Laju cahaya
Laju cahaya (kelajuan cahaya dalam ruang vakum; kecepatan cahaya), disimbolkan dengan c, adalah sebuah konstanta fisika universal yang penting dalam banyak bidang fisika. Nilai presisinya adalah 299792458meter per detik (kira-kira 3.00108 m/s), karena panjang meter didefinisikan berdasarkan konstanta ini dan standar internasional waktu. Kelajuan ini merupakan kelajuan maksimum yang
dapat dilajui oleh segala bentuk energi, materi, dan informasi dalam alam semesta. Kelajuan ini merupakan kelajuan segala partikel tak bermassa dan medan fisika, termasuk radiasi elektromagnetik dalam vakum. Kelajuan ini pula menurut teori modern adalah kelajuan gravitasi (kelajuan dari gelombang gravitasi). Partikel-partikel maupun gelombang-gelombang ini bergerak pada kelajuan c
tanpa tergantung pada sumber gerak maupun kerangka acuan inersial pengamat. Dalam teori relativitas, c saling berkaitan dengan ruang waktu. Konstanta ini muncul pula pada persamaan fisika kesetaraan massa-energi E = mc2.
Kelajuan cahaya yang merambat melalui bahan-bahan transparan seperti gelas ataupun udara lebih lambat dari c. Rasio antara c dengan kelajuan v (kelajuan rambat cahaya dalam suatu materi) disebut sebagai indeks bias n material tersebut (n = c/v). Sebagai contohnya, indeks refraksi gelas umumnya berkisar sekitar 1.5, berarti bahwa cahaya dalam gelas bergerak pada kelajuan c/1.5
200000 km/s; indeks refraksi udara untuk cahaya tampak adalah sekitar 1.0003, sehingga kelajuan cahaya dalam udara adalah sekitar 299700 km/s (sekitar 90 km/s lebih lambat daripada c).
Untuk berbagai tujuan praktis, cahaya dan gelombang elektromagnetik lainnya akan tampak untuk menyebar secara seketika, tetapi untuk jarak jauh dan pengukuran yang sangat sensitif, kelajuan terbatasnya memiliki efek yang nyata. Dalam berkomunikasi dengan wahana antariksa yang jauh, dapat dibutuhkan bermenit-menit sampai berjam-jam agar pesan dari Bumi dapat
mencapai pesawat ruang angkasa, atau sebaliknya. Cahaya yang dilihat dari bintang meninggalkan bintang tersebut bertahun-tahun yang lalu, yang memungkinkan studi tentang sejarah alam semesta dengan melihat objek yang jauh. Kelajuan terbatas cahaya juga membatasi kecepatan maksimum teoretis komputer, karena informasi harus dikirim dalam komputer dari chip ke chip. Kecepatan cahaya dapat digunakan dengan pengukuran waktu penerbangan untuk mengukur jarak besar dengan presisi tinggi.
Ole Rmer pertama menunjukkan pada 1676 bahwa cahaya berjalan pada kecepatan yang terbatas (bukannya seketika) dengan mempelajari gerakan yang tampak dari bulan Yupiter Io. Pada tahun 1865, James Clerk Maxwell mengusulkan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik, dan karena itu bergerak dengan kecepatan c yang muncul dalam teori elektromagnetismenya. Pada tahun 1905, Albert
Einstein mendalilkan bahwa laju cahaya sehubungan dengan kerangka inersia independen dari gerakan sumber cahaya, dan menjelajahi konsekuensi postulat dengan menurunkan teori relativitas khusus dan menunjukkan bahwa parameter c memiliki relevansi di luar konteks cahaya dan elektromagnetisme.
Setelah berabad-abad pengukuran semakin tepat, pada tahun 1975 kecepatan cahaya diketahui sebagai 299792458 m/s dengan ketidakpastian pengukuran 4 bagian per miliar. Pada tahun 1983, meter didefinisikan kembali dalam Sistem Satuan Internasional (SI) sebagai jarak yang ditempuh oleh cahaya dalam ruang hampa di 1/299792458 detik. Akibatnya, nilai numerik dari c dalam meter per detik sekarang tetap persis dengan definisi meter.
