Ταχύτητα του φωτός

Η ταχύτητα του φωτός είναι η ταχύτητα με την οποία το φως διαδίδεται στο κενό ή σε υλικά μέσα. Η ταχύτητα του φωτός στο κενό που συμβολίζεται συνήθως με c, είναι 299.792.458 m/s (μέτρα το δευτερόλεπτο) σε μονάδες SI (Διεθνές σύστημα μονάδων), δηλαδή κατά προσέγγιση 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο ή σε επιστημονική μορφή 3·10⁸m/s.

Το φως του Ήλιου φτάνει στη Γη μετά από 8 λεπτά και 17 δευτερόλεπτα, αφότου εκπεμφθεί από την επιφάνειά του.

Η ταχύτητα αυτή είναι τόσο μεγάλη, ώστε αν ένας παρατηρητής κινούταν γύρω από τον Ισημερινό της Γης με αυτή την ταχύτητα, θα ολοκλήρωνε τον γύρο του κόσμου σε 13 εκατοστά του δευτερολέπτου. Επίσης, δύο ακόμα γνωστά παραδείγματα είναι ότι το φως του Ήλιου φτάνει στη Γη μετά από 8 λεπτά και 17 δευτερόλεπτα, αφότου εκπεμφθεί από την επιφάνειά του και ότι το φως χρειάζεται 1,255 δευτερόλεπτα για να διασχίσει την απόσταση Γης - Σελήνης.

Μια δέσμη φωτός απεικονίζεται να ταξιδεύει μεταξύ της Γης και της Σελήνης στο χρόνο που χρειάζεται ένας παλμός φωτός για να κινηθεί μεταξύ τους: 1,255 δευτερόλεπτα στη μέση τροχιακή απόσταση (επιφάνεια προς επιφάνεια). Τα σχετικά μεγέθη και ο διαχωρισμός του συστήματος Γης - Σελήνης παρουσιάζονται σε κλίμακα.

Σύμφωνα με την ειδική θεωρία της σχετικότητας, το c είναι το ανώτατο όριο για την ταχύτητα με την οποία η συμβατική ύλη ή ενέργεια (και επομένως οποιοδήποτε σήμα που μεταφέρει πληροφορίες) μπορεί να ταξιδέψει στο διάστημα. Με άλλη διατύπωση, η ταχύτητα του φωτός στο «κενό» θεωρείται η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να αναπτυχθεί, όχι μόνο από το φως αλλά και από όλα συνολικά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, άλλες μορφές μετάδοσης ενέργειας και από σωματίδια χωρίς μάζα. Όπως μάλιστα υποστήριξε το 1905 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, στο σχετικό άρθρο που δημοσίευσε για την ειδική θεωρία της σχετικότητας, η ταχύτητα του φωτός c σε σχέση με οποιοδήποτε αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς είναι μια σταθερά και είναι ανεξάρτητη από την κίνηση της πηγής του φωτός, υπό τον όρο βέβαια ότι το μέσο μέσα στο οποίο γίνεται η διάδοση παραμένει το ίδιο (για παράδειγμα, αν ένα αυτοκίνητο το βράδυ κινείται με ταχύτητα 90 χιλιόμετρα την ώρα, τότε η ταχύτητα του φωτός των μπροστινών προβολέων του δεν είναι c + 90 km/h, αλλά πάντα c).

Καθίσταται αντιληπτό, επίσης, και ότι η ταχύτητα του φωτός δεν είναι σταθερή σε όλα τα μέσα, αλλά εξαρτάται από το μέσο μέσα στο οποίο γίνεται η διάδοση. Συγκεκριμένα, όταν το φως διαδίδεται σε κάποιο υλικό (όπως το γυαλί ή ο αέρας), η ταχύτητά του εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης του συγκεκριμένου υλικού· όσο μεγαλύτερος είναι ο δείκτης διάθλασης, τόσο πιο μικρή είναι η ταχύτητα του φωτός μέσα στο υλικό. Η ταχύτητα του φωτός σε άλλα υλικά είναι κατά κανόνα μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός στο κενό, καθώς ο δείκτης διάθλασης του κενού είναι 1 και στα υπόλοιπα υλικά μεγαλύτερος του ένα. Λόγω της αλλαγής της ταχύτητάς του καθώς μεταβαίνει από ένα μέσο σε άλλο με διαφορετικό δείκτη διάθλασης, παρατηρείται το φαινόμενο της διάθλασης, γιατί ισχύει ο νόμος της συντομότερης διαδρομής του φωτός.

