Valguse kiirus

Valguse kiirus on kiirus, millega levib elektromagnetkiirgus, sealhulgas valgus. Seejuures peetakse enamasti silmas valguse kiirust vaakumis.

Elektromagnetlainete levimiskiirus sõltub üldjuhul keskkonnast, kus need levivad. Kõige suurem on see vaakumis. Vastavalt Einsteini relatiivsusteooriale on valguse kiirus vaakumis ühesugune kõikides inertsiaalsetes taustsüsteemides ega sõltu valgusallika liikumise kiirusest. Lähtuvalt sellest printsiibist on valguse kiirus vaakumis   füüsikaline konstant, mille väärtus

See väärtus on täpne ja valitud niisugune, mis kehtestamise ajal vastas kõige paremini mõõtmistulemustele. Selle väärtuse kaudu defineeritakse tänapäeval SI-süsteemi pikkuse ühik meeter.

Ligikaudsetes arvutustes kasutatakse harilikult valguse kiiruse ümardatud väärtust c ≈ 300 000 000 m/s.

Universaalne piirkiirus 
Vastavalt relatiivsusteooriale liiguvad osakesed, millel seisumass puudub, alati valguse kiirusel. Sellisteks osakesteks on footonid ja gluuonid. Seisumassiga osakesed peavad aga alati liikuma kiirusega, mis on väiksem kui valguse kiirus vaakumis (sellise osakese kiirendamiseks valguse kiirusele läheks tarvis lõputult energiat, mis on võimatu). Seega on valguse kiirus vaakumis ühtlasi maksimaalne võimalik kiirus, millega üks objekt võib teiste suhtes liikuda.

Ajalugu

Spekulatsioonid valguse kiiruse lõplikkuse üle
Küsimus, kas valgus levib silmapilkselt või lõpliku kiirusega, pakkus huvi juba antiikfilosoofias. Et valgus katab kilomeetri kõigest 3 mikrosekundiga, ei olnud tollal võimalik valguse lõplikku kiirust vaadelda.

Siiski uskus juba Empedokles (umbes 450 eKr), et valgus liigub ning vajab vahemaade katmiseks aega. Aristoteles seevastu arvas, et valgus ei liigu, vaid tuleneb asjade pelgast olemasolust. Ta põhjendas oma arvamust sellega, et kui valgus liiguks, oleks valguse kiirus kujuteldamatult suur. Aristotelese autoriteedi ja mõju tõttu kujunes üldtunnustatud seisukohaks.

Ühe vanaaja nägemisteooria järgi kiirgab nägemiseks vajalikku valgust silm ise. Objekti nähakse sellepärast, et sellele langevad silmast lähtuvad valguskiired. Heron Aleksandriast esitas sellele tugineva argumendi Aristotelese seisukoha toetuseks: valguse kiirus peab olema lõpmata suur, sest isegi kaugeid tähti nähakse kohe, kui silmad avatakse.

Hommikumaal seevastu oli levinud ka valguse lõpliku kiiruse idee, mille pooldajad (sealhulgas Avicenna ja Alhazen, mõlemad 1000. aasta paiku) olid vähemuses.

17. sajandi alguses uskus astronoom Johannes Kepler, et valguse kiirus on vähemalt vaakumis lõpmatu, sest tühjas ruumis pole miski valgusele takistuseks. Siin on juba idee, et valguskiire kiirus oleneb keskkonnast.

Francis Bacon arutles, et valguse kiirus ei pea tingimata olema lõpmata suur, vaid on võib-olla lihtsalt nii suur, et see pole tajutav.

René Descartes pidas valguse kiirust lõpmata suureks. Päike, Kuu ja Maa on päikesevarjutuse ajal ühel joonel. Descartes esitas argumendi, et kui valguse kiirus oleks lõplik, siis vaatlejale ei näiks nad ühel joonel olevat; nii pidas ta valguse kiiruse lõpmatust empiiriliselt tõendatuks. Descartes oli veendunud, et valguse kiiruse lõplikkus lõhuks tema maailmapildi.

1700. aasta paiku eeldasid Isaac Newtoni ja Christiaan Huygensi teooria valguse lõplikku kiirust. Newton pidas valgust osakeste vooks, Huygens laineks. Mõlemad seletasid valguse murdumisseadust, pidades valguse kiirust murdumisnäitajaga võrdeliseks (Newton) või pöördvõrdeliseks (Huygens). Kui 19. sajandil vaadeldi valguse interferentsi ja difraktsiooni ning mõõdeti valguse kiirust keskkondades, peeti Newtoni teooria ümberlükatuks.

