Warto przeczytać

Foton, zwany także kwantem energii, jest porcją energii promieniowania elektromagnetycznego. Można go traktować, jako cząstkę o energii:

i pędzie:

gdzie $h$ jest stałą uniwersalną, zwaną stałą Plancka, $\nu$ – częstotliwością fali promieniowania, $\lambda$ – długością fali, $c$ – prędkością światła.

Jednak foton to bardzo szczególna cząstka. Może istnieć tylko w ruchu, poruszając się z prędkością światła. Oznacza to, że jego masa spoczynkowaMasa spoczynkowamasa spoczynkowa jest równa zeru i nie istnieje układ spoczynkowy dla fotonu.

Prędkość światła jest największą prędkością z jaką może być przekazywana energia i informacja. Z taką prędkością poruszają się tylko fotony. Inne cząstki, o masie spoczynkowej większej od zera, poruszają się wyłącznie z prędkościami mniejszymi od prędkości światła. Prędkość cząstek takich, jak elektron, czy proton, może dowolnie zbliżać się do prędkości światła, ale nigdy jej nie osiągnie.

Prędkość światła w próżni jest stałą uniwersalną równą dokładnie $c$ = 299 792 458 m/s. Czy to nie dziwne, że w odróżnieniu od innych stałych, nie występują tu liczne cyfry po przecinku, które zwykle zaokrąglamy w zależności od tego, jakie chcemy osiągnąć przybliżenie? Dokładna wartość prędkości światła wynika po prostu z definicji metra przyjętej w 1983 roku. Zgodnie z tą definicją, 1 metr to odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s.

W astronomii używa się jeszcze innej jednostki długości spoza układu SI związanej z prędkością światła. Jest to rok świetlny, zdefiniowany jako droga przebyta przez światło w ciągu roku. W definicji roku świetlnego użyto roku juliańskiego, którego długość to 365,25 dni. Analogicznie można posługiwać się jednostkami długości takimi, jak sekunda świetlna, minuta świetlna itp.

Prędkość fotonów w próżni nie zależy od częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego. Jest jednakowa dla wszystkich zakresów promieniowania – od promieniowania gamma do fal radiowych. Jednym z dowodów jest obserwacja gwiazd rozbłyskowych. Fale radiowe i światło, wyemitowane podczas rozbłysku gwiazdy, docierają na Ziemię jednocześnie. Ich prędkość jest jednakowa z dokładnością do 10Indeks górny -7^-7.

Foton w próżni porusza się zawsze ze stałą prędkością dla każdego obserwatora. Jeśli obiekt poruszający się z prędkością $v$ = 0,9$c$ wyemituje foton w kierunku zgodnym z kierunkiem swojej prędkości (Rys. 1.), to foton będzie oddalał się od niego z prędkością $c$. Ale dla nieruchomego obserwatora prędkość fotonu również będzie równa $c$. Ten fakt, niezgodny z naszym codziennym doświadczeniem, jest podstawowym założeniem szczególnej teorii względności Alberta Einsteina. Dlaczego wydaje nam się to dziwne i przeczy naszym doświadczeniom? Po prostu, w codziennym życiu nie spotykamy się z prędkościami porównywalnymi z prędkością światła. Takie prędkości osiągalne są dla ciał o bardzo małej masie. Eksperymenty z cząstkami takimi, jak elektrony, protony, czy jądra atomowe, rozpędzanymi w akceleratorachAkceleratorakceleratorach do prędkości bliskich prędkości światła, potwierdzają stałość prędkości światła w każdym układzie odniesienia.

R1KCQIHuHaSfa

Rys. 1. przedstawia ruch fotonu (czerwona pozioma strzałka z lewej strony z oznaczeniem: v=c) wysłanego z rakiety (zielony obiekt z prawej strony z zaznaczonym wektorem prędkości z oznaczeniem: v=0,9c ) względem nieruchomego obserwatora (niebieska postać człowieka na dole).

