Viteza luminii – un rol fundamental in fizica

0 Shares
0
0
0

Viteza luminii in vid, notata in mod obisnuit c, este o constanta fizica universala importanta in multe domenii ale fizicii. Valoarea sa exacta este definita ca 299792458 metri pe secunda (aproximativ 300000 km / s sau 186000 mi / s).

Este exacta deoarece, prin acord international, un metru este definit ca lungimea caii parcurse de lumina in vid intr-un interval de timp de 1⁄299792458 secunde. Conform relativitatii speciale, c este limita superioara a vitezei cu care materia conventionala, energia sau orice semnal care transporta informatii, pot circula prin spatiu.

Desi aceasta viteza este cel mai frecvent asociata cu lumina, este, de asemenea, viteza la care toate particulele fara masa si perturbarile campului se deplaseaza in vid, inclusiv radiatia electromagnetica (din care lumina este un interval mic in spectrul de frecventa) si undele gravitationale.

Astfel de particule si unde calatoresc la viteza c, indiferent de miscarea sursei sau de cadrul de referinta inertial al observatorului. Particulele cu masa de repaus diferita de zero se pot apropia de c, dar nu o pot atinge niciodata, indiferent de cadrul de referinta in care se masoara viteza lor. In teoriile speciale si generale ale relativitatii, c se coreleaza intre spatiu si timp si apare si in faimoasa ecuatie a echivalentei masa-energie, E = mc2.

In unele cazuri, obiectele sau undele pot parea sa calatoreasca mai repede decat lumina (de exemplu, viteza de faza a undelor, aparitia anumitor obiecte astronomice de mare viteza si efecte cuantice particulare). Expansiunea universului se intelege ca depaseste viteza luminii dincolo de o anumita granita.

Viteza la care lumina se propaga prin materiale transparente, cum ar fi sticla sau aerul, este mai mica de c; in mod similar, viteza undelor electromagnetice din cablurile de sarma este mai mica decat c. Raportul dintre c si viteza v la care se deplaseaza lumina intr-un material se numeste indicele de refractie n al materialului (n = c / v).

De exemplu, pentru lumina vizibila, indicele de refractie al sticlei este de obicei de aproximativ 1,5, ceea ce inseamna ca lumina din sticla se deplaseaza la c / 1,5 ≈ 200000 km / s (124000 mi / s); indicele de refractie al aerului pentru lumina vizibila este de aproximativ 1.0003, deci viteza luminii in aer este cu aproximativ 90 km / s (56 mi / s) mai mica decat c.

In multe scopuri practice, lumina si alte unde electromagnetice vor parea ca se propaga instantaneu, dar pentru distante mari si masuratori foarte sensibile, viteza lor finita are efecte vizibile. In comunicarea cu sondele spatiale indepartate, poate dura de la cateva minute pana la ore pentru ca un mesaj sa ajunga de pe Pamant la nava spatiala sau invers.

Lumina vazuta de la stele le-a parasit cu multi ani in urma, permitand studiul istoriei universului prin privirea obiectelor indepartate. Viteza finita a luminii limiteaza, de asemenea, transferul de date intre procesor si cipurile de memorie din computere. Viteza luminii poate fi utilizata odata cu masurarea timpului de zbor pentru a masura distante mari cu precizie ridicata.

Ole Rømer a demonstrat pentru prima data in 1676 ca lumina calatoreste cu o viteza finita (non-instantanee) studiind miscarea aparenta a lunii Io a lui Jupiter. In 1865, James Clerk Maxwell a propus ca lumina este o unda electromagnetica si, prin urmare, a calatorit cu viteza c care apare in teoria sa de electromagnetism.

viteza luminii prin ochii lui Albert Einstein

In 1905, Albert Einstein a postulat ca viteza luminii c fata de orice cadru inertial este o constanta si este independenta de miscarea sursei de lumina. El a explorat consecintele acelui postulat derivand teoria relativitatii si facand acest lucru, a aratat ca parametrul c avea relevanta in afara contextului luminii si al electromagnetismului.

