Prędkość światła – ile wynosi? Pomiary i metody wyznaczania

Źródło:
tvnmeteo.pl
Prędkość światła przemieszczającego się między Ziemią a Marsem (James O'Donoghue, NASA)
Prędkość światła przemieszczającego się między Ziemią a Marsem (James O'Donoghue, NASA)NASA
wideo 2/3
Prędkość światła przemieszczającego się między Ziemią a Marsem (James O'Donoghue, NASA)NASA

Prędkość światła w próżni to jedna z podstawowych stałych pojawiających się w równaniach fizyki, dlatego dokładne jej zmierzenie miało kluczowe znaczenie dla rozwoju wielu gałęzi współczesnej nauki i technologii. Co właściwie oznacza prędkość światła i jak ją eksperymentalnie wyznaczono? W artykule wyjaśniamy, czym się różni prędkość światła od prędkości dźwięku, jak wyznaczono prędkość światła, ile wynosi prędkość światła w km/h  i czy da się ją przekroczyć.

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. 

Prędkość światła a prędkość dźwięku

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.

Jak wyznaczono prędkość światła?

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! 

Prędkość światła w próżni

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!

Czy da się przekroczyć prędkość światła?

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.

Autorka/Autor:red.

Źródło: tvnmeteo.pl

Źródło zdjęcia głównego: Shutterstock

Pozostałe wiadomości

W nadchodzących dniach czeka nas chwilowe ochłodzenie, bo do Polski napłynie arktyczna masa powietrza. - Porywisty wiatr obniży temperaturę odczuwalną - poinformował synoptyk tvnmeteo.pl Tomasz Wakszyński. Od piątku temperatura będzie rosnąć. Na horyzoncie aż 22 stopnie Celsjusza.

Czeka nas pogodowy rollercoaster

Czeka nas pogodowy rollercoaster

Źródło:
tvnmeteo.pl

Pogoda na jutro, czyli na czwartek 10.04. W nocy z północy na południe kraju będzie wędrować strefa frontowa, która przyniesie opady. W dzień również popada, a na termometrach zobaczymy maksymalnie 13 stopni Celsjusza.

Pogoda na jutro - czwartek 10.04. Nocna wędrówka strefy opadów

Pogoda na jutro - czwartek 10.04. Nocna wędrówka strefy opadów

Źródło:
tvnmeteo.pl

IMGW wydał alarmy pierwszego stopnia przed obfitymi opadami śniegu, którego miejscami spadnie do 20 centymetrów. Poza tym obowiązują ostrzeżenia przed silnym wiatrem, oblodzeniem, przymrozkami i opadami śniegu.

Dosypie 20 centymetrów śniegu. Alarmy w 16 województwach

Dosypie 20 centymetrów śniegu. Alarmy w 16 województwach

Aktualizacja:
Źródło:
IMGW

Kamera obserwująca bocianie gniazdo w gminie Czerwieńsk w województwie lubuskim uchwyciła potyczkę pomiędzy ptakami. Nowo przybyły bocian próbował przejąć gniazdo zamieszkiwane od lat przez parę tych ptaków. Nagranie starcia otrzymaliśmy na Kontakt24 od jednego z naszych czytelników.

"Intruz wpadł jak burza". Bitwa o bocianie gniazdo na filmie

"Intruz wpadł jak burza". Bitwa o bocianie gniazdo na filmie

Źródło:
Kontakt24

Dwóch mężczyzn zginęło na polu golfowym w amerykańskim stanie Georgia. Jak donoszą lokalne media, kiedy próbowali znaleźć schronienie przed burzą, spadło na nich drzewo.

Ojciec i syn zginęli na polu golfowym

Ojciec i syn zginęli na polu golfowym

Źródło:
CNN, fox5atlanta.com, people.com

Fala upałów nawiedziła Indie. W środę w stolicy kraju - Nowym Delhi - temperatura przekroczyła 40 stopni Celsjusza. Indyjski Departament Meteorologiczny (IMD) wydał ostrzeżenia przed spiekotą.

