Gaismas ātrums
Gaismas ātrums tukšā telpā ir universāla fizikāla konstante. Tas nozīmē, ka tas ir vienāds visur tukšajā telpā un nemainās līdz ar laiku. Fiziķi bieži lieto burtu c, lai apzīmētu gaismas ātrumu tukšā telpā (vakuumā). Pēc definīcijas tas ir tieši 299 792 458 metri sekundē (983 571 056 pēdas sekundē). Ar šādu ātrumu vakuumā pārvietojas fotons (gaismas daļiņa).
Saskaņā ar īpašo relativitātes principu c ir maksimālais ātrums, ar kādu var pārvietoties visa enerģija, matērija un fiziskā informācija Visumā. Tas ir visu bezmasas daļiņu, piemēram, fotonu, un ar tiem saistīto lauku, tostarp elektromagnētiskā starojuma, piemēram, gaismas, ātrums vakuumā.
Pašreizējā teorija paredz, ka tas ir gravitācijas ātrums (tas ir, gravitācijas viļņi). Šādas daļiņas un viļņi pārvietojas ar ātrumu c neatkarīgi no avota kustības vai novērotāja inerciālā atskaites punkta. Relativitātesteorijā c sasaista telpu un laiku un parādās slavenajā masas un enerģijas ekvivalences vienādojumā E = mc2.
Speciālās relativitātes teorijas pamatā ir novērojumos apstiprināta prognoze, ka gaismas ātrums vakuumā ir vienāds neatkarīgi no tā, vai gaismas avots un persona, kas veic mērījumus, pārvietojas viens attiecībā pret otru. Dažkārt to izsaka kā "gaismas ātrums ir neatkarīgs no atskaites sistēmas".
Piemērs
Šāda uzvedība atšķiras no mūsu vispārpieņemtajiem priekšstatiem par kustību, kā tas redzams šajā piemērā:
Džordžs stāv uz zemes blakus vilciena sliedēm (dzelzceļam). Garām brauc vilciens ar ātrumu 48 km/h (30 mph). Džordžs met beisbola bumbiņu ar ātrumu 140 km/h (90 mph) virzienā, pa kuru pārvietojas vilciens. Vilciena pasažierim Tomam ir ierīce (līdzīga radara pistolei), ar kuru mēra mešanas ātrumu. Tā kā viņš atrodas vilcienā, Toms jau pārvietojas ar ātrumu 30 mph (48 km/h) metiena virzienā, tāpēc Toms mēra bumbiņas ātrumu tikai 60 mph (97 km/h).
Citiem vārdiem sakot, beisbola bumbas ātrums, ko mēra Toms vilcienā, ir atkarīgs no vilciena ātruma.
Iepriekš minētajā piemērā vilciens pārvietojās ar 1/3 no bumbas ātruma, un bumbas ātrums, ko mēra vilcienā, bija 2/3 no mešanas ātruma, ko mēra uz zemes.
Tagad atkārtojiet eksperimentu ar gaismu beisbola bumbas vietā, t. i., Džordžam beisbola bumbas mešanas vietā ir lukturītis. Džordžam un Tomam abiem ir vienādas ierīces gaismas ātruma mērīšanai (nevis radara lielgabals beisbola paraugā).
Džordžs stāv uz zemes blakus vilciena sliedēm. Garām brauc vilciens, kas steidzas ar 1/3 no gaismas ātruma. Džordžs mirgo ar gaismas staru virzienā, pa kuru pārvietojas vilciens. Džordžs izmēra, ka gaismas ātrums ir 186 282 jūdzes sekundē (299 792 kilometri sekundē). Vilciena pasažieris Toms mēra gaismas stara ātrumu. Kādu ātrumu izmēra Toms?
Intuitīvi var domāt, ka gaismas ātrumam no lukturīša, ko mēra vilcienā, vajadzētu būt 2/3 no ātruma, ko mēra uz zemes, tāpat kā beisbola bumbiņas ātrums bija 2/3. Taču patiesībā vilcienā izmērītais ātrums ir pilna vērtība - 186 282 jūdzes sekundē (299 792 kilometri sekundē), nevis 124 188 jūdzes sekundē (199 861 kilometrs sekundē).
Tas izklausās neiespējami, bet tieši to mēra. Daļēji tas ir tāpēc, ka gaisma ir enerģija, kas darbojas un pārvietojas pavisam citādi nekā matērija vai cietie objekti, piemēram, beisbola bumba.
