سرعت نور

سرعت نور در خلأ ثبات جهانی و دقیقاً برابر ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ متر بر ثانیه است. علت دقت این است که تعریف متر بر اساس سرعت نور و تعریف ثانیه بنا شده‌است.

این کمیت را در فیزیک و دیگر علوم با حرف c نشان می‌دهند. در محاسبات عادی که دقت زیادی مورد نیاز نیست، سرعت نور را برابر با ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه (۳ متر بر ثانیه) در نظر می‌گیرند. مقدار آن تقریباً برابر با ۱۸۶٬۲۸۲ مایل بر ثانیه است. سرعت نور بیشینه سرعتی است که انرژی، ماده و اطلاعات در جهان می‌تواند مسافرت کند. این سرعت همچنان سرعت تمام ذرات بدون جرم و میدان‌های فیزیکی — شامل تابش الکترومغناطیسی که نور نیز جزو آن می‌شود — نیز هست. ذراتی که ذکر شد سرعتشان مستقل چارچوب مرجع است که گسترش این اصل به نسبیت خاص می‌انجامد. همچنین این سرعت در فرمول مشهور هم‌ارزی جرم و انرژی یعنی E = mc² ظاهر می‌شود.

سرعت نور در اجسام شفاف کمتر از سرعت نور در خلأ است. سرعت نور در خلأ تقسیم بر سرعت نور در آن ماده شفاف (مانند شیشه یا هوا) به عددی بزرگ‌تر از یک می‌انجامد که به آن ضریب شکست (با نماد n نشان می‌دهند) می‌گویند و در فرمول‌های نور هندسی کاربرد دارد. برای مثال ضریب شکست نور مرئی برای شیشه معمولی حدود ۱٫۵ است و بدین معنی است که سرعت نور در شیشه،  است. ضریب شکست نور برای هوا ۱٫۰۰۰۳ (۱٫۰۰۰۳) است که نشان می‌دهد نور در هوا حدود  کندتر از c حرکت می‌کند.

برای بسیاری از کاربردها، نور و دیگر امواج الکترومغناطیسی بدون تأخیر جابجا می‌شوند اما برای فواصل زیاد و اندازه‌گیری‌هایی بسیار حساس، سرعت محدود نور اثرات ملموسی دارد. در ارتباطات با کاوشگران فضایی دور ممکن است بین دقایق تا ساعت‌ها طول بکشید تا یک پیام از زمین به کاوشگر برسد یا برگردد. نور ستارگان از سال‌های بسیار گذشته به زمین می‌رسد که اجازه می‌دهد تاریخچه جهان را با بررسی اجسام دور مطالعه کرد. سرعت محدود نور همچنین نظریات حد سرعت رایانه را نیز محدود می‌کند برای اینکه اطلاعاتی که داخل یک کامپیوتر از یک پردازنده به پردازنده دیگر منتقل می‌شود سرعت محدودی خواهد شد.

نخستین بار گالیلئو گالیله سرعت نور را اندازه گرفت. اما مقداری که او به دست آورد بسیار متفاوت‌تر از مقدار واقعی بود. بعدها ستاره‌شناس دانمارکی اوله رومر به کمک گرفت‌های مشتری سرعت نور را تا حد دقیقی اندازه گرفت.

