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

Gdzie jest burza? W czwartek 4.09 w niektórych regionach Polski już od rana pojawiają się burze. Wyładowaniom towarzyszą opady deszczu oraz silne porywy wiatru. Śledź aktualną sytuację pogodową w kraju w tvnmeteo.pl.

Gdzie jest burza? Grzmoty słychać już od rana

Gdzie jest burza? Grzmoty słychać już od rana

Źródło:
tvnmeteo.pl

Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej ostrzega przed trudnymi i niebezpiecznymi warunkami. W części kraju obowiązują żółte alarmy przed gęstą mgłą oraz burzami. Sprawdź, gdzie należy uważać.

Niebezpiecznie w części kraju. IMGW ostrzega

Niebezpiecznie w części kraju. IMGW ostrzega

Źródło:
IMGW

Pogoda na dziś. W czwartek 4.09 termometry wskażą maksymalnie 28 stopni. Miejscami przelotnie popada i zagrzmi. Aura przeważnie korzystnie wpłynie na nasze samopoczucie.

Pogoda na dziś - czwartek, 4.09. Będzie ciepło, a miejscami burzowo

Pogoda na dziś - czwartek, 4.09. Będzie ciepło, a miejscami burzowo

Źródło:
tvnmeteo.pl

Prawie 40 lat po oderwaniu się od Antarktydy, A23a, największa i najstarsza góra lodowa świata się rozpada. Zdaniem naukowców z British Antarctic Survey (BAS), masa lodu zniknie w ciągu kilku tygodni.

Przetrwała czterdzieści lat. Ma zniknąć w ciągu tygodni

Przetrwała czterdzieści lat. Ma zniknąć w ciągu tygodni

Źródło:
PAP, CNN, AFP

Huragan Lorena, który uformował się u wybrzeży Meksyku, zagraża mieszkańcom półwyspu Kalifornia Dolna - ostrzegają służby meteorologiczne. Żywiołowi towarzyszy wiatr z prędkością do 120 kilometrów na godzinę oraz ulewne deszcze. Po Pacyfiku sunie jeszcze jeden huragan.

Lorena nabiera siły. Zagraża wybrzeżom Meksyku

Lorena nabiera siły. Zagraża wybrzeżom Meksyku

Źródło:
Reuters, ABC News

Polska w najbliższych dniach znajdzie się pomiędzy dwoma układami barycznymi, co przyniesie zmienne warunki pogodowe. Początek weekendu upłynie pod znakiem silnych burz i spadku temperatury - miejscami termometry pokażą zaledwie 22 stopnie Celsjusza.

Weekend przyniesie ochłodzenie i burze. Kiedy wróci ciepło?

Weekend przyniesie ochłodzenie i burze. Kiedy wróci ciepło?

Źródło:
tvnmeteo.pl

Pogoda na jutro, czyli na czwartek 4.09. W nocy na wschodzie kraju pojawią się gęste mgły. Dzień przyniesie pogodną aurę, choć w części Polski możliwe są przelotne opady i burze.

Pogoda na jutro - czwartek, 4.09. Mgły spowiją w nocy część kraju

Pogoda na jutro - czwartek, 4.09. Mgły spowiją w nocy część kraju

Źródło:
tvnmeteo.pl

Gwałtowne powodzie nawiedziły północne Indie. W wyniku ulew doszło do osunięć ziemi, w wyniku których zginęło co najmniej pięć osób - poinformowały lokalne władze. W niektórych regionach trwają akcje poszukiwawczo-ratunkowe.

Najwyższe opady od siedmiu dekad. Zginęło pięć osób

Najwyższe opady od siedmiu dekad. Zginęło pięć osób

Źródło:
Reuters, Times of India

We wtorek wieczorem przez włoskie miasto Triest przeszła gwałtowna ulewa. W ciągu kilku godzin sparaliżowała ruch drogowy oraz spowodowała liczne podtopienia. Straż pożarna interweniowała ponad 60 razy.

Chaos nad Adriatykiem. Osuwiska, podtopienia, uwięzieni kierowcy

Chaos nad Adriatykiem. Osuwiska, podtopienia, uwięzieni kierowcy

Źródło:
ENEX, ANSA

Lato 2025 było najcieplejszym w historii pomiarów Chin - przekazała w środę Chińska Administracja Meteorologiczna (CMA). Również inne kraje Azji Wschodniej doświadczyły ekstremalnie wysokiej temperatury.

