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

Kolejne dni przyniosą nam gwałtowny powrót zimy. Nad naszymi wschodnimi granicami może rozbudować się niż, który przyniesie śnieg, śnieg z deszczem i silny wiatr. Właściwie z dnia na dzień temperatura odczuwalna spadnie z ponad 20 stopni do niemal zera.

Zanosi się na prawdziwy atak zimy. W prognozie widać śnieżyce

Zanosi się na prawdziwy atak zimy. W prognozie widać śnieżyce

Źródło:
tvnmeteo.pl

IMGW ostrzega przed zimowymi zagrożeniami. W nadchodzących dniach obserwować będziemy stopniowy powrót zimy - w niektórych regionach prognozowane są opady śniegu, a silny wiatr sprawi, że temperatura odczuwalna okaże się wyjątkowo niska.

Na horyzoncie zimno, śnieg i silny wiatr. Prognoza zagrożeń IMGW

Na horyzoncie zimno, śnieg i silny wiatr. Prognoza zagrożeń IMGW

Źródło:
IMGW

Pogoda na dziś. Czwartek, 3.04 zapowiada się słonecznie i pogodnie w niemal całym kraju. Termometry wskażą maksymalnie do 18-19 stopni Celsjusza. W górach może powiać silniejszy wiatr.

Pogoda na dziś - czwartek, 3.04. Czeka nas ciepły i słoneczny dzień

Pogoda na dziś - czwartek, 3.04. Czeka nas ciepły i słoneczny dzień

Źródło:
tvnmeteo.pl

Część Ameryki Północnej powoli kapie w głąb Ziemi. Jak wyjaśnili naukowcy z Uniwersytetu Teksańskiego, proces ten zachodzi bardzo głęboko pod powierzchnią, na granicy skorupy i płaszcza Ziemi. Modelowanie komputerowe pomogło im też w ustaleniu, co powoduje cieknięcie skał.

Geologowie zauważyli, że Stany Zjednoczone kapią w głąb Ziemi

Geologowie zauważyli, że Stany Zjednoczone kapią w głąb Ziemi

Źródło:
University of Texas - Austin

Trzęsienie ziemi o magnitudzie 5,6 nawiedziło południowe wybrzeże Birmy (Mjanmy) - przekazało niemieckie centrum informacyjne GFZ. Azjatycki kraj nadal zmaga się ze skutkami ubiegłotygodniowych wstrząsów, które wystąpiły w okolicy miasta Mandalaj. Jak podała agencja AP, liczba ofiar kataklizmu przekroczyła 3 tysiące.

Kolejne trzęsienie ziemi w Birmie. Liczba ofiar stale rośnie

Kolejne trzęsienie ziemi w Birmie. Liczba ofiar stale rośnie

Źródło:
PAP, Reuters

Rząd Słowacji zatwierdził plan odstrzału 350 niedźwiedzi oraz wprowadził stan nadzwyczajny w 55 z 79 powiatów kraju. Z decyzją władz nie zgadzają się obrońcy przyrody. Według nich planowany odstrzał kilkakrotnie przekracza dopuszczalny poziom.

Stan nadzwyczajny i zgoda na odstrzał 350 niedźwiedzi

Stan nadzwyczajny i zgoda na odstrzał 350 niedźwiedzi

Źródło:
PAP, TVN24

Po raz pierwszy naukowcy wykazali, że niektóre gatunki porostów mogłyby przetrwać warunki panujące na Marsie. W badaniu, prowadzonym przez Polaków, organizmy poddano symulacji, której rezultat zaprzeczył wcześniejszym założeniom dotyczącym życia na Czerwonej Planecie.

Te niezwykłe organizmy występują w Polsce i być może poradzą sobie na Marsie

Te niezwykłe organizmy występują w Polsce i być może poradzą sobie na Marsie

Źródło:
phys.org, zpe.gov.pl

W dolinie Biebrzy panuje susza. Wystarczy iskra, żeby doszło do pożaru. Susza może mieć także katastrofalny wpływ na tamtejsze ptaki, które do lęgu potrzebują rozlewisk.