Laju cahaya dalam ruang hampa biasanya dilambangkan dengan huruf kecil c, untuk "constant" atau bahasa Latin [celeritas]error: lang: text has italic markup (help) (yang berarti "kecepatan"). Secara historis, simbol V pernah digunakan sebagai simbol alternatif untuk laju cahaya, yang diperkenalkan oleh James Clerk Maxwell pada tahun 1865. Pada tahun 1856, Wilhelm Eduard Weber dan Rudolf Kohlrausch telah menggunakan
c untuk konstanta yang berbeda yang kemudian terbukti sama dengan 2 dikalikan laju cahaya dalam ruang hampa. Pada tahun 1894, Paul Drude mendefinisikan ulang c dengan makna modern. Einstein menggunakan V di makalah asli berbahasa Jerman tentang relativitas khusus pada tahun 1905, namun pada tahun 1907 ia beralih ke c, yang saat itu telah menjadi simbol standar untuk laju cahaya.
Kadang-kadang c digunakan untuk laju gelombang di medium bahan apapun, dan c0 untuk laju cahaya dalam ruang hampa. Notasi subscript ini, yang didukung dalam literatur SI resmi, memiliki bentuk yang sama sebagai konstanta terkait lainnya: yaitu, 0 untuk permeabilitas vakum atau konstanta magnetik, 0 untuk permitivitas vakum atau konstanta listrik, dan Z0 untuk impedansi ruang hampa. Artikel ini menggunakan c eksklusif untuk kecepatan cahaya dalam ruang hampa.
Sejak tahun 1983, meter telah didefinisikan dalam Sistem Satuan Internasional (SI) sebagai jarak perjalanan cahaya dalam ruang hampa dalam 1299792458 detik. Definisi ini menetapkan laju cahaya dalam ruang hampa di persis 299792458 m/s. Sebagai sebuah konstanta fisika berdimensi, nilai numerik dari c berbeda untuk sistem unit yang berbeda.[Note 3] Dalam cabang
fisika dimana c sering muncul, seperti dalam relativitas, itu adalah umum untuk menggunakan sistem pengukuran satuan natural atau sistem unit tergeometrisasi dengan c = 1. Menggunakan unit-unit ini, c tidak muncul secara eksplisit karena perkalian atau pembagian dengan 1 tidak memengaruhi hasil.
Kelajuan dimana gelombang cahaya merambat dalam ruang hampa adalah independen baik dari gerakan sumber gelombang dan dari kerangka acuan inersial pengamat.[Note 4] Invariansi dari kecepatan cahaya ini didalilkan oleh Einstein pada tahun 1905, setelah termotivasi oleh teori elektromagnetik Maxwell dan kurangnya bukti untuk luminiferous aether; sejak saat itu telah secara konsisten
dikonfirmasi oleh banyak percobaan. Hal ini hanya mungkin untuk memverifikasi secara eksperimental bahwa laju cahaya dua arah (misalnya, dari sumber ke cermin dan kembali lagi) adalah independen-kerangka, karena tidak mungkin untuk mengukur laju cahaya satu arah (misalnya, dari sumber ke detektor yang jauh) tanpa beberapa konvensi bagaimana jam pada sumber
dan pada detektor harus disinkronkan. Namun, dengan mengadopsi sinkronisasi Einstein untuk jam, kecepatan satu arah cahaya menjadi sama dengan kecepatan dua arah cahaya dengan definisi. Teori relativitas khusus mengeksplorasi konsekuensi dari invariansi c dengan asumsi bahwa hukum fisika adalah sama dalam semua kerangka acuan inersial. Salah satu konsekuensi
adalah bahwa c adalah laju dimana semua partikel tak bermassa dan gelombang, termasuk cahaya, harus berjalan dalam ruang hampa.
Relativitas khusus memiliki banyak implikasi yang berlawanan dengan intuisi dan diverifikasi secara eksperimental. Ini termasuk kesetaraan massa dan energi (E = mc2), kontraksi panjang (benda bergerak menjadi lebih pendek),[Note 5] dan dilatasi waktu (jam bergerak berjalan lebih lambat). Faktor  oleh yang panjang berkontraksi dan waktu berdilatasi dikenal sebagai
faktor Lorentz dan diberikan oleh  = (1  v2/c2)1/2, dimana v adalah kelajuan benda. Perbedaan  dari 1 dapat diabaikan untuk kelajuan jauh lebih lambat dari c, seperti kebanyakan kecepatan sehari-hari-tempat relativitas khusus didekati oleh relativitas Galilea-tetapi meningkat pada kecepatan relativistik dan menyimpang hingga tak terbatas ketika v mendekati c.
Hasil relativitas khusus dapat diringkas dengan memperlakukan ruang dan waktu sebagai struktur terpadu yang dikenal sebagai ruang-waktu (dengan c mengaitkan unit ruang dan waktu), dan mengharuskan teori fisika memenuhi simetri khusus yang disebut invariansi Lorentz, yaitu formulasi matematis berisi parameter c. Invariasi Lorentz adalah asumsi hampir universal untuk teori fisika modern,