Ponad 40 stopni. "Upał jest nie do zniesienia"

Ponad 40 stopni. "Upał jest nie do zniesienia"

Źródło:
Reuters

Pogoda na Wielkanoc. Do świąt pozostały jeszcze prawie dwa tygodnie, ale aktualne wyliczenia modeli meteorologicznych prognozują oczekiwany wzrost temperatury. Kilka dni może przynieść nam nawet wartości bliższe latu niż wiośnie.

Pogoda na Wielkanoc. Wielki Tydzień może być naprawdę gorący

Pogoda na Wielkanoc. Wielki Tydzień może być naprawdę gorący

Źródło:
tvnmeteo.pl

Zdaniem naukowców postępująca zmiana klimatu sprawi, że Wenecja do 2150 roku może okresowo znajdować się pod wodą. Polscy badacze wskazują, że czarny scenariusz może dotyczyć także naszych miast.

Złe prognozy dla Wenecji, nie lepsze dla Trójmiasta

Złe prognozy dla Wenecji, nie lepsze dla Trójmiasta

Źródło:
PAP

Z danych amerykańskiego Narodowego Instytutu Zdrowia (NIH) wynika, że około 10-20 procent dorosłych na całym świecie jest uczulonych na koty. Co za tym stoi? I czy istnieją rasy kotów, które nie uczulają?

Czy istnieją rasy kotów, które nie uczulają?

Czy istnieją rasy kotów, które nie uczulają?

Źródło:
The Conservation, NIH, PetMD

Mieszkaniec hrabstwa Woodford w stanie Kentucky uratował kilka kotów i kociąt z zalanych w trakcie powodzi domów. Gdy jego sąsiedzi w popłochu uciekali przed wielką wodą, mężczyzna ruszył na ratunek pozostawionym futrzakom.

Ruszył na ratunek przerażonym futrzakom. "Dryfowały w pojemniku"

Ruszył na ratunek przerażonym futrzakom. "Dryfowały w pojemniku"

Źródło:
CNN

W nocy z wtorku na środę na niebie pojawiło się księżycowe halo. Wyjątkowe zjawisko było widoczne między innymi w województwie lubuskim. Na Kontakt24 otrzymaliśmy zdjęcia od jednego z naszych czytelników.

Wokół Księżyca pojawiła się aureola

Wokół Księżyca pojawiła się aureola

Źródło:
Kontakt24, tvnmeteo.pl

W Boliwii panuje katastrofalna powódź. Do tej pory w wyniku ulewnych deszczy życie straciło co najmniej 55 osób. Do opuszczenia domów zmuszone były całe rodziny, aby uciekać przed wielką wodą. Trudna sytuacja panuje także na terenach rolniczych, a największe zmartwienie mają hodowcy bydła.

Takiej sytuacji nie było od dekad. Całe rodziny musiały uciekać

Takiej sytuacji nie było od dekad. Całe rodziny musiały uciekać

Źródło:
Reuters

Mieszkaniec amerykańskiego stanu Maine został zaatakowany przez lisa na własnym podwórku. Zwierzę najpierw zaatakowało jego psa. Mężczyzna próbował się bronić, aż w końcu został zmuszony zastrzelić intruza. Wyniki badań wykazały, że lis był chory na wściekliznę. Zdarzenie zostało zarejestrowane na nagraniu.

"Zobaczyłem, że mój pies walczy z innym zwierzęciem". Nagranie

"Zobaczyłem, że mój pies walczy z innym zwierzęciem". Nagranie

Źródło:
WMTW, "Fakty po Południu" TVN24

Co najmniej 50 hipopotamów oraz innych zwierząt zginęło z powodu zakażenia wąglikiem w Parku Narodowym Wirunga w Demokratycznej Republice Konga. Lokalne władze zaapelowały do mieszkańców o niezbliżanie się do dzikich zwierząt i gotowanie wody przed jej wypiciem.