Tak sucho nad Biebrzą nie było nawet podczas historycznego pożaru

Tak sucho nad Biebrzą nie było nawet podczas historycznego pożaru

Źródło:
TVN24, tvnmeteo.pl

Ogromne fale nawiedziły we wtorek wschodnie wybrzeże Australii. Na popularnej wśród surferów plaży Bondi ocean poważnie uszkodził klub surfingowy. Trudna sytuacja panowała także na południe od Sydney, gdzie przypływ podmył promenadę.

"Królewski przypływ" uderzył w kultową plażę

"Królewski przypływ" uderzył w kultową plażę

Źródło:
Reuters, ABC News

Stany Zjednoczone przygotowują się na przejście kolejnego intensywnego systemu burzowego. Miejscami od środy do soboty ma spaść więcej deszczu niż zazwyczaj pada przez całą wiosnę. Meteorolodzy ostrzegają przed katastrofalnymi powodziami, szczególnie na obszarach, które zmagają się ze skutkami poprzednich burz.

Ostrzeżenie przed "pokoleniowymi" powodziami

Ostrzeżenie przed "pokoleniowymi" powodziami

Źródło:
CNN, PAP, tvnmeteo.pl

Potężne ulewy nawiedziły w ubiegłym tygodniu australijski Queensland. Według szacunków władz, pod wodą znalazło się około 500 tysięcy kilometrów kwadratowych terenu. Ponad 100 tysięcy sztuk bydła zatonęło. Meteorolodzy nie mają dobrych wieści, bo prognozowane są kolejne opady.

Roczne opady w tydzień. Pod wodą obszar wielkości Francji

Roczne opady w tydzień. Pod wodą obszar wielkości Francji

Źródło:
AFP, PAP

W okolicach Grindaviku na Islandii trwa erupcja wulkaniczna. Prewencyjnie ewakuowano mieszkańców miasta i turystów przebywających w słynnej Błękitnej Lagunie. Od samego rana w regionie trwa wzmożona aktywność sejsmiczna. Wstrząsy były odczuwalne w wielu regionach kraju.

Wulkan się obudził. Wstrząsy odczuwalne w stolicy

Wulkan się obudził. Wstrząsy odczuwalne w stolicy

Aktualizacja:
Źródło:
PAP, RUV

W ostatnich dniach wiele regionów Stanów Zjednoczonych nawiedziły niszczycielskie burze, którym towarzyszyły tornada. Zginęło co najmniej siedem osób. Wiatr niszczył domy, drzewa i zrywał linie energetyczne. Meteorolodzy ostrzegają, że to jeszcze nie koniec gwałtownych zjawisk.

Nie żyje siedem osób. "Najważniejsze jest zapewnienie bezpieczeństwa"

Nie żyje siedem osób. "Najważniejsze jest zapewnienie bezpieczeństwa"

Źródło:
PAP, NBC News, CNN

Strażacy z Kalifornii od kilku dni walczą z pożarem przy granicy z Nevadą. Udało się powstrzymać rozprzestrzenianie się żywiołu, jednak to nie koniec zmagań służb. Jak podała gazeta "Los Angeles Times", płomienie nadal są potencjalnym zagrożeniem dla znajdujących się w pobliżu drzew, których wiek szacowany jest na ponad 4000 lat.

Ogień zagraża drzewom liczącym ponad 4000 lat

Ogień zagraża drzewom liczącym ponad 4000 lat

Źródło:
PAP, Los Angeles Times, AP, tvnmeteo.pl

W Birmie trwa akcja poszukiwawczo-ratunkowa po trzęsieniu ziemi, jakie nawiedziło kraj w zeszłym tygodniu. Bilans ofiar wzrósł do ponad 2,7 tysięcy. Jak opowiadali na antenie TVN24 wolontariusze z organizacji Humanosh Emergency Medical Team, koordynację pomocy utrudnia brak usług komunikacyjnych, a przez zniszczone drogi służby mają problemy z dotarciem do potrzebujących.