 مقدار عددی، نمادگذاری و واحدها 
سرعت نور در خلأ معمولاً با حرف کوچک  نشان داده می‌شود. منشأ انتخاب این حرف مشخص نیست و حدس‌هایی زده می‌شود که شامل «c» برای constant (ثابت) یا کلمه لاتین celeritas (به معنی «سرعت، چابکی») می‌شود. c در کتاب‌های لئونهارت اویلر و دیگران برای celerity به معنای سرعت استفاده می‌شد اما این سرعت مختص نور نبود؛ آیزاک آسیموف یک مقاله علمی عامه‌پسند با عنوان «C برای Celeritas» نوشت اما منشأ آن را توضیح نداد. در سال ۱۸۵۶، ویلهلم ادوارد وبر و رودولف کلراوش از c برای ثابت متفاوتی استفاده کردند که بعداً نشان داده شد برابر با  برابر سرعت نور در خلأ است. از نظر تاریخی، نماد V به عنوان نمادی جایگزین برای سرعت نور استفاده می‌شد که توسط جیمز کلارک ماکسول در سال ۱۸۶۵ معرفی شد. در سال ۱۹۰۳، مکس آبراهام از  با معنای مدرن آن در یک کتاب درسی پرخواننده در مورد الکترومغناطیس استفاده کرد. اینشتین در مقالات اصلی خود به زبان آلمانی در مورد نسبیت خاص در سال ۱۹۰۵ از  استفاده کرد اما در سال ۱۹۰۷ به  روی آورد که تا آن زمان به نماد استاندارد سرعت نور تبدیل شده بود."The origins of the letter c being used for the speed of light can be traced back to a paper of 1856 by Weber and Kohlrausch [...] Weber apparently meant c to stand for 'constant' in his force law, but there is evidence that physicists such as Lorentz and Einstein were accustomed to a common convention that c could be used as a variable for velocity. This usage can be traced back to the classic Latin texts in which c stood for 'celeritas', meaning 'speed'." گاهی اوقات از  برای سرعت امواج در هر محیط مادی و از 0 برای سرعت نور در خلأ استفاده می‌شود.برای نمونه ببینید:





 استفاده در سیستم‌های واحد 
از سال ۱۹۸۳، ثابت  در سیستم بین‌المللی واحدها (SI) دقیقاً برابر با ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ متر بر ثانیه تعریف شده است؛ از این رابطه برای تعریف متر به عنوان دقیقاً مسافتی که نور در خلاء در ۱⁄۲۹۹۷۹۲۴۵۸ ثانیه طی می‌کند، استفاده می‌شود. ثانیه نیز به نوبه خود، به‌عنوان مدت زمانی تعریف می‌شود که ۹۱۹۲۶۳۱۷۷۰ سیکل از تابش ساطع‌شده توسط یک اتم سزیم-۱۳۳ در گذار بین دو حالت انرژی مشخص، اشغال می‌کند. با استفاده از مقدار  و همچنین اندازه‌گیری دقیق ثانیه، می‌توان استانداردی برای متر تعیین کرد.برای نمونه ببینید:




مقدار خاص انتخاب‌شده برای سرعت نور، تعریف دقیق‌تری از متر ارائه داد که همچنان تا حد امکان با تعریف مورد استفاده قبل از سال ۱۹۸۳ مطابقت داشت.

به‌عنوان یک ثابت فیزیکی ابعادی، مقدار عددی  برای سیستم‌های واحد مختلف متفاوت است. به عنوان مثال، در واحدهای امپراتوری، سرعت نور تقریباً ۱۸۶۲۸۲ مایل در ثانیه یا تقریباً ۱ فوت در هر نانوثانیه است.

در شاخه‌هایی از فیزیک که  اغلب در آنها ظاهر می‌شود، مانند نسبیت، استفاده از سیستم‌های یکاهای اندازه‌گیری طبیعی یا سیستم یکاهای هندسی که در آن c = ۱ است، رایج است.

 نقش بنیادی در فیزیک 

سرعت نور مستقل از سرعت ناظر و منبع است.اگرچه، بسامد نور با توجه به سرعت ناظر و منبع می‌تواند تغییر کند. این ثبات سرعت نور در سال ۱۹۰۵ توسط آلبرت انیشتین بیان شد. ترجمه انگلیسی:  که توسط آزمایش‌های بسیاری صحت آن تأیید شده‌است.
اگرچه در اول مهر ماه ۱۳۹۰ محققان مرکز تحقیقاتی سرن اعلام کردند که حرکت ذرات بنیادی نوترینو با سرعتی بالاتر از سرعت نور را مشاهده کرده‌اند. اما پس از مدت کوتاهی مشخص شد این تضاد به دلیل خطا در آزمایش بوده‌است.
بندانگشتی|راست|upright|alt=γ از ۱ یعنی زمانی که v برابر صفر است شروع می‌شود و تقریباً برای سرعت‌های پایین مقداری ثابت است اما در نزدیکی سرعت نور به مقدارهای بزرگ میل می‌کند|فاکتور لورنتز γ یک تابعی از سرعت اجسام است؛ که از یک (سرعت=صفر) شروع می‌شود و برای زمانی که سرعت نزدیک سرعت نور شود به بی‌نهایت میل می‌کند.
نسبیت خاص در واقع بررسی قوانین فیزیک برای ناظر و مرجع است برای زمانی که فرض شود سرعت نور وابسته به سرعت منبع یا ناظر نیست. یکی از نتایج این است که  سرعتی است که همه ذرات و امواج بدون جرم، از جمله نور، باید با آن در خلاء حرکت کنند.