50 martwych hipopotamów. Zabiła je bakteria groźna dla ludzi

50 martwych hipopotamów. Zabiła je bakteria groźna dla ludzi

Źródło:
Reuters

Amerykańscy naukowcy podali, że udało im się wskrzesić wilka strasznego - wymarłego kuzyna wilków szarych. Na świat przyszły trzy szczenięta o cechach typowych dla tego gatunku. Ogłoszenie wywołało spore kontrowersje w środowisku naukowym, a wielu badaczy twierdzi, że nie mamy do czynienia z "pełnoprawnym" wskrzeszeniem.

Twierdzą, że odtworzyli wymarły gatunek

Twierdzą, że odtworzyli wymarły gatunek

Źródło:
PAP, CNN, Reuters, New Scientist

Amerykańskie przedsiębiorstwo Colossal Biosciences ogłosiło "wskrzeszenie" wymarłego przed tysiącami lat wilka strasznego. Osiągnięcie naukowców rodzi pytania o to, czy czeka nas przywrócenie do życia innych zwierząt, które dawno zniknęły z powierzchni naszej planety. Chodzi o mamuty, a nawet dinozaury.

"Wskrzeszono" wilka strasznego. Czy na Ziemię wrócą mamuty i dinozaury?

"Wskrzeszono" wilka strasznego. Czy na Ziemię wrócą mamuty i dinozaury?

Źródło:
New York Times, Yale e360, Fakty TVN, TVN24

Stany Zjednoczone mierzą się z gigantycznymi powodziami, które od niemal tygodnia nawiedzają wschodnie i środkowe regiony. W poniedziałek szczególnie trudna sytuacja panowała nad brzegami rzeki Ohio. W Cincinnati mieszkańcy obawiali się powtórki sprzed prawie 30 lat, kiedy to miasto nawiedziła jedna z najgorszych powodzi w historii.

"Nagle zdali sobie sprawę, że są w sytuacji zagrożenia"

"Nagle zdali sobie sprawę, że są w sytuacji zagrożenia"

Źródło:
Reuters, cincinnati.com

W poniedziałek nad Białymstokiem pojawiło się interesujące zjawisko optyczne. Wokół słońca utworzyła się kolorowa "tarcza świetlna" zwana wieńcem. Jeden z naszych czytelników uchwycił ją na zdjęciu.

"Tarcza świetlna" wokół słońca

"Tarcza świetlna" wokół słońca

Źródło:
tvnmeteo.pl, Kontakt24

Rośnie liczba ofiar katastrofalnej powodzi, jaka nawiedziła stolicę Demokratycznej Republiki Konga. Oficjalne dane mówią o co najmniej 33 zabitych, to o trzech więcej niż informowano w niedzielę. Kataklizm wywołały wielogodzinne, ulewne opady deszczu, które - według prognoz - mogą wystąpić także w innych regionach kraju.

"Nam udało się uratować, ale reszta jest uwięziona w domach"

"Nam udało się uratować, ale reszta jest uwięziona w domach"

Źródło:
Reuters, BBC

Mieszkańcy Indii zmagają się z ekstremalnymi upałami. Mimo wczesnej pory roku termometry w Delhi pokazały w poniedziałek 39 stopni Celsjusza. W północnych regionach kraju obowiązują żółte, pomarańczowe i czerwone ostrzeżenia.

"Przechodzimy bezpośrednio z zimy do lata"

"Przechodzimy bezpośrednio z zimy do lata"

Źródło:
PAP, BBC

W ostatnich dniach mocno sypnęło śniegiem w Tatrach. W Dolinie Pięciu Stawów Polskich leży już 110 centymetrów śniegu, a na Kasprowym Wierchu niemal 90 cm - wynika z poniedziałkowych pomiarów IMGW.