Ιστορία

Ο πρώτος που λέγεται ότι προσπάθησε να μετρήσει την ταχύτητα του φωτός ήταν ο Γαλιλαίος το 1638. Η ιδέα του ήταν μάλλον χονδροειδής. Δύο μαθητές του στέκονταν το βράδυ σε δύο γειτονικούς λόφους, κρατώντας ο καθένας από 1 καλυμμένο φανάρι. Ο πρώτος ξεσκέπαζε το φανάρι του και άρχισε να μετράει το χρόνο. Ο δεύτερος ξεσκέπαζε το δικό του φανάρι μόλις έβλεπε το φως του φαναριού του πρώτου. Ο πρώτος σταματούσε το χρόνο μόλις έβλεπε το φως του φαναριού του δεύτερου. Φυσικά με τα χρονόμετρα της εποχής εκείνης δεν ήταν δυνατό να μετρηθεί ένα χρονικό διάστημα 10 εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου, όσος δηλαδή ήταν ο χρόνος που χρειαζόταν το φως για να διανύσει στις δύο κατευθύνσεις την απόσταση του ενάμιση χιλιομέτρου που χώριζε τους δύο λόφους. Ως αποτέλεσμα, σύντομα ο Γαλιλαίος διαπίστωσε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι τόσο μεγάλη που θα ήταν εντελώς αδιανόητο να μετρηθεί με τους τότε χονδροειδείς χρονομετρικούς μηχανισμούς. Σημειεωτέον ότι κάποιοι άλλοι, την τότε εποχή, πίστευαν ότι η ταχύτητα του φωτός είναι άπειρη και ότι το φως ταξιδεύει ακαριαία.

Το 1676 έγινε για πρώτη φορά η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός, αν και με κάποια ανακρίβεια, από τον Δανό αστρονόμο Όλε Ρέμερ, ο οποίος απέδειξε για πρώτη φορά ότι το φως δεν ταξιδεύει ακαριαία. Ο Ρέμερ υπολόγισε την περίοδο των δορυφόρων του Δία, σκεπτόμενος ότι αυτές οι περίοδοι θα έπρεπε πριν από οτιδήποτε άλλο να είναι σταθερές. Αλλά όταν έκανε τις πρώτες μετρήσεις του, ανακάλυψε ότι οι περίοδοι αυτές δεν ήταν σταθερές. Για την ιστορία ο Ρέμερ μέτρησε την ταχύτητα της τάξης των 310.000 km/s.

Στα 1725 ο Τζέιμς Μπράντλεϋ χρησιμοποίησε μια μέθοδο, που λεγόταν Αστρική Διαταραχή. Αυτή η μέθοδος δέχεται ότι η γωνία, μέσα στην οποία το φως από κάποιο μακρινό αστέρα φτάνει στη γη διαφέρει, ανάλογα με τη θέση που έχει η Γη εξαιτίας της τροχιάς της. Υπάρχει δηλαδή διαφορά, αν η γη πλησιάζει ή απομακρύνεται από τον αστέρα.

Η μέθοδος του Γάλλου Φιζώ αφορούσε το χρόνο που χρειαζόταν ένα σήμα φωτός να φτάσει ένα μακρινό καθρέφτη και να επιστρέψει. Ο Φιζώ χρησιμοποίησε έναν περιστρεφόμενο τροχό, ο οποίος σε περιοδικά χρονικά διαστήματα άφηνε το φως να διέλθει μέσα από το τηλεσκόπιο του. Ο καθρέφτης του απείχε περίπου 9 χιλιόμετρα από αυτόν και η περίοδος στο τηλεσκόπιο του ήταν 60 ms.

