor i vreme, a isto tako se javlja u poznatoj jednačini jednakosti mase i energije . Prema istoj teoriji nije moguće kretanje brzinama većim od brzine svetlosti u vakuumu.

Prvu poznatu naučnu metodu za merenje brzine svetla izveo je danski astronom Ole Kristensen Remer 1675. godine. Posle njega, Fizo bez astronomskih metoda dolazi do brzine svetlosti koja iznosi 313.870 km/s. Najpoznatije merenje brzine je izveo Albert Majkelson, uz pomoć rotirajućih ogledala u Kaliforniji. Zahvaljujući tim eksperimentima, utvrđeno je da je brzina svetlosti 299.792,458 km/s, a sam Majkelson je dobio Nobelovu nagradu 1907.

S obzirom da se osnovna merna jedinica za vreme, sekunda, može preciznije izmeriti od osnovne jedinica za dužinu, metra, brzina svetlosti je iskorišćena za preciznu definiciju ove merne jedinice. Tako je od 21. oktobra 1983. godine metar određen kao rastojanje koje svetlost pređe u vakuumu za 1/299.792.458 deo sekunde.

Numerička vrednost, simbol i jedinice 

Brzina svetlosti u vakuumu se obično označava malim slovom , za constant ili  (sa značenjem „brzina“). Istorijski, simbol V je korišten kao alternativni simbol za brzinu svetlosti, koji je uveo Džejms Klerk Maksvel 1865. godine. Pol Drud je 1894. godine redefinisao simbol  u njegovo sadašnje značenje. Ajnštajn je koristio V u svojim originalnim publikacijama na nemačkom o specijalnoj relativnosti 1905, ali je 1907. prešao na , koje je u to vreme postalo standardni simbol za brzinu svetlosti.

Ponekad se  koristi za brzinu talasa u bilo kom materijalnom mediju, a 0 za brzinu svetlosti u vakuumu. Ova usvojena notacija, koja je podržana u zvaničnoj SI literaturi, ima istu formu kao i druge srodne konstante: naime, μ0 za permeabilnost vakuuma ili magnetna konstanta, ε0 za dielektričnu konstantu vakuuma ili električnu konstantu, i Z0 za otpornost prostora. Ovaj članak isključivo koristi  za brzinu svetlosti u vakuumu.

Od 1983, metar je definisan u Međunarodnom sistemu jedinica (SI) kao rastojanje koje svetlost pređe u vakuumu za  sekundi. Ova definicija podrazumeva brzinu svetlosti u vakuumu na tačno .
Kao dimenziona fizička konstanta, numerička vrednost  se razlikuje za različite sisteme jedinica. Brzina svetlosti u imperijalnim (britanskim) jedinicama i SAD jedinicama je bazirana na inču sa tačno  i njena vrednosti je tačno 186.282 milja, 698 jardi, 2 stope, i  inča po sekundi.
U granama fizike u kojima se  često javlja, kao što je teorija relativnosti, uobičajeno se koriste sistemi prirodnih jedinica kretanja ili geometrijski sistem jedinica gde . Koristeći ove jedinice,  se ne pojavljuje eksplicitno pošto množenje ili deljenje sa 1 ne utiče na rezultat.

Istorija merenja 

Pre prvih naučnih pokušaja merenja brzine svetlosti, najveće rasprave su se vodile oko toga putuje li svetlost konačnom brzinom, ili se širi prostorom trenutno (beskonačno brzo). Više fizičara je pokušalo da izmeri brzinu svetlosti kroz istoriju. Galileo je pokušao da to uradi u sedamnaestom veku.

Remerova merenja 

Danski astronom Ole Rømer je izveo rani eksperiment merenja brzine svetlosti 1676. godine. Koristeći teleskop, Rømer je posmatrao kretanje Jupitera i jednog od njegovih satelita, Io. Uočivši odstupanja u uočenom periodu Iove orbite, on je izračunao da je svetlosti potrebno oko 22 minuta da pređe dijametar Zemljine orbite. On je ustanovio da trenuci opažanja okultacija (kad se nebesko telo, gledano sa Zemlje, skriva iza drugog) Jupiterovih satelita zavise od brzine širenja svetlosti. Do tada se smatralo da se svetlost širi beskonačnom brzinom. Kada se Zemlja nalazi u položaju 1. (vidi sliku), posmatrač uočava da do okultacija dolazi u jednakim vremenskim razmacima, tada se Zemlja niti približava niti udaljava od Jupitera. U položaju 2. Zemlja se udaljava od Jupitera, a posmatrač nalazi da trenuci okultacije kasne. Razlog je u tome što je svetlosti potrebno dodatno vreme da prevali povećanu udaljenost do Zemlje. Znajući u kojim su se razmacima vremena okultacije pojavljivale u položaju 1, može se predvideti vreme okultacije kada se dođe u položaju 3. Međutim do nje ne bi dolazilo još toliko vremena koliko je svetlosti potrebno da prevali udaljenost od položaja Zemlje 1. do položaja Zemlje 3, a to je dužina 2a. Remer je izmerio da ukupno kašnjenje iznosi oko t = 1,000 sekundi. Za brzinu svetlosti sledi:

gde je: c – brzina svetlosti, a – udaljenost Zemlje od Sunca, t – vreme kašnjenja svetlosti.

