Prędkość światła – ile wynosi? Pomiary i metody wyznaczania

● Prędkość światła jest wielkością fizyczną i oznacza prędkość rozchodzenia się światła w próżni, mierzoną w metrach na sekundę.  ● Prędkość światła, czyli rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni, nie zależy od częstotliwości fali i jest uniwersalną stałą fizyczną równą 299 792 458 m/s. ● Dla uproszczenia przyjmuje się, że prędkość światła wynosi 3·108 m/s lub podajesię wartość w kilometrach: 300 000 km/s. 

Przede wszystkim trzeba rozróżnić pojęcia prędkości światła i prędkości dźwięku. 

● Prędkość dźwięku w powietrzu

Prędkość dźwięku mówi o tym, jak szybko zaburzenie porusza się w ośrodku. Na przykład kiedy mówimy, nasz aparat mowy wprowadza cząsteczki powietrza w drgania. Te drgające cząstki odbijają się od innych cząstek wokół nich, wprawiając je w drgania i w ten sposób głos rozchodzi się po pomieszczeniu. Prędkość dźwięku w powietrzu mówi nam, jak szybko te drgania dotrą do cząsteczek powietrza w pobliżu czyjejś błony bębenkowej, dzięki czemu ta osoba będzie mogła nas usłyszeć. Zatem aby dźwięk mógł się rozchodzić, potrzebny jest ośrodek, taki jak powietrze. 

● Prędkość światła w powietrzu

W przypadku światła jest zupełnie inaczej – w przeciwieństwie do dźwięku, może ono rozchodzić się w próżni. Naukowcy zdali sobie z tego sprawę z tej fundamentalnej różnicy na początku XX wieku. Wcześniej dominowała teoria, że istnieje specjalny ośrodek, zwany eterem, który wypełnia cały wszechświat i umożliwia rozchodzenie się światła. Jednak seria eksperymentów przeprowadzona przez Michelsona i Morleya pokazała, że eter nie może istnieć. Ten wynik zainspirował Alberta Einsteina do sformułowania szczególnej teorii względności, która postuluje, że prędkość światła jest stała: każdy obserwator, który ją zmierzy, uzyska tę samą wartość, niezależnie od tego, z jaką prędkością sam się porusza.

Prędkość światła można zmierzyć na wiele sposobów. Pierwsza opisana próba została podjęta w XVII wieku przez Galileusza. Jego metoda opierała się na sprawdzeniu, kiedy pomocnik stojący na odległym wzgórzu będzie w stanie zauważyć, że odsłonięta została latarnia. Eksperyment nie powiódł się – szybkość światła jest zdecydowanie zbyt duża.

Współcześnie dokładne wyniki uzyskuje się przy wykorzystaniu interferometrii. Ta metoda wymaga użycia lasera, czyli źródła światła o dokładnie znanej częstotliwości. Wiązkę laserową rozdziela się na dwie, które rozchodzą się po ścieżkach o różnej (ale precyzyjnie zmierzonej) długości, a następnie łączą z powrotem. Dzięki temu, że bardzo dobrze rozumiemy zjawisko interferencji, czyli wiemy, w jaki sposób będzie wyglądać ostatecznie otrzymana wiązka laserowa w zależności od parametrów wiązek składowych, możemy obliczyć prędkość światła. Otrzymana w ten sposób prędkość światła w kilometrach na sekundę wynosi 299 742,458, z niepewnością równą zaledwie jednej tysięcznej metra na sekundę! 

Warto podkreślić, że chodzi tutaj o prędkość światła w próżni. Prędkość światła w szkle albo w każdym innym przejrzystym materiale, takim jak woda czy transparentny plastik, jest mniejsza od prędkości światła w próżni. Można wyobrazić to sobie tak, że gdy światło rozchodzi się w ośrodku, odbija się od cząstek na swojej drodze, co je spowalnia, natomiast w próżni, gdy nie ma od czego się odbijać, porusza się po linii prostej. Na przykład prędkość światła w wodzie wynosi około 225 km/s. Przy tym trzeba zauważyć, że prędkość światła w ośrodku (ale nie w próżni) zależy od jego koloru i jest największa dla światła czerwonego, a najmniejsza dla fioletowego. Zjawisko to nosi nazwę dyspersji i to z jego powodu zachodzi rozszczepienie światła białego w pryzmacie.

Dla porównania warto wiedzieć, jaka jest prędkość dźwięku – wynosi ona 340 m/s w powietrzu, a 1480 m/s w wodzie. Oczywiście nie da się podać wartości dla próżni, ponieważ dźwięk nie może się w niej rozchodzić. Światło rozchodzi się w powietrzu tylko nieco wolniej niż w próżni, zatem w powietrzu światło jest prawie milion razy szybsze od dźwięku!

Z zagadnieniem prędkości światła wiąże się pewien paradoks. Z jednej strony wiadomo, że prędkość światła w próżni ma stałą wartość i żaden obiekt nie może poruszać się szybciej. Z drugiej strony można wymienić pewne przypadki, kiedy w pomiarze prędkości uzyskuje się wynik większy niż prędkość światła. Jak to możliwe? 

Otóż szczególna teoria względności nakłada górne ograniczenie jedynie na prędkość obiektu niosącego energię, związaną z jego poruszaniem się w przestrzeni, zmierzoną przez obserwatora, który sam nie przyspiesza. Jeśli założenia zawarte w tym stwierdzeniu nie są spełnione, to wyznaczona prędkość może mieć wartość nadświetlną – i nie świadczy to o złamaniu żadnego prawa fizyki. 

Na przykład: zgodnie z prawem Hubble’a, galaktyki oddalają się od siebie z prędkością proporcjonalną do dystansu między nimi, więc bardzo odległe od Ziemi skupiska gwiazd oddalają się od nas z nadświetlną prędkością. Jednak obserwowany ruch tych obiektów wynika z rozszerzania się wszechświata; prędkość ich recesji to nie prędkość w przestrzeni, tylko prędkość ekspansji samej przestrzeni. Zatem tylko pozornie wydaje się, że ograniczenie nałożone na prędkość światła jest łamane.