Μέθοδος Ραίμερ

Ο Ρέμερ είχε παρατηρήσει ότι οι εκλείψεις του πρώτου δορυφόρου του Δία που είναι ορατές από τη Γη και οι τροχιές του Δία και της Γης γύρω από τον Ήλιο και του δορυφόρου βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο με μια φαινόμενη περίοδο που αυξάνεται όσο η Γη απομακρύνεται από τον Δία. Η μεγαλύτερη φαινόμενη περίοδος εκλείψεων αντιστοιχεί στη μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ Δία και Γης και υπερβαίνει κατά Δt=100 sec τη μικρότερη φαινόμενη περίοδο που εμφανίζεται, όταν η Γη πλησιάζει στη μικρότερη δυνατή απόσταση τον Δια. Ο δε χρόνος μεταξύ δύο διαδοχικών εκλείψεων είναι 42 ώρες 28΄ και 36΄΄. Έτσι όταν η Γη βρίσκεται στη μεγαλύτερη απόσταση (Γ2) βρίσκουμε πως ο μεσολαβούμενος χρόνος μεταξύ των παρατηρήσεων ισούται προς Ν επί (42 ώρες 28΄ και 36΄΄) + θ, όπου Ν+1 παριστά τον αριθμό των εκλείψεων που έγιναν από το εγγύτερο σημείο της Γης (Γ1) προς τον Δία μέχρι το απόμακρο αυτής (Γ2). Είναι φανερό πως ο επιπλέον χρόνος θ (που βρέθηκε ίσος προς 16΄ και 26΄΄) δαπανάται προκειμένου το φως να διανύσει την απόσταση Γ1-Γ2 με την οποία και αυξήθηκε η απόσταση Γης από του Δια. Αλλά η διάμετρος της τροχιάς αυτής της Γης όπου και ΔS είναι ίση προς 300.000.000 km. ή ίση προς 3 Χ 10¹³ εκατοστόμετρα. Εξ αυτής και του χρόνου θ με διαίρεση βρέθηκε η ταχύτητα του φωτός ίση με c=300.000.000km/16'-36'' = 300.000.000km / 986sec = 304.260 km/sec

Μέθοδος Φιζώ

Ο Φιζώ χρησιμοποίησε μια διάταξη από σωλήνα στο μέσο του οποίου εισχωρούσε ένας οδοντωτός τροχός και σε συνδυασμό φωτεινής δέσμης ενός φακού και ενός κατόπτρου μέτρησε την ταχύτητα του φωτός. Αυτή η διάταξη έλαβε και το όνομά του. Με τη μέθοδο αυτή βρέθηκε η ταχύτητα του φωτός σε 315.000 km/sec.

Μέθοδος Φουκώ

Με τη μέθοδο Φουκώ που λέγεται και «μέθοδος περιστρεφομένου κατόπτρου» ο Φουκώ βρήκε την ταχύτητα του φωτός ίση προς 298.000.000 m/sec. Ενώ αντίθετα ο Μίκελσον με τον ίδιο σχεδόν τρόπο υπολόγισε την ταχύτητα αυτή σε 299.000.000 m/sec. Ενώ ο Φιζώ βρήκε με άλλο τρόπο 299.792.458 m/sec.