Et Huygensi ajal mõõdeti esimest korda valguse kiirust ning see osutus tema meelest liiga suureks, et massiga kehad võiksid selle saavutada, püstitas ta hüpoteesi, et on olemas elastne (nähtamatu ja mõõdetamatu) taustkeskkond eeter, milles valgus liigub sarnaselt sellega, nagu õhus liiguvad helilained.

Valguse kiiruse mõõtmised
 

Galileo Galilei proovis 1600. aasta paiku esimesena valguse kiirust teaduslike vahenditega mõõta. Temal ja abilisel oli kummalgi signaallatern ja nad olid kumbki eri künka otsas. Küngastevaheline kaugus oli teada. Abiline pidi Galilei signaalile viivitamatult vastama. Ta lootis, et ta saab mõõta valguse kiirust, lahutades abilise reaktsiooniaja maha. Sarnase meetodiga oli ta juba edukalt mõõtnud heli kiirust. Tema üllatuseks ei jäänud aga pärast reaktsiooniaja mahalahutamist midagi järele. Mõõdetavat erinevust ei andnud ka kauguse suurendamine laternate nähtavuse piirini. Isaac Beeckman pani 1629 ette modifitseeritud katse, milles valgust peegeldatakse peegliga. Descartes pidas selliseid katseid ülearusteks, sest palju täpsemad vaatlused päikesevarjutuste abiga olid tema meelest juba andnud negatiivse tulemuse.

Sellegipoolest kordas Accademia del Cimento Firenzes 1667 Galilei katset, asetades lambid teineteisest miili kaugusele. Ka seekord ei täheldatud viivitust. See kinnitas Descartesi seisukohta, et valgus levib lõpmata kiiresti. Galilei ja Robert Hooke seevastu tõlgendasid seda tulemust nii, et valguse kiirus on liiga suur, et seda saaks sellise katsega määrata.

Esimesena hindas valguse kiirust edukalt taani astronoom Ole Rømer 1676. Ta uuris teleskoobiga Jupiteri kaaslase Io liikumist. Sellest, millal Io Jupiteri varjust ilmub ja millal jälle varju jääb, tegi ta järelduse, et Io tiirlemisperiood on umbes 42,5 tundi. Nii saab Io varjutuse aega ennustada. Ent Rømer märkas, et arvutatud väärtused pole Io varjust väljatuleku ja Jupiteri varju jäämise hetkedega täpses kooskõlas: aasta jooksul käis Io algul üha enam ette, seejärel üha enam taha. Rømer seletas seda ajalist nihet sellega, et olenevalt Io ja Maa vahelisest kaugusest läbib valgus erineva vahemaa. Ta tegi järelduse, et valgus ei levi silmapilkselt, vaid lõpliku, kuigi väga suure kiirusega. Ta võttis Maa orbiidi läbimõõduks 22 valgusminutit. Tegelikult on see 16 valgusminutit ja 38 valgussekundit (täpsustuseks, kuna Maa orbiit on ellips, siis on sellisel moel esitatud Maa orbiidi läbimõõt keskmine suurus). Rømer pidi tegema oma mõõtmistest ekstrapolatsiooni (täpsustamata oma arvutust), sest suurima kauguse ajal Maast ei ole Jupiter ja Io vaadeldavad, sest Päike on vahel. Paljud Rømeri ajastu teadlased (näiteks tema ülemus Giovanni Domenico Cassini) aga keeldusid Rømeri avastust tunnistamast ja hoidsid kinni tolleaegsest üldlevinud ettekujutusest valguse lõpmatult kiirest levimisest ruumis.

Et Rømer ei teadnud Maa orbiidi läbimõõtu, ei saanud ta ka anda valguse kiirusele kindlat väärtust. Seda tegi esimesena Christiaan Huygens 1678. aastal. Ta viis kokku Rømeri andmed valguse kiiruse kohta ja Giovanni Domenico Cassini 1673 juhuslikult ligikaudu õigeks osutunud Maa orbiidi läbimõõdu hinnangu 280 miljonit kilomeetrit ning sai tulemuseks valguse kiiruse 213 000 km/s. Et mõlemad väärtused olid ebatäpsed, osutus saadud tulemus tänapäeval teadaolevast väärtusest umbes neljandiku võrra väiksemaks.

19. sajandil mõõtis valguse kiirust oma konstrueeritud seadeldisega prantslane Hippolyte Fizeau (1849. aastal). Mõõtmistulemusi täpsustasid 1862. aastal koos Léon Foucault ja Charles Wheatstone, kasutades keerlevate peeglitega seadeldist.

Vaata ka 
 Tšerenkovi kiirgus

Viited

Välislingid 
 Ingliskeelne video Ole Rømeri valguse kiiruse mõõtmisest
 Ingliskeelne video Hippolyte Fizeau 1849. aasta eksperimendist

Füüsikalised konstandid
Elektromagnetism