نسبیت خاص اثبات‌های بسیار زیاد آزمایشگاهی دارد. این شامل هم‌ارزی جرم و انرژی ، انقباض لورنتزی (کوتاه‌شدن اجسام در راستای حرکت)، اتساع زمان (کندتر شدن زمان) و افزایش جرم نیز هست. همه این موارد از فاکتور لورنتز به‌دست می‌آیند ، که در آن v سرعت جسم است.
تفاوت γ از یک در سرعت‌های کم نسبت به c یعنی تقریباً تمام حرکت‌های روزانه انسان ناچیز است. اما در سرعت‌های نزدیک به نور به مقادیر بسیار بزرگ میل می‌کند. طول جسمی که انقباض لورنتزی دارد و زمانی که در یک متحرک می‌گذرد از تقسیم طول در حالت سکون و زمان در حالت سکون بر فاکتور لورنتز به‌دست می‌آید. اما جرم یک شی متحرک از ضرب فاکتور لورنتز در جرم سکون آن جسم به‌دست می‌آید.

 سرعت نور به عنوان حد بالای سرعت 
بنابر نسبیت خاص، انرژی یک جسم با سرعت v و جرم سکون m با  به‌دست می‌آید که در آن γ فاکتور لورنتز است. هنگامی که سرعت برابر صفر است فاکتور لورنتز برابر یک بوده و انرژی جسم برابر با  است که همان هم‌ارزی جرم و انرژی است. اما هنگامی که سرعت جسم به سرعت نور نزدیک می‌شود این مقدار به سمت بی‌نهایت می‌رود بنابرین برای رساندن سرعت جسمی که جرم غیرصفر دارد به سرعت نور؛ نیاز به بی‌نهایت انرژی است. به همین دلیل سرعت نور، حد بالای سرعت در طبیعت است. این موضوع در تعداد زیادی پژوهش و آزمایش به اثبات رسیده‌است.

 انتشار نور 
بندانگشتی|شکست نور و تغییر سرعت نور بعد از ورود به یک محیط با ضریب گذردهی متفاوت
در فیزیک کلاسیک، نور به عنوان نوعی موج الکترومغناطیسی توصیف می‌شود. از آنجاکه رفتار میدان الکترومغناطیسی توسط معادلات ماکسول تشریح شده‌است، این معادلات پیش‌بینی می‌کنند که سرعت c با انتشار امواج الکترومغناطیسی (مانند نور) در خلأ را می‌توان با ظرفیت خازنی و القایی خلاء بیان کرد. به بیان دیگر سرعت انتشار نور با ریشه ثابت تراوایی خلأ در ثابت گذردهی خلأ رابطه عکس دارد که در رابطه زیر نمایش داده شده‌است.

در فیزیک نوین، میدان الکترومغناطیسی توسط نظریه الکترودینامیک کوانتومی توصیف می‌شود. در این نظریه، نور توسط تحریک بنیادی (یا کوانتای) میدان الکترومغناطیسی، که فوتون نامیده می‌شود، توصیف می‌شود. در نظریه الکترودینامیک کوانتومی، فوتون‌ها ذرات بدون جرمی هستند که بنابر نسبیت خاص، با سرعت نور در خلأ حرکت می‌کنند.

 اثرات عملی محدود بودن 
سرعت نور به مخابرات مربوط می‌شود: زمان تأخیر مخابرات یک طرفه و رفت و برگشت بزرگتر از صفر است. این از مقیاس‌های کوچک تا نجومی صدق می‌کند. از سوی دیگر، برخی از تکنیک‌ها به سرعت محدود نور بستگی دارند، به عنوان مثال در اندازه‌گیری فاصله.

