Laju cahaya
Pada awal abad ke-17, Johannes Kepler percaya bahwa laju cahaya adalah terbatas, karena ruang kosong tidak memberikan halangan pada cahaya. René Descartes berpendapat bahwa jika laju cahaya terbatas, Matahari, Bumi, dan Bulan akan keluar dari kesejajaran saat gerhana bulan. Karena salah penjajaran tersebut belum diamati, Descartes menyimpulkan laju cahaya adalah
terbatas. Descartes berspekulasi bahwa jika laju cahaya terbatas, seluruh sistem filsafatnya mungkin hancur. Dalam derivasi Descartes dari hukum Snell, dia berasumsi bahwa meskipun laju cahaya adalah sesaat, semakin padat medium, semakin cepat laju cahaya. Pierre de Fermat menurunkan hukum Snell menggunakan asumsi yang berlawanan, semakin padat medium semakin lambat cahaya bergerak. Fermat juga berpendapat dalam mendukung kecepatan terbatas cahaya.
Pada tahun 1629, Isaac Beeckman mengusulkan sebuah percobaan dimana seseorang mengamati kilatan meriam terpantul dari cermin sekitar satu mil (1.6 km) jauhnya. Pada tahun 1638, Galileo Galilei mengusulkan eksperimen, dengan klaim yang jelas telah melakukan itu beberapa tahun sebelumnya, untuk mengukur laju cahaya dengan mengamati penundaan antara membuka lentera dan persepsi di tempat
yang agak jauh. Ia tidak dapat membedakan apakah perjalanan cahaya seketika atau tidak, tetapi menyimpulkan bahwa jika tidak, itu harus tetap menjadi luar biasa cepat. Pada 1667, Accademia del Cimento dari Florence melaporkan bahwa mereka telah melakukan percobaan Galileo, dengan lentera berjarak sekitar satu mil, tetapi tidak ada penundaan yang diamati. Penundaan yang sebenarnya dalam percobaan ini akan menjadi sekitar 11 mikrodetik.
Perkiraan kuantitatif pertama dari laju cahaya dibuat pada 1676 oleh Rmer (lihat Determinasi Rmer dari laju cahaya). Dari pengamatan bahwa periode bulan terdalam Yupiter Io tampak lebih pendek ketika Bumi mendekati Yupiter daripada ketika menjauhi dari itu, ia menyimpulkan bahwa cahaya berjalan pada laju yang terbatas, dan memperkirakan bahwa cahaya membutuhkan 22 menit untuk
menyeberangi diameter orbit bumi. Christiaan Huygens mengkombinasikan perkiraan ini dengan perkiraan untuk diameter orbit bumi untuk mendapatkan perkiraan laju cahaya 220000 km/s, 26% lebih rendah dari nilai yang sebenarnya.
Pada bukunya tahun 1704 Opticks, Isaac Newton melaporkan perhitungan Rmer untuk laju terbatas cahaya dan memberikan nilai "tujuh atau delapan menit" untuk waktu yang dibutuhkan untuk cahaya untuk perjalanan dari matahari ke bumi (nilai modern 8menit 19detik). Newton bertanya apakah bayangan gerhana Rmer ini berwarna; mendengar bahwa mereka tidak, ia menyimpulkan warna yang berbeda bergerak
pada laju yang sama. Pada 1729, James Bradley menemukan aberasi bintang. Dari efek ini ia menentukan bahwa cahaya harus bergerak 10210 kali lebih cepat dari Bumi di orbitnya (angka modern 10066 kali lebih cepat) atau, sama, bahwa cahaya akan memerlukan 8 menit 12 detik untuk perjalanan dari matahari ke bumi.
Pada abad ke-19 Hippolyte Fizeau mengembangkan metode untuk menentukan laju cahaya berdasarkan pengukuran waktu terbang di Bumi dan melaporkan nilai 315000 km/s. Metodenya diperbaiki oleh Léon Foucault yang memperoleh nilai 298000 km/s pada tahun 1862. Pada tahun 1856, Wilhelm Eduard Weber dan Rudolf Kohlrausch mengukur rasio unit elektromagnetik dan elektrostatik dari muatan, 1/00,
dengan melepaskan muatan dari tabung Leyden, dan menemukan bahwa nilai numeriknya sangat dekat dengan laju cahaya yang diukur langsung oleh Fizeau. Tahun berikutnya Gustav Kirchhoff menghitung bahwa sinyal listrik dalam kawat tanpa hambatan berjalan sepanjang kawat pada kelajuan ini. Pada tahun 1860-an awal, Maxwell menunjukkan bahwa, menurut teori elektromagnetisme yang dia kerjakan,
gelombang elektromagnetik merambat di ruang kosong pada kelajuan yang sama dengan rasio Weber/Kohrausch di atas, dan menarik perhatian terhadap kedekatan numerik dari nilai ini dengan laju cahaya yang diukur oleh Fizeau, ia mengusulkan bahwa cahaya sebenarnya merupakan gelombang elektromagnetik.