Brojna vrednost brzine svetlosti direktno zavisi od tačnosti s kojom je poznata srednja udaljenost do Sunca (u ono vreme poznata kao 140 milona kilometara). Odnos brzine svetlosti i brzine Zemlje ne zavisi od srednje udaljenosti do Sunca. Naime, kako je brzina kretanja Zemlje po stazi jednaka v = 2aπ / Z, gde je Z siderička godina, to je:

gde je: c – brzina svetlosti, v = brzina kretanja Zemlje, a – udaljenost Zemlje od Sunca, Z - siderička godina Zemlje, π = 3.14, t – vreme kašnjenja svetlosti.

Remer je vršio merenja oko 8 godina i odnos c : v je izašao oko 7600. No veličina Zemljine orbite nije bila poznata u to vreme. Na osnovu njegovih merenja brzinu svetlosti je izračunao Kristijan Hajgens i on je dobio za oko 25% manju vrednost od današnjih merenja, odnosno 227.000.000 m/s. Današnje vrednosti su 299.792 km/s : 29,8 km/s ≈ 10,100. 

Značajno je da je Remer dokazao da je brzina svetlosti konačna. Njegovi rezultati nisu u početku prihvaćeni, sve dok Džejms Bredli 1727. nije otkrio aberaciju svetlosti.

Kasnija merenja 

Godine 1809. francuski astronom Žan-Batist-Žozef Delambr je ponovio Remerova merenja, koja su tada obavljena s mnogo tačnijim mernim instrumentima i dobio za brzinu svetlosti oko 300.000 km/s. On je u stvari izmerio da svetlost putuje sa Sunca do Zemlje 8 minuta i 12 sekundi (stvarna vrednost je 8 minuta i 19 sekundi).

Pored astronomskih merenja, naučnici su pokušali da mere brzinu svetlosti na Zemlji, na relativno malim udaljenostima. Ipolit Fizo je 1849. godine izveo jedno takvo merenje. On je usmerio zrak svetlosti u ogledalo udaljeno nekoliko kilometara. Rotirajući zupčanik je postavljen na putu svetlosnog zraka koji se kretao od njegovog izvora do ogledala i nazad. Fizo je utvrdio da pri određenoj brzini rotacije, zrak prolazi kroz jedan otvor na zupčaniku na svom putu ka ogledalu i kroz sledeći otvor na povratku. Polazeći od rastojanja do ogledala, broja zuba na zupčaniku, i brzine rotacije, Fizo je dobio brzinu svetlosti od oko 313.300 km/s.

Leon Fuko je 1862. godine izvršio eksperiment u kome su korišćena rotirajuća ogledala i došao je do vrednosti od 298.000.000 m/s. 

Američki fizičar Albert Abraham Majkelson je sprovodio eksperimente određivanja brzina svetlosti od 1877. do svoje smrti 1931. Koristio se osmostaničnim rotirajućim ogledalom i izvorom svetlosti udaljenim oko 35 km. On je rafinirao Fukove metode 1926. godine koristeći poboljšana rotirajuća ogledala da izmeri vreme neophodno da svetlost napravi povratno putovanje od Mount Wilson do Mount San Antonio u Kaliforniji. Precizna merenja su proizvela vrednost brzine od 299.796,000 m/s. Za svoja je merenja svetlosti primio Nobelovu nagradu za fiziku. Posle je s kolegom Edvardom Morlejem sproveo Majkelson—Morlijev eksperiment, u kojem su dokazali da brzina svetlosti ne zavisi od izvora, niti od brzine kretanja izvora.

Savremena merenja su utvrdila brzinu svetlosti na tačno 299.792.458 m/s.

Usporavanje svetlosti 

Efektivna brzina svetlosti u raznim transparentnim supstancama je manja od brzine u vakuumu. Na primer brzina svetlosti u vodi je oko 3/4 brzine u vakuumu.

Dva nezavisna tima fizičara su dovela svetlost u „kompletan zastoj“ propuštajući je kroz Bose–Ajnštajnov kondenzat elementa rubidijuma. Jedan tim je bio sa Harvarda i Roulandovog instituta za nauku u Kambridžu, Masačusets, a drugi sa Harvard–Smitsonijanskog centra za astrofiziku, takođe u Kembridžu. Međutim, taj „zastoj“ se odnosi samo na zastavljanje svetlosti u pobuđenim stanjima atoma, i njeno reemitovanje nakon arbitrarnog vremenskog razmaka, nakon stimulacije drugim laserskim pulsom. Tokom vremena u kome je svetlost bila „zaustavljena“, ona je prestala da bude svetlost.

Uloga u fizici

Granična brzina 

Prema posebnoj teoriji relativnosti, energija predmeta mase m i brzine v data je jednačinom , gde je γ Lorencov faktor. Ako telo miruje, v je jednaka nuli, pa je γ jednak 1, iz čega sledi , kojim se definiše ekvivalencija mase i energije. γ se približava beskonačnosti kako se v približava c, pa bi bila potrebna beskonačna količina energije kako bi objekt mase m dostigao brzinu svetlosti. Drugim rečima, masa m tela koje miruje manja je od mase m0 tela koje se kreće: u skladu sa formulom . To znači da što je telo brže, i što se više približava brzini svetlosti, treba mu sve više energije kako bi svoju, sve veću masu, uspelo da ubrza. Brzina svetlosti je time gornja granica brzine za objekte koji posjeduju masu, pa zbog toga pojedinačni fotoni ne mogu putovati brzinama većim od brzine svetlosti. Ovo je eksperimentalno dokazano u mnogim testiranjima relativističke energije i momenta.

Napomene

Literatura

Reference

Vidi još 

 Svetlost

Optika
Talasi
Elektromagnetizam
Fizičke konstante
Fundamentalne konstante
Jedinice za brzinu