 مقیاس‌های کوچک 
در ابرکامپیوترها، سرعت نور محدودیتی در سرعت ارسال داده‌ها بین پردازنده‌ها ایجاد می‌کند. اگر یک پردازنده در ۱ گیگاهرتز کار کند، یک سیگنال می‌تواند حداکثر حدود  در یک چرخه طی کند؛ بنابراین، پردازنده‌ها باید نزدیک یکدیگر قرار گیرند تا تأخیرهای ارتباطی به حداقل برسد. این می‌تواند باعث ایجاد مشکل در خنک کردن پردازنده‌ها شود. اگر فرکانس‌ها به افزایش ادامه دهند، سرعت نور در نهایت به یک عامل محدود کننده برای طراحی داخلی تراشه‌ها تبدیل می‌شود.

 فاصله‌های بزرگ روی زمین 
با توجه به اینکه محیط استوایی زمین حدود  کیلومتر است و c حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه است. کوتاهترین زمان ممکن برای انتقال اطلاعات برای مسافتی حدود نیمی از کره زمین حدود ۶۷ میلی ثانیه است. هنگامی که نور در یک فیبر نوری در سراسر کره زمین در حال حرکت است، زمان انتقال واقعی طولانی‌تر است، بخشی به این دلیل که سرعت نور در فیبر نوری بسته به ضریب شکست آن (n) حدود ۳۵ درصد کندتر است.

 پروازهای فضایی و ستاره‌شناسی 
جایگزین=The diameter of the moon is about one quarter of that of Earth, and their distance is about thirty times the diameter of Earth. A beam of light starts from the Earth and reaches the Moon in about a second and a quarter.|بندانگشتی|پرتوی از نور در حال حرکت بین زمین و ماه در زمانی که بین آنها طول می‌کشد در حرکت است: ۱٫۲۵۵ ثانیه در فاصله مداری متوسط آنها (سطح به سطح). اندازه نسبی و جدایی سیستم زمین-ماه به مقیاس نشان داده شده‌است.
به‌طور مشابه، ارتباطات بین زمین و فضاپیما آنی نیست. تأخیر مختصری از منبع تا گیرنده وجود دارد که با افزایش فاصله بیشتر محسوس می‌شود. این تأخیر برای ارتباطات بین کنترل زمینی و آپولو ۸، زمانی که اولین فضاپیمای با سرنشین بود که به دور ماه می‌چرخید، قابل توجه بود: برای هر سؤال، ایستگاه کنترل زمینی باید حداقل سه ثانیه برای رسیدن پاسخ منتظر می‌ماند. تأخیر ارتباط بین زمین و مریخ بسته به موقعیت نسبی دو سیاره می‌تواند بین پنج تا بیست دقیقه متغیر باشد. در نتیجه، اگر روباتی در سطح مریخ با مشکلی مواجه شود، کنترل‌کننده‌های انسانی آن حداقل تا پنج دقیقه بعد و احتمالاً تا بیست دقیقه بعد از آن آگاه نمی‌شوند. سپس پنج تا بیست دقیقه دیگر طول می‌کشد تا دستورالعمل سفر از زمین به مریخ برسد.

دریافت نور و سیگنال‌های دیگر از منابع نجومی دور حتی می‌تواند بسیار بیشتر طول بکشد؛ مثلاً ۱۳ میلیارد (13  10 9) سال طول می‌کشد تا نور از کهکشان‌های دور به زمین که در تصاویر میدان فوق‌العاده عمیق هابل مشاهده شده‌است، برسد. عکس‌هایی که امروز گرفته شده‌اند، تصاویری از کهکشان‌ها در زمان ظاهر شدنشان در ۱۳ میلیارد سال پیش ثبت می‌کنند، زمانی که جهان کمتر از یک میلیارد سال سن داشت. این واقعیت که اجرام دورتر به دلیل سرعت محدود نور جوان‌تر به نظر می‌رسند، به اخترشناسان اجازه می‌دهد تا تکامل ستارگان، کهکشان‌ها و خود کیهان را پژوهش کنند.