Rekordowe lato w Chinach. To powód do niepokoju

Rekordowe lato w Chinach. To powód do niepokoju

Źródło:
PAP, AFP

Grupa badaczy zajmujących się zmianą klimatu ostro skrytykowała raport Departamentu Energii w administracji Donalda Trumpa dotyczący regulacji emisji zanieczyszczeń. Zdaniem ekspertów bagatelizuje on zagrożenia związane ze zmianami klimatu i przedstawia je jako rzekomo korzystne zjawiska.

"To nie nauka, to propaganda". Raport administracji Trumpa pod ostrzałem

"To nie nauka, to propaganda". Raport administracji Trumpa pod ostrzałem

Źródło:
CNN, The New York Times

Władze hiszpańskiej Teneryfy ogłosiły, że przeprowadzą największe w historii ćwiczenia na wypadek wybuchu wulkanu Teide znajdującego się na wyspie. W symulacji wezmą udział nie tylko mieszkańcy, lecz także naukowcy oraz służby. Ostatnia erupcja wulkanu miała miejsce nieco ponad 100 lat temu.

"To nie jest improwizacja". Na Teneryfie dostaną ważny alert

"To nie jest improwizacja". Na Teneryfie dostaną ważny alert

Źródło:
CanarianWeekly, El Diario

Wtorkowy wieczór przyniósł burze z ulewami w części kraju. W województwie łódzkim wystąpiły lokalne podtopienia, a silny wiatr łamał gałęzie i zrywał dachy.

"To było megauderzenie. Nagle zacząłem widzieć latające płyty dachowe"

"To było megauderzenie. Nagle zacząłem widzieć latające płyty dachowe"

Źródło:
TVN24

Młody niedźwiedź pojawił się na szlaku turystycznym w Dolinie Kościeliskiej w Tatrach i zaczął gonić przestraszonego turystę. W sieci pojawiło się nagranie incydentu. - To nie był atak - podkreślił w rozmowie z TVN24 Filip Zięba z Tatrzańskiego Parku Narodowego.

Niedźwiedź gonił turystę w Tatrach

Niedźwiedź gonił turystę w Tatrach

Źródło:
TVN24

W środę asteroida 2025 QV5 o rozmiarach zbliżonych do autobusu przeleci obok Ziemi. Kosmiczny obiekt nie stanowi zagrożenia dla naszej planety, ale amerykańska agencja kosmiczna NASA będzie prowadzić jego dokładne obserwacje.

Jest wielkości autobusu, w środę przeleci blisko Ziemi

Jest wielkości autobusu, w środę przeleci blisko Ziemi

Źródło:
Live Science, NASA

Rekordowe opady deszczu nawiedziły północną Japonię. W prefekturze Akita wylało kilka rzek, zalewając miejscowe pola ryżowe. Służby apelują do mieszkańców o zachowanie ostrożności.

Takich ulew we wrześniu jeszcze tam nie było

Takich ulew we wrześniu jeszcze tam nie było

Źródło:
Reuters, NHK

W poniedziałek po południu w stolicę amerykańskiego stanu Arizona - Phoenix - uderzyła burza piaskowa. Atak żywiołu spowodował poważne zakłócenia w ruchu drogowym i lotniczym. Tysiące osób było bez prądu.

Burza piaskowa nawiedziła miasto

Burza piaskowa nawiedziła miasto

Źródło:
CNN, KTAR News 92.3 FM, ABC15

W nocy z poniedziałku na wtorek na polskim niebie widoczna była zorza polarna. Wiele osób skorzystało z dobrych warunków do obserwacji, w tym Reporterzy 24.

Zorza polarna. Wasze zdjęcia

Zorza polarna. Wasze zdjęcia

Źródło:
Kontakt24, Z głową w gwiazdach

Do 1411 osób wzrosła liczba ofiar trzęsienia ziemi w Afganistanie - przekazał rzecznik tamtejszego rządu. Ponad 3100 osób zostało rannych, a około 5400 domów uległo zniszczeniu. Wciąż trwa akcja ratunkowa, którą utrudnia brak zasobów i trudny teren. We wtorek ziemia ponownie się zatrzęsła.

Trzęsienie ziemi w Afganistanie. Był kolejny wstrząs

Trzęsienie ziemi w Afganistanie. Był kolejny wstrząs

Aktualizacja:
Źródło:
Reuters

W ostatnich latach liczba lwów azjatyckich w Indiach znacznie wzrosła. Z jednej strony jest to sukces w odbudowie populacji podgatunku, który został niemal wytępiony przez człowieka, z drugiej - coraz częściej obserwuje się ataki tych zwierząt na ludzi. Rozwiązania problemu nie widać.