Δείτε επίσης

• Φως
• Έτος φωτός
• Ταχύτητα
• Ταχύτητα του ήχου

Περαιτέρω ανάγνωση

Ιστορικές αναφορές

• Rømer, O. (1676). «Démonstration touchant le mouvement de la lumière trouvé par M. Römer de l'Academie Royale des Sciences» (στα γαλλικά). Journal des sçavans: 223–236. http://www.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Roemer_1676.pdf. Ανακτήθηκε στις 10 March 2020. 
  • Translated as «A Demonstration concerning the Motion of Light». Philosophical Transactions of the Royal Society 12 (136): 893–894. 1677. doi:10.1098/rstl.1677.0024. Bibcode: 1677RSPT...12..893.. http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Roemer-1677/Roemer-1677.html. 
• Halley, E. (1694). «Monsieur Cassini, his New and Exact Tables for the Eclipses of the First Satellite of Jupiter, reduced to the Julian Stile and Meridian of London». Philosophical Transactions of the Royal Society 18 (214): 237–256. doi:10.1098/rstl.1694.0048. Bibcode: 1694RSPT...18..237C. 
• Fizeau, H. L. (1849). «Sur une expérience relative à la vitesse de propagation de la lumière» (στα γαλλικά). Comptes rendus de l'Académie des sciences 29: 90–92, 132. https://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/Fizeau/Fizeau_pdf/CR1849_p90.pdf. 
• Foucault, J. L. (1862). «Détermination expérimentale de la vitesse de la lumière: parallaxe du Soleil» (στα γαλλικά). Comptes rendus de l'Académie des sciences 55: 501–503, 792–796. https://books.google.com/books?id=yYIIAAAAMAAJ&pg=PA216. 
• Michelson, A. A. (1878). «Experimental Determination of the Velocity of Light». Proceedings of the American Association for the Advancement of Science 27: 71–77. http://www.gutenberg.org/ebooks/11753. 
• Michelson, A. A.; Pease, F. G.; Pearson, F. (1935). «Measurement of the Velocity of Light in a Partial Vacuum». Astrophysical Journal 82 (2091): 26–61. doi:10.1086/143655. PMID 17816642. Bibcode: 1935ApJ....82...26M. 
• Newcomb, S. (1886). «The Velocity of Light». Nature 34 (863): 29–32. doi:10.1038/034029c0. Bibcode: 1886Natur..34...29.. 
• Perrotin, J. (1900). «Sur la vitesse de la lumière» (στα γαλλικά). Comptes rendus de l'Académie des sciences 131: 731–734. 

Σύγχρονες αναφορές

• Brillouin, L. (1960). Wave propagation and group velocity. Academic Press. 
• Jackson, J. D. (1975). Classical Electrodynamics (2 έκδοση). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-30932-1. 
• Keiser, G. (2000). Optical Fiber Communications (3 έκδοση). McGraw-Hill. σελ. 32. ISBN 978-0-07-232101-2. 
• Ng, Y. J. (2004). «Quantum Foam and Quantum Gravity Phenomenology». Στο: Amelino-Camelia, G· Kowalski-Glikman, J, επιμ. Planck Scale Effects in Astrophysics and Cosmology. Springer. σελίδες 321ff. ISBN 978-3-540-25263-4. 
• Helmcke, J.· Riehle, F. (2001). «Physics behind the definition of the meter». Στο: Quinn, T. J.· Leschiutta, S.· Tavella, P., επιμ. Recent advances in metrology and fundamental constants. IOS Press. σελ. 453. ISBN 978-1-58603-167-1. 
• Duff, M. J. (2004). «Comment on time-variation of fundamental constants». . 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• "Test Light Speed in Mile Long Vacuum Tube". Popular Science Monthly, September 1930, pp. 17–18.
• Definition of the metre (International Bureau of Weights and Measures, BIPM)
• Speed of light in vacuum (National Institute of Standards and Technology, NIST)
• Data Gallery: Michelson Speed of Light (Univariate Location Estimation) (download data gathered by Albert A. Michelson)
• Subluminal (Java applet by Greg Egan demonstrating group velocity information limits)
• Light discussion on adding velocities
• Speed of Light (Sixty Symbols, University of Nottingham Department of Physics [video])
• Speed of Light, BBC Radio 4 discussion (In Our Time, 30 November 2006)
• Speed of Light (Live-Counter – Illustrations)
• Speed of Light – animated demonstrations
• "The Velocity of Light", Albert A. Nicholson, Scientific American, 28 September 1878, p. 193
• Riding Light - Διασχίζοντας το Ηλιακό Σύστημα με την ταχύτητα του φωτός.