Maksvela vienādojumi paredzēja gaismas ātrumu un apstiprināja Maikla Faradeja ideju, ka gaisma ir elektromagnētiskais vilnis (enerģijas kustības veids). No šiem vienādojumiem izriet, ka gaismas ātrums ir saistīts ar apgriezto kvadrātsakni no brīvās telpas caurlaidības ε0 un brīvās telpas caurlaidības μ0:
c = 1 ε 0 μ 0 . {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}\ . } 
Šī fakta sekas ir tādas, ka nekas nevar pārvietoties ātrāk par gaismas ātrumu. Vēl viens secinājums ir tāds, ka objektiem, kuriem ir masa, neatkarīgi no tā, cik daudz enerģijas tiek patērēts, lai palielinātu objekta ātrumu, tas kļūs arvien tuvāks un tuvāks, bet nekad nesasniegs gaismas ātrumu. Šīs idejas 1900. gadu sākumā atklāja Alberts Einšteins, kura darbs pilnībā mainīja mūsu izpratni par gaismu.
Caurspīdīga materiāla refrakcijas koeficients ir attiecība starp gaismas ātrumu vakuumā un gaismas ātrumu šajā materiālā.
Mērījumi
Rømer
Ole Kristensens Rēmers (Ole Christensen Rømer) izmantoja astronomisku mērījumu, lai pirmo reizi kvantitatīvi novērtētu gaismas ātrumu. Mērot no Zemes, mērot no Zemes, mēness, kas riņķo ap tālu planētu, periodi ir īsāki, kad Zeme tuvojas planētai, nekā tad, kad Zeme no tās attālinās. Attālums, ko gaisma no planētas (vai tās mēness) līdz Zemei mēro, ir īsāks, kad Zeme atrodas tās orbītas punktā, kas ir vistuvāk planētai, nekā tad, kad Zeme atrodas tās orbītas tālākajā punktā, un šī attāluma starpība ir Zemes orbītas diametrs ap Sauli. Novērotās izmaiņas Mēness orbitālajā periodā patiesībā ir atšķirība laikā, kas nepieciešams gaismai, lai pārvarētu īsāku vai garāku attālumu. Rēmers šo efektu novēroja Jupitera visdziļākajam mēnesim Io, un viņš secināja, ka gaismai nepieciešamas 22 minūtes, lai šķērsotu Zemes orbītas diametru.
Bredlijs
Cita metode ir izmantot gaismas aberāciju, ko 18. gadsimtā atklāja un izskaidroja Džeimss Bredlijs. Šis efekts rodas, vektoru veidā saskaitot gaismas ātrumu, kas nāk no attālināta avota (piemēram, zvaigznes), un tās novērotāja ātrumu (sk. diagrammu labajā pusē). Tādējādi kustīgs novērotājs redz gaismu, kas nāk no nedaudz atšķirīga virziena, un līdz ar to redz avotu novirzītu no sākotnējā stāvokļa. Tā kā Zemes ātruma virziens, Zemei riņķojot ap Sauli, nepārtraukti mainās, šis efekts izraisa zvaigžņu šķietamās pozīcijas maiņu. Pamatojoties uz zvaigžņu stāvokļa leņķisko starpību, ir iespējams izteikt gaismas ātrumu, izsakot to ar Zemes ātrumu ap Sauli. To, ņemot vērā zināmo gada garumu, var viegli pārvērst par laiku, kas nepieciešams, lai no Saules nokļūtu uz Zemi. Bredlijs 1729. gadā izmantoja šo metodi, lai noteiktu, ka gaisma pārvietojas 10 210 reizes ātrāk nekā Zeme savā orbītā (mūsdienās šis skaitlis ir 10 066 reizes ātrāks) vai, līdzvērtīgi, ka gaisma no Saules līdz Zemei ceļo 8 minūtes un 12 sekundes.
Mūsdienu
Mūsdienās "gaismas laiku uz attāluma vienību" - apgriezto c (1/c), kas izteikts sekundēs uz vienu astronomisko vienību - mēra, salīdzinot laiku, kādā radiosignāli sasniedz dažādus kosmosa aparātus Saules sistēmā. Kosmosa kuģu atrašanās vietu aprēķina pēc Saules un dažādu planētu gravitācijas ietekmes. Apvienojot daudzus šādus mērījumus, tiek iegūta vispiemērotākā gaismas laika vērtība uz attāluma vienību. No 2009. gada[atjaunināts] Starptautiskās Astronomijas savienības (IAU) apstiprinātā labākā aplēse ir šāda:
gaismas laiks attāluma vienībai: 499.004783836(10) s
c = 0,00200398880410(4) AU/s
c = 173,144632674(3) AU/dienā.