Z wioski zniknęło dziecko. Co dalej z "wyjątkową relacją"?

Z wioski zniknęło dziecko. Co dalej z "wyjątkową relacją"?

Źródło:
CNN

Sudańscy rebelianci przekazali w poniedziałek, że w wiosce na zachodzie kraju doszło do osuwiska, w wyniku którego zginęło ponad tysiąc osób. Zaapelowali o pomoc do ONZ i międzynarodowych organizacji humanitarnych.

Wielkie osuwisko, które miała przeżyć tylko jedna osoba

Wielkie osuwisko, które miała przeżyć tylko jedna osoba

Źródło:
PAP, Reuters, Al Jazeera

Tegoroczne lato "prawie na pewno" będzie najcieplejszym w historii pomiarów Wielkiej Brytanii - poinformowała w poniedziałek brytyjska agencja pogodowa Met Office. To sygnał postępującego globalnego ocieplenia.

Najcieplejsze lato od ponad 140 lat

Najcieplejsze lato od ponad 140 lat

Źródło:
PAP, The Guardian, Met Office

Amerykański astronauta Don Pettit uchwycił na nagraniu mieniącą się nad Ziemią zorzę polarną. Niezwykłe zjawisko zarejestrował z pokładu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Tak wygląda zorza polarna z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Tak wygląda zorza polarna z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Źródło:
Reuters, tvnmeteo.pl

Pięć gatunków ptaków od 2026 roku będzie objętych całoroczną ochroną. Informacją tą podzielił się Mikołaj Dorożała, wiceminister klimatu i środowiska. "Udało się osiągnąć ważny kompromis" - napisał.

"Dobra wiadomość dla przyrody". Na te gatunki nie będzie można polować

"Dobra wiadomość dla przyrody". Na te gatunki nie będzie można polować

Źródło:
tvn24.pl

Trzęsienie ziemi w Afganistanie. Dlaczego jego skutki okazały się tak tragiczne? Zdaniem profesora Jerzego Żaby, sejsmologa z Uniwersytetu Śląskiego, wpłynęło na to kilka czynników.

Dlaczego trzęsienie ziemi w Afganistanie było tak zabójcze

Dlaczego trzęsienie ziemi w Afganistanie było tak zabójcze

Źródło:
PAP

Silne trzęsienie ziemi w Afganistanie pochłonęło życie ponad 800 osób, a ponad 3000 zostało rannych. Akcję ratunkową utrudnia niedostępność wielu dotkniętych obszarów. W rozmowach z mediami świadkowie katastrofy zrelacjonowali swoje przeżycia.

Trzęsienie ziemi w Afganistanie. "Byłem na wpół pogrzebany i nie mogłem się wydostać"

Trzęsienie ziemi w Afganistanie. "Byłem na wpół pogrzebany i nie mogłem się wydostać"

Źródło:
Al Jazeera, Associated Press, BBC

W tym tygodniu czeka nas wyjątkowe zjawisko astronomiczne. Nasz naturalny satelita schowa się w cieniu Ziemi i dojdzie do całkowitego zaćmienia Księżyca.

Przed nami wyjątkowe zjawisko astronomiczne. Będzie widoczne z Polski

Przed nami wyjątkowe zjawisko astronomiczne. Będzie widoczne z Polski

Źródło:
timeanddate.com, PAP, tvnmeteo.pl

W niedzielę przez Houston w Teksasie przeszły silne burze, które wyrządziły wiele szkód na drogach i zakłóciły ruch lotniczy. Woda wlała się również do niektórych mieszkań.

Tym razem to Houston miało problem. "Tato, spójrz na wodę"

Tym razem to Houston miało problem. "Tato, spójrz na wodę"

Źródło:
ENEX, KHOU11, FOX 26 Houston

Do połowy września w Polsce ma panować późne lato - według niektórych prognoz temperatura może wzrosnąć nawet do 34 stopni Celsjusza. Tomasz Wasilewski odpoczywa na urlopie, dlatego tym razem w modele meteorologiczne zajrzała synoptyk tvnmeteo.pl Arleta Unton-Pyziołek.

Pogoda na 16 dni: upał jeszcze może wrócić

Pogoda na 16 dni: upał jeszcze może wrócić

Źródło:
tvnmeteo.pl