فواصل نجومی گاهی با سال نوری بیان می‌شود، به ویژه در نشریات و رسانه‌های علمی عامه‌محور. یک سال نوری مسافتی است که نور در یک سال ژولینی، طی می‌کند حدود ۹۴۶۱ میلیارد کیلومتر، یا ۵۸۷۹ میلیارد مایل یا ۰٫۳۰۶۶ پارسک. در ارقام گرد، یک سال نوری نزدیک به ۱۰ تریلیون کیلومتر یا نزدیک به ۶ تریلیون مایل است. پروکسیما قنطورس، نزدیکترین ستاره به زمین پس از خورشید، حدود ۴٫۲ سال نوری فاصله دارد.

 اندازه‌گیری فاصله 
سیستم‌های راداری فاصله تا یک هدف را با زمانی که یک پالس موج رادیویی پس از انعکاس توسط هدف به آنتن رادار بازمی‌گردد اندازه‌گیری می‌کنند: فاصله تا هدف نصف زمان عبور رفت و برگشت ضربدر سرعت نور است. گیرنده سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) فاصله خود را تا ماهواره‌های GPS بر اساس مدت زمانی که طول می‌کشد تا سیگنال رادیویی از هر ماهواره برسد را اندازه‌گیری می‌کند و براساس این فاصله‌ها موقعیت خود را محاسبه می‌کند. از آنجایی که نور حدود ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند، این اندازه‌گیری‌های کسر کوچکی از ثانیه باید بسیار دقیق باشند. آزمایش فاصله‌سنجی ماه، اخترشناسی راداری و شبکه فضای دوردوست ناسا به ترتیب با اندازه‌گیری زمان‌های عبور رفت و برگشت، فاصله تا ماه، سیارات و فضاپیماها را تعیین می‌کنند.

 تجارت فرکانس بالا 
سرعت نور در معاملات با فرکانس بالا اهمیت پیدا کرده‌است، جایی که معامله‌گران برای کسب مزیت‌های جزئی دنبال ارائه معاملات خود به صرافی‌ها کسری از ثانیه زودتر از سایر معامله‌گران هستند. به عنوان مثال، معامله‌گران به ارتباطات مایکروویو بین مراکز تجاری روی آورده‌اند، به این دلیل که امواج مایکروویو در هوا حرکت می‌کنند و به خاطر بالاتر بودن سرعت نور در هوا، نسبت به سیگنال‌های فیبر نوری ۳۰ تا ۴۰ درصد سریعتر حرکت می‌کنند.

 تاریخچه 
+تاریخچه اندازه‌گیری سرعت نور (به km/s)<۱۶۳۸گالیلئو گالیله، با استفاده از فانوسبی‌نتیجه<1667آکادمی آزمایش، با استفاده از فانوس  نامشخص۱۶۷۵اوله رومر و کریستیان هویگنس، قمرهای مشتریTranslated in Reproduced in 
The account published in Journal des sçavans was based on a report that Rømer read to the French Academy of Sciences in November 1676 (Cohen, 1940, p.  346).۱۷۲۹جیمز بردلی، انحراف نور۱۸۴۹ایپولیت فیزو، چرخ دندانه‌دار۱۸۶۲لئون فوکو، آینه چرخان۱۹۰۷روزا و دورسی، ثابت‌های الکترومغناطیسی۱۹۲۶آلبرت آبراهام مایکلسون، آینه چرخان۱۹۵۰, نوسانگر کاواکی۱۹۵۸کی.دی. فروم، تداخل‌سنجی رادیویی۱۹۷۲اوانسون و دیگران، تداخل‌سنجی لیزر۱۹۸۳17th CGPM, تعریف متر (دقیقاً)

 منابع 

 یادداشت‌ها 

 پیوند به بیرون 

سرعت نور در خلأ (National Institute of Standards and Technology, NIST)
سرعت نور (دانشکده فیزیک دانشگاه کلرادو)

رده:ثابت‌های فیزیکی
رده:مفاهیم فیزیکی
رده:نسبیت خاص
رده:نور
رده:یکاهای سرعت