Brzina svjetlosti

Brzina svetlostiuvakuumuiznosi tačno 299.792.458 m/s (približno 300.000 km/s), predstavlja važnu fizičku konstantu i zato se obeležava posebnim slovomc.U različitim sredinama (tečnostima, gasovima itd.) brzina svetlosti je različita i uvek manja nego u vakuumu.[2]S obzirom da je svetlost oblik elektromagnetnog zračenja, njena brzina zavisi odelektričnihimagnetnihsvojstava sredine kroz koju se kreće i konstantna je za tu sredinu.[3]Izračunava se na osnovu formule:.U vakuumu je.

Brzina svetlosti
alt = The distance from the Sun to the Earth is shown as 150 million kilometers, an approximate average. Sizes to scale.
Sunčevoj svjetlostije potrebno oko 8 minuta i 17 sekundi da pređe prosečno rastojanje od površineSuncadoZemlje.
Tačne vrednosti
metara u sekundiŠablon:FormattingError
Plankova dužinapoPlankovom vremenu
(i.e.,Plankove jedinice)
1
Aproksimativne vrednosti (do tri značajne cifre)
Kilometara na satŠablon:FormattingErrormilion (Šablon:FormattingError)
milja po sekundiŠablon:FormattingError
milja po satu[1]671 milion (Šablon:FormattingError)
astronomskih jedinicana dan173[Note 1]
parsekagodišnje0,307[Note 2]
Aproksimativno vreme putovanja svetlosnog signala
RastojanjeVreme
jednastopa1,0ns
jedanmetar3,3 ns
odgeostacionarne orbitedo Zemlje119ms
dužina Zemljinogekvatora134 ms
odMesecado Zemlje1,3s
odSuncado Zemlje (1AU)8,3min
jednasvetlosna godina1,0 godina
jedanparsek3,26 godina
odnajbliže zvezdedo Sunca (1,3 pc)4,2 godina
od najbliže galaksije (patuljaste galaksijeVeliki pas) do ZemljeŠablon:FormattingError
prekoMlečnog putaŠablon:FormattingError
odgalaksije Andromedado Zemlje2,5 miliona godina
od Zemlje do krajavidljivog svemira46,5 milijardi godina

Brzina svetlosti je jedan od važnijih pojmova uAjnštajnovojteoriji relativnosti.Uteoriji relativnosti,cmeđusobno povezujeprostor i vreme,a isto tako se javlja u poznatoj jednačinijednakosti mase i energijeE=mc2.[4]Prema istoj teoriji nije moguće kretanje brzinama većim od brzine svetlosti u vakuumu.[5]

Prvu poznatu naučnu metodu za merenje brzine svetla izveo je danski astronomOle Kristensen Remer1675.godine. Posle njega, Fizo bez astronomskih metoda dolazi do brzine svetlosti koja iznosi 313.870 km/s. Najpoznatije merenje brzine je izveoAlbert Majkelson,uz pomoć rotirajućih ogledala uKaliforniji.Zahvaljujući tim eksperimentima, utvrđeno je da je brzina svetlosti 299.792,458 km/s, a sam Majkelson je dobio Nobelovu nagradu1907.

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 od21. oktobra1983.godine metar određen kao rastojanje koje svetlost pređe u vakuumu za 1/299.792.458 deo sekunde.[6]

Numerička vrednost, simbol i jedinice

uredi

Brzina svetlosti u vakuumu se obično označava malim slovomc,zaconstantililat.celeritas(sa značenjem „brzina “). Istorijski, simbolVje korišten kao alternativni simbol za brzinu svetlosti, koji je uveoDžejms Klerk Maksvel1865. godine.Pol Drudje 1894. godine redefinisao simbolcu njegovo sadašnje značenje.Ajnštajnje koristioVu svojim originalnim publikacijama na nemačkom o specijalnoj relativnosti 1905, ali je 1907. prešao nac,koje je u to vreme postalo standardni simbol za brzinu svetlosti.[7][8]

Ponekad seckoristi za brzinu talasa ubilo kommaterijalnom mediju, ac0za brzinu svetlosti u vakuumu.[9]Ova usvojena notacija, koja je podržana u zvaničnoj SI literaturi,[6]ima istu formu kao i druge srodne konstante: naime,μ0zapermeabilnost vakuumaili magnetna konstanta,ε0zadielektričnu konstantu vakuumaili električnu konstantu, iZ0zaotpornost prostora.Ovaj članak isključivo koristicza brzinu svetlosti u vakuumu.

