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).

Definīcija un mērījumu saistība ar SI mērvienībām

Gaismas ātruma skaitliskā vērtība ir precīzi noteikta: 299 792 458 m/s. Šī definīcija ir cieši saistīta ar metra definīciju — kopš 1983. gada metrs SI sistēmā tiek definēts kā attālums, ko gaisma vakuumā mēro sekundes laikā, ja tās ātrums ir tieši c. Tādējādi gaismas ātrums kļuva par pamatu attālumu mērajiem standardiem.

Relativitāte, invariance un fiziskās sekas

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.

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. To bieži izsaka kā: "gaismas ātrums ir neatkarīgs no atskaites sistēmas".

Relativitātesteorijā c sasaista telpu un laiku un parādās slavenajā masas un enerģijas ekvivalences vienādojumā E = mc2. No šī izriet svarīgas sekas: objektiem ar nekam neraksturīgu masu (klasiskā nozīmē — mūžīga masu) nav iespējams sasniegt vai pārsniegt ātrumu c, elektronikas un laika mērījumi mainās — parādās laika dilatācija un garuma līzumā (length contraction).

Gaismas ātrums gravitatīvajos un elektromagnētiskajos laukos

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. Novērotās gravitācijas viļņu signālu laikrindu analīze (piemēram, LIGO un Virgo detektoru novērojumi) apstiprina, ka gravitācijas viļņi izplatās ar ātrumu, kas nav atšķirīgs no gaismas ātruma mērījumiem.

Klasiskajā elektromagnētismā gaismas ātrumu vakuumā var izteikt ar vakuma elektriskās un magnētiskās īpašības konstantēm: c = 1/√(ε0 μ0). Tomēr, ņemot vērā, ka c SI sistēmā ir definēta konstante, prakse un citu konstantu precizitāte ir atkarīga no izvēlētajām definīcijām un mērījumu metodēm.

Gaismas ātrums materiālos un īpašas parādības

Gaismas ātrums materiālos (piemēram, stiklā vai ūdenī) ir mazāks nekā c vakuumā; samazinājumu raksturo materiāla lūzuma koeficients (refrakcijas indekss). Tāpat ir svarīgi atšķirt fāzes ātrumu un grupas ātrumu — dažos frekvenču diapazonos grupas ātrums var pārsniegt c, taču tas nenozīmē informācijas pārvietošanos ātrāk par gaismu un tādējādi nepārkāpj kauzalitāti. Ja daļiņa pārvietojas materiālā ar ātrumu lielāku par fotona fāzes ātrumu tajā vidē, rodas Čerenkova starojums — zilgana gaisma, kas novērojama kodolreaktora baseinos.

Vēsturiskie mērījumi un pierādījumi

  • 17. gadsimtā Ole Rømer pirmoreiz pierādīja, ka gaismai ir galīgs ātrums, novērojot Jupitera ēnu kavēšanos.
  • 19. gadsimtā A. Fizeau un L. Foucault veica tiešus laboratoriskus mērījumus, precizējot vērtību.
  • Precīzāki mērījumi sekoja ar interferometrijas metodēm (M. F. Michelson), kas vēlāk noveda pie mēru standardu pārdefinēšanas.
  • Mūsdienās gaismas ātruma invariance ir pārbaudīta ar ļoti precīziem eksperimentiem, un relativitātes prognozes par laika dilatāciju, masas un enerģijas attiecībām ir atkārtoti apstiprinātas.

Kāpēc tas ir svarīgi

Gaismas ātrums vakuumā ir fundamentāls fizikas pamats. Tas nosaka informācijas un cēloņu sekvences iespējamību Visumā (kauzalitāti), ietekmē satelītu navigācijas sistēmas (piemēram, GPS), eksperimentos nosaka laika un attālumu mērus un ir centrālais lielums relativitātes un kvantu lauka teoriju formulēšanā. No praktiskā viedokļa precīza c vērtība nodrošina, ka mērījumi visā pasaulē ir salīdzināmi un reproducējami.

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".