Dupa secole de masuratori din ce in ce mai precise, in 1975 viteza luminii era cunoscuta ca fiind 299792458 m / s (983571056 ft / s; 186282,397 mi / s) cu o incertitudine de masurare de 4 parti per miliard. In 1983, contorul a fost redefinit in Sistemul International de Unitati (SI) ca distanta parcursa de lumina in vid in 1/299792458 de secunda.

Viteza luminii – valoare numerica, notatie si unitati

Viteza luminii in vid este de obicei notata cu litere “c” mic pentru „constanta” sau latina celeritas (care inseamna „rapiditate, celeritate”). In 1856, Wilhelm Eduard Weber si Rudolf Kohlrausch folosisera c pentru o constanta diferita care s-a aratat ulterior ca este egala cu √2 ori viteza luminii in vid.

James Clerk Maxwell despre viteza luminii

Din punct de vedere istoric, simbolul V a fost folosit ca simbol alternativ pentru viteza luminii, introdus de James Clerk Maxwell in 1865. In 1894, Paul Drude a redefinit c cu semnificatia sa moderna. Einstein a folosit V in lucrarile sale originale in limba germana despre relativitatea speciala in 1905, dar in 1907 a trecut la c, care pana atunci devenise simbolul standard al vitezei luminii.

Uneori c este utilizat pentru viteza undelor in orice mediu material si c0 pentru viteza luminii in vid. Aceasta notatie subscrisa, care este sustinuta in literatura oficiala a SI, are aceeasi forma ca si alte constante conexe: si anume, μ0 pentru permeabilitatea la vid sau constanta magnetica, ε0 pentru permitivitatea la vid sau constanta electrica si Z0 pentru impedanta spatiu liber. Acest articol foloseste c exclusiv pentru viteza luminii in vid.

Din 1983, contorul a fost definit in Sistemul International de Unitati (SI) ca distanta pe care lumina o parcurge in vid in 1⁄299792458 de secunda. Aceasta definitie fixeaza viteza luminii in vid la exact 299792458 m / s. Ca o constanta fizica dimensionala, valoarea numerica a lui c este diferita pentru diferite sisteme unitare.

In ramurile fizicii in care c apare adesea, cum ar fi in relativitate, este comun sa se utilizeze sisteme de unitati naturale de masura sau sistem de unitate geometrizat unde c = 1. Folosind aceste unitati, c nu apare in mod explicit deoarece multiplicarea sau impartirea cu 1, nu afecteaza rezultatul.

Viteza Luminii – rolul fundamental in fizica

Viteza la care undele de lumina se propaga in vid este independenta atat de miscarea sursei de unda, cat si de cadrul de referinta inertial al observatorului. Aceasta invarianta a vitezei luminii a fost postulata de Einstein in 1905, dupa ce a fost motivat de teoria electromagnetismului lui Maxwell si de lipsa dovezilor pentru eterul luminifer; de atunci a fost confirmata in mod constant de numeroase experimente.

Este posibil doar sa se verifice experimental ca viteza bidirectionala a luminii (de exemplu, de la o sursa la o oglinda si inapoi) este independenta de cadru, deoarece este imposibil sa se masoare viteza unidirectionala a luminii (de exemplu, de la o sursa la un detector la distanta) fara o conventie cu privire la cum ar trebui sincronizate ceasurile la sursa si la detector.

Cu toate acestea, adoptand sincronizarea Einstein pentru ceasuri, viteza unica a luminii devine egala cu viteza bidirectionala a luminii prin definitie. Teoria speciala a relativitatii exploreaza consecintele acestei invariante a lui c cu presupunerea ca legile fizicii sunt aceleasi in toate cadrele de referinta inertiale. O consecinta este ca c este viteza cu care toate particulele si undele fara masa, inclusiv lumina, trebuie sa calatoreasca in vid.

Relativitatea speciala are multe implicatii contraintuitive si verificate experimental. Acestea includ echivalenta masei si energiei (E=mc2), contractia lungimii (obiectele in miscare se scurteaza), si dilatarea timpului (ceasurile in miscare ruleaza mai incet). Factorul γ prin care lungimile se contracta si se dilata este cunoscut sub numele de factor Lorentz si este dat de γ = (1 – v2 / c2) −1/2, unde v este viteza obiectului.