Od 1983, metar je definisan uMeđunarodnom sistemu jedinica(SI) kao rastojanje koje svetlost pređe u vakuumu za1Šablon:FormattingErrorsekundi. Ova definicija podrazumeva brzinu svetlosti uvakuumuna tačnoŠablon:FormattingError.[10][11][12] Kaodimenziona fizička konstanta,numerička vrednostcse razlikuje za različite sisteme jedinica. Brzina svetlosti uimperijalnim (britanskim) jedinicamaiSAD jedinicamaje bazirana na inču sa tačnoŠablon:FormattingErrori njena vrednosti je tačno 186.282 milja, 698 jardi, 2 stope, i5+21127inča po sekundi.[13] U granama fizike u kojima secčesto javlja, kao što jeteorija relativnosti,uobičajeno se koriste sistemiprirodnih jedinicakretanja iligeometrijski sistem jedinicagdec= 1.[14][15]Koristeći ove jedinice,cse ne pojavljuje eksplicitno pošto množenje ili deljenje sa 1 ne utiče na rezultat.

Istorija merenja

uredi

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). Višefizičaraje pokušalo da izmeri brzinu svetlosti kroz istoriju.Galileoje pokušao da to uradi u sedamnaestom veku.

Remerova merenja

uredi
SkicaRemerovogmetoda za merenje brzine svetlosti na osnovu kašnjenja zalaska Jupiterovog meseca.

Danski astronomOle Rømerje izveo rani eksperiment merenja brzine svetlosti 1676. godine. Koristećiteleskop,Rømer je posmatrao kretanjeJupiterai jednog od njegovihsatelita,Io.Uočivši odstupanja u uočenom periodu Iove orbite, on je izračunao da je svetlosti potrebno oko 22 minuta da pređe dijametarZemljineorbite.[16]On je ustanovio da trenuci opažanjaokultacija(kad senebesko telo,gledano saZemlje,skriva iza drugog)Jupiterovihsatelita zavise od brzine širenja svetlosti. Do tada se smatralo da sesvetlostširi beskonačnombrzinom.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 povećanuudaljenostdo 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 okot= 1,000sekundi.Za brzinu svetlosti sledi:[17]

gde je:c– brzina svetlosti,a– udaljenostZemljeodSunca,t– vreme kašnjenjasvetlosti.

Brojna vrednost brzine svetlosti direktno zavisi od tačnosti s kojom je poznata srednja udaljenost do Sunca (u ono vreme poznata kao 140 milonakilometara). Odnos brzine svetlosti i brzine Zemlje ne zavisi od srednje udaljenosti do Sunca. Naime, kako je brzina kretanja Zemlje po stazi jednakav = 2aπ / Z,gde jeZsiderička 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 vršiomerenjaoko 8 godina i odnosc: vje izašao oko 7600. No veličina Zemljine orbite nije bila poznata u to vreme. Na osnovu njegovih merenja brzinu svetlosti je izračunaoKristijan Hajgensi on je dobio za oko 25% manju vrednost od današnjih merenja, odnosno 227.000.000 m/s. Današnje vrednosti su 299.792km/s:29,8 km/s ≈ 10,100.

Značajno je da je Remer dokazao da jebrzina svetlosti konačna.Njegovi rezultati nisu u početku prihvaćeni, sve dokDžejms Bredli1727. nije otkrioaberaciju svetlosti.

Kasnija merenja

uredi
Aparat koji jeMichelsonusavršio za merenje brzine svetlosti 1930. godine.

Godine1809.francuskiastronomŽan-Batist-Žozef Delambrje 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 Fizoje1849.godine izveo jedno takvo merenje. On je usmerio zrak svetlosti u ogledalo udaljeno nekoliko kilometara. Rotirajućizupčanikje 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 Fukoje1862.godine izvršio eksperiment u kome su korišćena rotirajuća ogledala i došao je do vrednosti od 298.000.000 m/s.

Američki fizičarAlbert Abraham Majkelsonje sprovodio eksperimente određivanja brzina svetlosti od1877.do svoje smrti 1931. Koristio se osmostaničnim rotirajućim ogledalom i izvorom svetlosti udaljenim oko 35km.On je rafinirao Fukove metode1926.godine koristeći poboljšana rotirajuća ogledala da izmeri vreme neophodno da svetlost napravi povratno putovanje odMount WilsondoMount San AntoniouKaliforniji.Precizna merenja su proizvela vrednost brzine od 299.796,000 m/s.[18]Za svoja je merenja svetlosti primioNobelovu nagraduza fiziku.Posle je s kolegomEdvardom MorlejemsproveoMajkelson—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

uredi

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 krozBose–Ajnštajnov kondenzatelementarubidijuma.Jedan tim je bio saHarvardaiRoulandovog instituta za naukuu Kambridžu, Masačusets, a drugi saHarvard–Smitsonijanskog centra za astrofiziku,takođe u Kembridžu.[19]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

uredi

Granična brzina

uredi
Glavni članak:Granična brzina
Crtežem je prikazano vrijeme širenja svjetlosti odZemlje(lijevo) doMjeseca(desno) koje traje 1,255 sekundi.