Šo mērījumu relatīvā nenoteiktība ir 0,02 daļas uz miljardu (2×10-11), kas ir līdzvērtīga garuma mērījumu nenoteiktībai uz Zemes, ko veic ar interferometrijas metodi. Tā kā metrs ir definēts kā garums, ko gaisma nogājusi noteiktā laika intervālā, gaismas laika mērījumu attāluma vienībai var interpretēt arī kā AU garuma mērījumu metros. Metru uzskata par īstā garuma vienību, savukārt AU bieži izmanto kā novērojamā garuma vienību noteiktā atskaites sistēmā.
Gaismas aberācija: gaisma no attālināta avota kustīgam teleskopam šķiet no citas vietas, jo gaismas ātrums ir ierobežots.
Praktiskā ietekme
Galīgais gaismas ātrums ir galvenais ierobežojums, kas kavē ceļošanu kosmosā lielos attālumos. Pieņemot, ka ceļojums uz Piena Ceļa otru malu, kopējais ziņojuma un atbildes laiks būtu aptuveni 200 000 gadu. Vēl nopietnāk - neviens kosmosa kuģis nevarētu ceļot ātrāk par gaismu, tāpēc visi galaktikas mēroga pārvadājumi faktiski būtu vienvirziena pārvadājumi, un tie ilgtu daudz ilgāk, nekā pastāv jebkura mūsdienu civilizācija.
Gaismas ātrums var radīt bažas arī ļoti nelielos attālumos. Superdatoru gadījumā gaismas ātrums ierobežo datu nosūtīšanas ātrumu starp procesoriem. Ja procesors darbojas ar 1 gigaherca frekvenci, signāls vienā ciklā var pārvietoties ne vairāk kā 30 cm (1 pēdas). Tāpēc procesori jāizvieto tuvu viens otram, lai samazinātu saziņas aizkavēšanos; tas var radīt dzesēšanas grūtības. Ja takts frekvences turpinās palielināties, gaismas ātrums galu galā kļūs par ierobežojošu faktoru atsevišķu mikroshēmu iekšējā dizainā.
Jautājumi un atbildes
J: Kāds ir gaismas ātrums?
A: Gaismas ātrums, ko apzīmē ar "c", ir fizikāla konstante, kas ir precīzi 299 792 458 metri sekundē (983 571 056 pēdu sekundē).
J: Kā tiek attēlots gaismas ātrums?
A: Gaismas ātrumu parasti apzīmē ar "c", un vakuuma vidē to apzīmē ar "c^0".
J: Kādas daļiņas pārvietojas ar gaismas ātrumu?
A: Fotoni (gaismas daļiņas) vakuumā pārvietojas ar šādu ātrumu. Turklāt visas bezmasas daļiņas, piemēram, fotoni un ar tiem saistītie lauki, tostarp elektromagnētiskais starojums, piemēram, gaisma, pārvietojas ar ātrumu c neatkarīgi no to avota vai novērotāja inerciālā atskaites punkta.
J: Ko īpašā relativitāte nosaka par gaismas ātrumu?
Atbilstoši speciālajai relativitātei c ir maksimālais ātrums, ar kādu Visumā var pārvietoties visa enerģija, matērija un fizikālā informācija. Tajā arī teikts, ka izmērītais gaismas ātrums vakuumā nemainās neatkarīgi no tā, vai gaismas avots vai novērotājs kustas viens attiecībā pret otru.
J: Kā c ir saistīts ar telpu un laiku?
Atbilde: Relativitātes teorijā c ir savstarpēji saistīts ar telpu un laiku, parādoties Einšteina slavenajā vienādojumā E = mc2. Šis vienādojums parāda, kā enerģiju var pārvērst par masu un otrādi.
Vai ir kādi pierādījumi, kas apstiprina īpašās relativitātes prognozi par izmērīto gaismas ātrumu?
A: Jā - līdz šim novērojumi ir apstiprinājuši šo prognozi, ka neatkarīgi no tā, no kādas atskaites sistēmas tā tiek novērota vai ar kādu ātrumu pārvietojas tās avots, izmērītais ātrums paliek nemainīgs.