Światło porusza się z maksymalną prędkością $c$ tylko w próżni. W ośrodkach materialnych prędkość światła jest mniejsza niż próżni. Dzieje się tak, ponieważ w ośrodkach materialnych dochodzi do oddziaływania przechodzącej fali elektromagnetycznej z ładunkami tworzącymi atomy ośrodka, wskutek czego ładunki te pobudzane są do drgań. W wyniku tych drgań powstają dodatkowe fale elektromagnetyczne, które nakładają się na falę przechodzącą. W efekcie powstaje sumaryczna fala poruszająca się wolniej niż fala w próżni. Prędkość fali w ośrodku materialnym wynosi:

gdzie $c$ to prędkość światłą w próżni, a $n$ jest bezwzględnym współczynnikiem załamania światła w ośrodku.

Bezwzględny współczynnik załamania przyjmuje wartości większe od 1. Na przykład, dla wody wynosi on 1,33, a dla powietrza 1,0003. Zauważmy, że współczynnik załamania światła zależny jest od częstotliwości fali, więc i prędkość fotonów w ośrodkach materialnych jest różna dla różnych częstotliwości.

Z naszych rozważań wynika, że nie da się zrozumieć prędkości fotonu, bez jednoczesnego uwzględnienia jego charakteru korpuskularnego i falowego. W próżni foton, jako cząstka o zerowej masie spoczynkowej, porusza się z maksymalną prędkością $c$, natomiast zmniejszenia jego prędkości w ośrodkach materialnych nie sposób wytłumaczyć bez uwzględnienia jego falowego charakteru.

Jak uczonym udało się zmierzyć niewiarygodnie wielką wartość prędkość światła?

Większość uczonych od starożytności uważała, że światło rozchodzi się natychmiastowo. Jednymi z pierwszych, którzy podważyli ten pogląd, byli Galileusz (1564‑1642) oraz duński astronom Ole Roemer (1644‑1710). Roemer obserwując zaćmienia księżyca Jowisza ustalił, że moment ich pojawiania się zmienia się w zależności od położenia Ziemi na orbicie okołosłonecznej. Zinterpretował tę obserwację jako dowód na skończoną prędkość światła.

Pierwszego, zakończonego sukcesem, laboratoryjnego pomiaru prędkości światła dokonał Armand Fizeau (1819‑1896) w 1849 roku za pomocą obracającego się koła zębatego umieszczonego na wierzchołku jednego wzgórza oraz zwierciadła umieszczonego na wierzchołku drugiego wzgórza oddalonego o 8633 m. Silne źródło światła zostało umieszczone za kołem w taki sposób, żeby zęby obracającego się koła przesłaniały wiązkę światła, tworząc następujące po sobie impulsy światła (Rys. 2.). Prędkość wirowania koła była dobrana tak, żeby powracające światło trafiało na ząb i nie docierało do obserwatora znajdującego się za kołem. Znając częstotliwość wirowania oraz wymiary koła, a także odległość do zwierciadła, Fizeau otrzymał prędkość światła równą 315 300 km∕s. Jest to wartość różniąca się zaledwie o 5% od obecnie znanej wartości.

RKNa5FcHZ9fOa

Rys. 2. przedstawia schemat doświadczenia Fizeau, w którym wyznaczona została prędkość światła. Z lewej strony widać niebieski prostokąt stanowiący zwierciadło. Z prawej strony widnieje szare koło zębate ze strzałką obrazującą kierunek obrotu (zgodny z ruchem wskazówek zegara) oraz źródło światła (ciemnoszary kwadracik z prawej strony. Źródło emituje światło, które po odbiciu od zwierciadła wraca w jego stronę (dwie poziome żółte proste równoległe do siebie).

Rówieśnik Fizeau, Jean Foucault, zmierzył prędkość światła, stosując wirujące lustro. Uzyskał wartość 298 000 ± 500 km/s, która różniła się tylko o 0,6% od obecnej wartości.

Udoskonalonej metody Foucaulta użył Albert Michelson, laureat Nagrody Nobla w 1907 roku, którą przyznano mu, między innymi, za dokładny pomiar prędkości światła. W 1880 uzyskał wynik 299 910 ± 50 km/s. W latach 1924 – 1926, dzięki aparaturze ustawionej na szczytach górskich odległych o 35 km, uzyskał wartość 299 796 ± 4 km/s, bardzo zbliżoną do przyjmowanej obecnie.

Słowniczek