Diferenta γ de la 1 este neglijabila pentru viteze mult mai mici decat c, cum ar fi cele mai multe viteze de zi cu zi – caz in care relativitatea speciala este apropiata de relativitatea galileana – dar creste la viteze relativiste si diverg la infinit pe masura ce v se apropie de c. De exemplu, un factor de dilatare a timpului γ = 2 apare la o viteza relativa de 86,6% din viteza luminii (v = 0,866 c). In mod similar, un factor de dilatare a timpului γ = 10 apare la v = 99,5% c.

Rezultatele relativitatii speciale pot fi rezumate tratand spatiul si timpul ca o structura unificata cunoscuta sub numele de spatiu-timp (cu c raportand unitatile spatiului si timpului) si cerand ca teoriile fizice sa satisfaca o simetrie speciala numita invarianta Lorentz, a carei formulare matematica contine parametrul c. Invarianta Lorentz este o ipoteza aproape universala pentru teoriile fizice moderne, cum ar fi electrodinamica cuantica, cromodinamica cuantica, modelul standard al fizicii particulelor si relativitatea generala.

Ca atare, parametrul c este omniprezent in fizica moderna, aparand in multe contexte care nu au legatura cu lumina. De exemplu, relativitatea generala prezice ca c este si viteza gravitatiei si a undelor gravitationale.

In cadrele de referinta non-inertiale (spatiu-timp curbat gravitational sau cadrele de referinta accelerate), viteza locala a luminii este constanta si egala cu c, dar viteza luminii de-a lungul unei traiectorii de lungime finita poate diferi de c, in functie de modul in care sunt definite distantele si timpii.

In general, se presupune ca constantele fundamentale precum c au aceeasi valoare pe tot parcursul spatiului-timp, ceea ce inseamna ca nu depind de locatie si nu variaza in functie de timp. Cu toate acestea, in diverse teorii s-a sugerat ca viteza luminii s-ar fi putut schimba in timp. Nu s-au gasit dovezi concludente pentru astfel de modificari, dar acestea raman subiectul cercetarilor in curs.

De asemenea, se presupune in general ca viteza luminii este izotropa, ceea ce inseamna ca are aceeasi valoare indiferent de directia in care este masurata. Observatiile emisiilor provenite de la nivelurile de energie nucleara in functie de orientarea nucleelor ​​emitatoare intr-un camp magnetic (a se vedea experimentul Hughes – Drever) si a rezonantilor optici rotativi (a se vedea experimentele cu rezonatori) au pus limite stricte anizotropiei pe doua cai.

Efectele practice

Viteza luminii este relevanta pentru comunicatii: timpul de intarziere dus-intors este mai mare decat zero. Acest lucru se aplica de la scara mica la scara astronomica. Pe de alta parte, unele tehnici depind de viteza finita a luminii, de exemplu in masuratorile de distanta.

La supercalculatoare, viteza luminii impune o limita a vitezei de trimitere a datelor intre procesoare. Daca un procesor functioneaza la 1 gigahertz, un semnal poate parcurge doar maximum 30 de centimetri (1 ft) intr-un singur ciclu. Prin urmare, procesoarele trebuie amplasate unul langa altul pentru a reduce la minimum latentele de comunicare; acest lucru poate cauza dificultati la racire. Daca frecventele ceasului continua sa creasca, viteza luminii va deveni in cele din urma un factor limitativ pentru proiectarea interna a cipurilor individuale.

Relativ la Pamant

Avand in vedere ca circumferinta ecuatoriala a Pamantului este de aproximativ 40075 km si ca c este de aproximativ 300000 km / s, cel mai scurt timp teoretic pentru ca o informatie sa parcurga jumatate din glob de-a lungul suprafetei sale, este de aproximativ 67 de milisecunde.

Cand lumina circula in jurul globului intr-o fibra optica, timpul real de tranzit este mai mare, in parte, deoarece viteza luminii este mai mica cu aproximativ 35% intr-o fibra optica, in functie de indicele de refractie n. Mai mult, liniile drepte apar rar in situatii de comunicatii globale si intarzierile sunt create atunci cand semnalul trece printr-un comutator electronic sau un regenerator de semnal.

0 Shares
You May Also Like