"Podróż, która do tej pory trwała dwie godziny, zajmuje dziesięć"

"Podróż, która do tej pory trwała dwie godziny, zajmuje dziesięć"

Źródło:
Reuters, PAP, TVN24

Ulewy nawiedziły w poniedziałek południową Brazylię. Najtrudniejsza sytuacja panowała w rejonie Sao Paulo, gdzie woda zalała kilka ważnych arterii komunikacyjnych. Transport miejski został wstrzymany, a tysiące domów pozostało bez dostępu do prądu.

Na ulicach zamiast autobusów pojawiły się amfibie

Na ulicach zamiast autobusów pojawiły się amfibie

Źródło:
PAP, G1 Globo

Wystartowała misja Fram2. Załoga kapsuły Crew Dragon "Resilience" spędzi cztery dni na orbicie polarnej - to pierwsza załogowa misja, której trasa przebiega nad obszarami okołobiegunowymi. Cywilni astronauci mają w planach przeprowadzenie ponad 20 eksperymentów.

Spędzą kilka dni na nieprzyjaznej orbicie. Pierwsza taka misja w historii

Spędzą kilka dni na nieprzyjaznej orbicie. Pierwsza taka misja w historii

Źródło:
Reuters, SpaceX, CNN, "Z głową w gwiazdach", "O kosmosie i astronautyce"

Drastyczne ochłodzenie przerwie ciepłą, wiosenną pogodę. Jak bardzo spadnie temperatura? Sprawdź, co przewiduje Tomasz Wasilewski w swojej prognozie długoterminowej na kolejne 16 dni.

Pogoda na 16 dni: w pewnym momencie cofniemy się o miesiąc

Pogoda na 16 dni: w pewnym momencie cofniemy się o miesiąc

Źródło:
tvnmeteo.pl

Z analiz Centrów Kontroli i Prewencji Chorób w USA wynika, że może być więcej gatunków kleszczy, które powodują u ludzi rzadką alergię na czerwone mięso. Głównym jej sprawcą pozostaje jednak niesławny Amblyomma americanum.

Więcej gatunków kleszczy może przenosić alergię na czerwone mięso

Więcej gatunków kleszczy może przenosić alergię na czerwone mięso

Źródło:
Live Science, tvnmeteo.pl

Gwałtowne burze przetoczyły się w weekend przez środkowo-wschodnie Stany Zjednoczone. Towarzyszył im porywisty wiatr, który powalał drzewa. Narodowa Służba Pogodowa ostrzega przed tornadami, które mogą się pojawić w poniedziałek w centralnej części Missisipi i w dolinie rzeki Ohio.

Drzewa spadały na domy i samochody. "Mężczyzna zginął na miejscu"

Drzewa spadały na domy i samochody. "Mężczyzna zginął na miejscu"

Źródło:
CNN, USA Today

W środkowej części Słowacji odnaleziono ciało poszukiwanego od niedzielnego popołudnia 59-letniego mężczyzny. Najprawdopodobniej został zaatakowany przez niedźwiedzia - poinformowały w poniedziałek policja i państwowa Straż Ochrony Przyrody. Okoliczności tragedii ma potwierdzić sekcja zwłok.

Znaleziono ciało poszukiwanego mężczyzny. Mógł zaatakować go niedźwiedź

Znaleziono ciało poszukiwanego mężczyzny. Mógł zaatakować go niedźwiedź

Źródło:
PAP, mynovohrad.sme.sk

Biały daniel został uchwycony na zdjęciach i nagraniu przez Reportera24. Zwierzę pojawiło się w miejscowości Rudziniec (województwo śląskie). Towarzyszył mu osobnik o ciemniejszym umaszczeniu.

Zobaczył białego daniela. "To nie był albinos"

Zobaczył białego daniela. "To nie był albinos"

Źródło:
tvnmeteo.pl, Kontakt24

Bilans ofiar śmiertelnych piątkowego trzęsienia ziemi, które nawiedziło Birmę, przekroczył 1700 osób - poinformował w poniedziałek rzecznik rządzącej krajem junty generał Zaw Min Tun. Państwowe media w Chinach przekazały, że ekipy ratunkowe wyciągnęły żywą kobietę, która pod gruzami hotelu spędziła 60 godzin.