Ponad metr śniegu w Tatrach

Ponad metr śniegu w Tatrach

Źródło:
IMGW, PAP

Fala zimna dotarła do północnych i północno-wschodnich regionów Grecji. W poniedziałek ulice i domy znalazły się pod warstwą śniegu, a termometry pokazały ujemne wartości. Według prognoz w najbliższych dniach chłód rozleje się po całym kraju.

Atak zimy w Grecji. Odwołano lekcje

Atak zimy w Grecji. Odwołano lekcje

Źródło:
Greekreporter, ENEX

Co najmniej 30 osób zginęło na skutek powodzi, jaka dotknęła w sobotę Kinszasę, stolicę Demokratycznej Republiki Konga. Władze regionu podały, że z zalanych regionów ewakuowano wiele osób. Powódź spowodowała także paraliż komunikacyjny na głównych arteriach komunikacyjnych miasta.

Stolica pod wodą. Nie żyje 30 osób

Stolica pod wodą. Nie żyje 30 osób

Źródło:
PAP, Reuters

Przed nami kolejna fala arktycznego zimna. Jakiej temperatury możemy się spodziewać w nadchodzących dniach? Sprawdź, co przewiduje Tomasz Wasilewski w swojej prognozie długoterminowej na kolejne 16 dni.

Pogoda na 16 dni: powrót ciepła to odległa perspektywa

Pogoda na 16 dni: powrót ciepła to odległa perspektywa

Źródło:
tvnmeteo.pl

W nizinnych lasach deszczowych Panamy naukowcy odkryli drzewo "odporne" na uderzenia piorunów. Trwające wiele lat badania wykazały, że niezwykła budowa Dipteryx oleifera pozwala na czerpanie korzyści z tego, co dla innych drzew jest śmiertelnym zagrożeniem.

To drzewo wykorzystuje pioruny jako "broń"

To drzewo wykorzystuje pioruny jako "broń"

Źródło:
PAP, caryinstitute.org, livescience.com

Dwa żółwie słoniowe w jednym z zoo w Filadelfii po raz pierwszy zostały rodzicami, wydając na świat cztery młode. To wyjątkowe wydarzenie nie tylko dlatego, że ten podgatunek żółwia jest krytycznie zagrożony wyginięciem. Również dlatego, że świeżo upieczeni rodzice są około stulatkami.

Stuletnie żółwie zdecydowały się na pierwsze dziecko

Stuletnie żółwie zdecydowały się na pierwsze dziecko

Źródło:
BBC, ABC News, tvn24.pl

Na Kontakt24 otrzymaliśmy nagranie, na którym widać, jak stado żubrów zareagowało na załamanie pogody. Jak napisał Reporter24 pan Antoni, autor wideo, zwierzęta kompletnie nie przejęły się sypiącym śniegiem.

Ucz się od żubrów, jak znosić surową pogodę

Ucz się od żubrów, jak znosić surową pogodę

Źródło:
Kontakt24, tvnmeteo.pl

Tornado przeszło przez hrabstwo Tippah w stanie Missisipi. Wirujący lej poderwał w górę dom jednej z rodzin i rzucił nim na odległość ponad 70 metrów. W środku byli ludzie.

Tornado poderwało dom i przeniosło go 70 metrów dalej. W środku byli ludzie

Tornado poderwało dom i przeniosło go 70 metrów dalej. W środku byli ludzie

Źródło:
CNN, wlbt.com

Ulewne deszcze nawiedziły amerykański stan Kentucky. W hrabstwie Franklin wody powodziowe porwały 9-letniego Gabriela. Jak podała stacja CNN, chłopiec zginął w czasie drogi na przystanek autobusu szkolnego.

Szedł do autobusu, porwały go wody powodziowe. Nie żyje 9-latek

Szedł do autobusu, porwały go wody powodziowe. Nie żyje 9-latek

Źródło:
CNN, Reuters, BBC