Dipikirkan pada saat itu bahwa ruang kosong diisi dengan media latar belakang yang disebut luminiferous aether dimana medan elektromagnetik ada. Beberapa fisikawan berpikir bahwa aether ini bertindak sebagai kerangka terpilih acuan untuk perambatan cahaya dan karena itu harus mungkin untuk mengukur gerakan bumi sehubungan dengan media ini, dengan mengukur isotropi kecepatan cahaya. Dimulai pada
tahun 1880-an beberapa percobaan dilakukan untuk mencoba mendeteksi gerakan ini, yang paling terkenal adalah percobaan yang dilakukan oleh Albert A. Michelson dan Edward W. Morley pada tahun 1887. Gerakan yang terdeteksi selalu kurang dari kesalahan pengamatan. Percobaan modern menunjukkan bahwa laju dua arah cahaya adalah isotropik (sama di setiap arah) hingga 6
nanometer per detik. Karena percobaan ini Hendrik Lorentz mengusulkan bahwa gerak aparatus melalui aether dapat menyebabkan aparatur untuk berkontraksi sepanjang panjangnya dalam arah gerakan, dan ia lebih lanjut berasumsi, bahwa variabel waktu untuk sistem bergerak juga harus diubah sesuai ("waktu setempat"), yang menyebabkan perumusan transformasi Lorentz. Berdasarkan teori aether Lorentz ini,
Henri Poincaré (1900) menunjukkan bahwa waktu setempat ini (ke urutan pertama dalam v/c) ditunjukkan dengan jam bergerak dalam aether, yang disinkronkan dengan asumsi kecepatan cahaya konstan. Pada tahun 1904, ia berspekulasi bahwa laju cahaya bisa menjadi kecepatan pembatas dalam dinamika, asalkan semua asumsi teori Lorentz ini dikonfirmasi. Pada tahun 1905, Poincaré membawa teori aether Lorentz ke dalam perjanjian observasional penuh dengan prinsip relativitas.
Pada tahun 1905 Einstein mendalilkan dari awal bahwa laju cahaya dalam ruang hampa, diukur oleh pengamat yang tidak dipercepat, independen dari gerakan sumber atau pengamat. Menggunakan ini dan prinsip relativitas sebagai dasar ia menurunkan teori relativitas khusus, dimana laju cahaya dalam ruang hampa c menjadi sebuah konstanta dasar, juga muncul dalam konteks yang
tidak terkait dengan cahaya. Hal ini membuat konsep aether stasioner (yang masih dianut Lorentz dan Poincare) tidak berguna dan merevolusi konsep ruang dan waktu.
Pada paruh kedua abad ke-20 banyak kemajuan dibuat dalam meningkatkan akurasi pengukuran laju cahaya, pertama dengan teknik resonansi cavity dan kemudian dengan teknik interferometer laser. Ini dibantu oleh definisi meter dan detik yang baru dan lebih tepat. Pada tahun 1950, Louis Essen menentukan laju cahaya sebagai 299792.51 km/s, menggunakan resonansi cavity. Nilai ini diadopsi oleh Majelis Umum
ke-12 dari Radio-Scientific Union pada tahun 1957. Pada tahun 1960, meter didefinisikan kembali berdasarkan panjang gelombang garis spektrum tertentu kripton-86, dan, pada tahun 1967, detik didefinisikan kembali berdasarkan frekuensi transisi hyperfine dari keadaan dasar sesium-133.
Pada tahun 1972, menggunakan metode laser interferometer dan definisi baru, sebuah kelompok di NBS di Boulder, Colorado menentukan laju cahaya dalam ruang hampa menjadi c=299792456.21.1 m/s. Ini adalah 100 kali lebih pasti dari nilai yang diterima sebelumnya. Ketidakpastian yang tersisa terutama terkait dengan definisi meter.[Note 11] Karena percobaan serupa menemukan hasil yang
sebanding untuk c, Konferensi Umum mengenai Berat dan Ukuran (French: Conférence générale des poids et mesures, CGPM) ke-15 pada tahun 1975 merekomendasikan menggunakan nilai 299792458 m/s untuk laju cahaya.
Pada tahun 1983 CGPM ke-17 menemukan bahwa panjang gelombang dari pengukuran frekuensi dan nilai yang diberikan untuk laju cahaya lebih dapat direproduksi dari standar sebelumnya. Mereka mempertahankan definisi detik tahun 1967, sehingga frekuensi hyperfine sesium sekarang akan menentukan baik detik dan meter. Untuk melakukan hal ini, mereka mendefinisikan ulang meter sebagai: "Meter