Premaposebnoj teoriji relativnosti,energijapredmetamasemibrzinevdata je jednačinomγmc2,gde jeγLorencov faktor.Ako telo miruje,vje jednaka nuli, pa jeγjednak 1, iz čega slediE=mc2,kojim se definišeekvivalencija mase i energije.γse približava beskonačnosti kako sevpribližavac,pa bi bila potrebna beskonačna količina energije kako bi objekt masemdostigao brzinu svetlosti. Drugim rečima, masamtela koje miruje manja je od mase m0tela 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 pojedinačnifotonine mogu putovati brzinama većim od brzine svetlosti.[20][21]Ovo je eksperimentalno dokazano u mnogim testiranjima relativističke energije i momenta.[22]

Napomene

uredi
  1. Tačna vrednost:
    (Šablon:FormattingError× 60 × 60 × 24 /Šablon:FormattingError) AU/dan
  2. Tačna vrednost:
    Šablon:FormattingErrorπ/Šablon:FormattingErrorpc/y

Literatura

uredi

Reference

uredi
  1. Larson & Hostetler 2007:str. 197
  2. Penrose, R (2004).The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe.Vintage Books.str. 410–11.ISBN978-0-679-77631-4.»... the most accurate standard for the metre is convenientlydefinedso that there are exactly 299.792.458 of them to the distance travelled by light in a standard second, giving a value for the metre that very accurately matches the now inadequately precise standard metre rule in Paris.«
  3. „How is the speed of light measured?”.Arhivirano izoriginalana datum 21. 8. 2015.
  4. Uzan, J-P; Leclercq, B (2008).The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants.Springer.str. 43–4.ISBN978-0-387-73454-5.
  5. Stachel, JJ (2002).Einstein from "B" to "Z" – Volume 9 of Einstein studies.Springer. str. 226.ISBN978-0-8176-4143-6.
  6. 6,06,1Šablon:SIbrochure
  7. Gibbs, P (2004) [1997].„Why iscthe symbol for the speed of light?”.Usenet Physics FAQ.University of California, Riverside.Arhivirano izoriginalana datum 17. 11. 2009.Pristupljeno 16. 11. 2009. "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'."
  8. Mendelson, KS (2006). „The story ofc”.American Journal of Physics74(11): 995–997.Bibcode2006AmJPh..74..995M.DOI:10.1119/1.2238887.ISSN0002-9505.
  9. See for example:
  10. Sydenham, PH (2003).„Measurement of length”.u: Boyes, W.Instrumentation Reference Book(3rd izd.).Butterworth–Heinemann.str. 56.ISBN978-0-7506-7123-1.»... if the speed of light is defined as a fixed number then, in principle, the time standard will serve as the length standard...«
  11. „CODATA value: Speed of Light in Vacuum”.The NIST reference on Constants, Units, and Uncertainty.NIST.Pristupljeno 21. 8. 2009.
  12. Jespersen, J; Fitz-Randolph, J; Robb, J (1999).From Sundials to Atomic Clocks: Understanding Time and Frequency(Reprint of National Bureau of Standards 1977, 2nd izd.).Courier Dover.str. 280.ISBN978-0-486-40913-9.
  13. Savard, J.„From Gold Coins to Cadmium Light”.John Savard. Arhivirano izoriginalana datum 14. 11. 2009.Pristupljeno 14. 11. 2009.
  14. Lawrie, ID (2002).„Appendix C: Natural units”.A Unified Grand Tour of Theoretical Physics(2nd izd.).CRC Press.str. 540.ISBN978-0-7503-0604-1.
  15. Hsu, L (2006).„Appendix A: Systems of units and the development of relativity theories”.A Broader View of Relativity: General Implications of Lorentz and Poincaré Invariance(2nd izd.).World Scientific.str. 427–8.ISBN978-981-256-651-5.
  16. „Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light”.Statistical Science15(3): 254–278. 2000.
  17. Vladis Vujnović:"Astronomija", Školska knjiga, 1989.
  18. Michelson,, A. A. (January 1927).„Measurements of the velocity of light between Mount Wilson and Mount San Antonio”.Astrophysical Journal65:1.Bibcode1927ApJ....65....1M.DOI:10.1086/143021.Pristupljeno 12 March 2014.
  19. Harvard News Office (2001-01-24).„Harvard Gazette: Researchers now able to stop, restart light”.News.harvard.edu.Pristupljeno 2011-11-08.
  20. It's official: Time machines won't work,Los Angeles Times, pristupljeno 25. jula 2011.,pristupljeno 8. decembra 2016.
  21. HKUST Profesori dokazali da fotoni ne nadilaze brzinu svetlosti,pristupljeno 8. decembra 2016.
  22. Fowler, M (mart 2008).„Notes on Special Relativity”.University of Virginia.str. 56.Pristupljeno 7. 5. 2010.

Povezano

uredi