Po 60 godzinach wyciągnięto spod gruzów żywą kobietę

Po 60 godzinach wyciągnięto spod gruzów żywą kobietę

Źródło:
PAP, Reuters

Marznące opady deszczu uszkodziły w weekend linie energetyczne w kanadyjskiej prowincji Ontario. Spowodowały, że ponad 350 tysięcy osób było pozbawionych prądu. Gwałtowana aura nawiedziła również amerykańskie stany Michigan i Wisconsin.

Marznący deszcz i setki tysięcy osób bez prądu

Marznący deszcz i setki tysięcy osób bez prądu

Źródło:
Reuters, PAP, globalnews.ca

W Mjanmie trwa dramatyczna akcja ratunkowa po trzęsieniu ziemi. W niedzielę służby poinformowały o uratowaniu ciężarnej kobiety, która spędziła ponad 50 godzin pod gruzami. Niestety, niedługo po tym zmarła w szpitalu.

Ciężarna kobieta spędziła pod gruzami ponad 50 godzin, zmarła w szpitalu

Ciężarna kobieta spędziła pod gruzami ponad 50 godzin, zmarła w szpitalu

Aktualizacja:
Źródło:
PAP, AFP, Reuters

Na początku tygodnia nad Polską pojawi się więcej chmur, z których ma padać deszcz. W niektórych regionach będzie szansa na opady, tak potrzebne o tej porze roku. Zmiana pod tym względem nastąpi w drugiej połowie tygodnia.

Gdzie pojawi się szansa na deszcz? Pogoda na 5 dni

Gdzie pojawi się szansa na deszcz? Pogoda na 5 dni

Źródło:
tvnmeteo.pl

Silne trzęsienie ziemi w Mjanmie było odczuwalne także w Chinach. Na własnej skórze mogły doświadczyć tego pielęgniarki z ośrodka położniczego w prowincji Junnan. Kobiety próbowały ochronić noworodki przed skutkami zjawiska. Zdarzenie zostało zarejestrowane na nagraniu.

Chwile grozy na oddziale położniczym. Nagranie

Chwile grozy na oddziale położniczym. Nagranie

Źródło:
CNN, Xinhua, The Hindustian Times, Reuters

Niedzielny test rakiety Spectrum, wyprodukowanej przez niemiecką firmę Isar Aerospace, zakończył się niepowodzeniem. Maszyna eksplodowała kilkadziesiąt sekund po starcie. Początek misji przekładany był wielokrotnie. Przedsiębiorstwo zapowiada kolejne starty.

Pierwsza taka misja z Europy i eksplozja tuż po starcie

Pierwsza taka misja z Europy i eksplozja tuż po starcie

Źródło:
PAP, Reuters, The Guardian

Piątkowe trzęsienie ziemi niemal zrównało z ziemią niektóre regiony Mjanmy (Birmy). Najbardziej zniszczone zostało miasto Mandalaj. To, jak ogromne są uszkodzenia, widać na zdjęciach satelitarnych.

Dzielnice zrównane z ziemią. Zniszczenia na zdjęciach satelitarnych

Dzielnice zrównane z ziemią. Zniszczenia na zdjęciach satelitarnych

Źródło:
Reuters

Na Pacyfiku w rejonie archipelagu Tonga doszło do silnego trzęsienia ziemi o magnitudzie 7 - podała Amerykańska Służba Geologiczna (USGS). Wydano ostrzeżenie przed możliwością pojawienia się tsunami, ale po kilkudziesięciu minutach je odwołano.

Silne trzęsienie ziemi na Pacyfiku. Było zagrożenie tsunami

Silne trzęsienie ziemi na Pacyfiku. Było zagrożenie tsunami

Źródło:
USGS, tvnmeteo.pl, Reuters