Rychlost světla

Rychlost světla ve vakuu

Rychlost světla ve vakuu je fyzikální konstanta označovaná písmenem c. Její přesná hodnota je 299 792 458 m/s. Přibližně se uvádí také jako 300 000 km/s.

Rychlost světla není jednotka. Je to univerzální fyzikální konstanta a současně rychlost, kterou se ve vakuu šíří světlo i ostatní elektromagnetické vlny. Ve speciální teorii relativity představuje také mezní rychlost přenosu informace, energie a kauzálního působení. V převodech rychlosti se ale může používat podobně jako zvláštní referenční hodnota: 1 c = 299 792 458 m/s.

Hodnota rychlosti světla ve vakuu

Hodnota 299 792 458 m/s je přesná. Není to jen další zpřesněný výsledek měření, ale hodnota, kterou je dnes v soustavě SI určena definice metru. Metr je navázán na dráhu, kterou urazí světlo ve vakuu za přesně stanovený zlomek sekundy. Sekunda je definována pomocí přechodu mezi hladinami atomu cesia 133; viz také čas a délka.

Co znamená konstanta c

Světlo je viditelná část elektromagnetického záření. Stejnou rychlostí jako viditelné světlo se ve vakuu šíří i ostatní elektromagnetické vlny: rádiové vlny, mikrovlny, infračervené záření, ultrafialové záření, rentgenové záření i záření gama.

Význam konstanty c přesahuje optiku. Vystupuje v elektromagnetismu, v relativitě, v atomové a kvantové fyzice, v astronomii i v metrologii. Na webu conVERTER je rychlost světla uvedena také mezi fyzikálními konstantami.

Rychlost světla v různých prostředích

Ve vakuu má světlo nejvyšší možnou rychlost. V látkovém prostředí se šíří pomaleji. Zpomalení se popisuje pomocí indexu lomu n. Pro přibližný výpočet platí vztah:

v = c / n

Čím větší je index lomu prostředí, tím menší je rychlost světla v daném prostředí. Tento jednoduchý vztah popisuje fázovou rychlost světla. U krátkých světelných pulzů a v prostředích s výraznou disperzí je třeba rozlišovat také grupovou rychlost, tedy rychlost šíření obálky pulzu.

Když se mluví o „rychlosti světla“ bez dalšího upřesnění, ve fyzice se obvykle myslí rychlost světla ve vakuu. Rychlost světla v látkovém prostředí může být nižší a závisí na vlastnostech prostředí i na vlnové délce.

Hodnoty v tabulce jsou zaokrouhlené. Index lomu závisí na vlnové délce světla, teplotě, tlaku a konkrétním složení látky. Proto se např. v optice často uvádějí hodnoty pro vybranou spektrální čáru nebo pro určitou barvu světla.

Jak dlouho světlo letí

Protože je rychlost světla konečná, vzdálené objekty nevidíme tak, jak vypadají právě teď, ale tak, jak vypadaly v okamžiku, kdy z nich světlo vyšlo. Tento jev je běžný v astronomii, ale projevuje se i v technice, například při komunikaci se sondami.

Světelný rok tedy není jednotka času, ale jednotka délky. Udává vzdálenost, kterou světlo ve vakuu urazí za jeden rok. Jeden světelný rok odpovídá přibližně 9,46 × 10¹² km, tedy vzdálenosti, kterou světlo ve vakuu urazí za jeden juliánský rok.

Historie měření rychlosti světla

Dlouho nebylo zřejmé, zda se světlo šíří okamžitě, nebo konečnou rychlostí. Galileo Galilei uvažoval o měření pomocí vzdálených luceren, ale na pozemských vzdálenostech je světlo příliš rychlé a tehdejší metoda nemohla dát spolehlivý výsledek.

První přesvědčivý důkaz konečné rychlosti světla přinesla astronomie. Ole Christensen Rømer roku 1676 studoval zatmění Jupiterova měsíce Io. Zjistil, že pozorované časy zatmění se mění podle toho, zda se Země k Jupiteru přibližuje, nebo se od něj vzdaluje. Rozdíl vysvětlil konečnou rychlostí světla.

Další zpřesnění přinesla pozemská měření. Armand Fizeau roku 1849 použil ozubené kolo, Léon Foucault roku 1862 rotující zrcadlo a Albert A. Michelson v letech 1877–1931 provedl sérii velmi přesných optických měření. S rozvojem laserů a atomových hodin se měření rádiových a světelných frekvencí zpřesnila natolik, že bylo možné navázat definici metru právě na rychlost světla.

Maxwell, elektromagnetismus a světlo

James Clerk Maxwell ukázal, že světlo je elektromagnetické vlnění. Z jeho rovnic vyplynulo, že elektromagnetické vlny se ve vakuu šíří rychlostí odpovídající rychlosti světla. Optika se tak stala součástí elektromagnetismu.

V moderním zápisu souvisí rychlost elektromagnetických vln ve vakuu s elektrickou permitivitou a magnetickou permeabilitou vakua vztahem:

c = 1 / √(ε₀μ₀)

Konstanta c vystupuje také v některých starších soustavách jednotek. Ve starších elektromagnetických soustavách jednotek, například v některých variantách CGS, se konstanta c objevuje přímo v převodních vztazích mezi elektrickými a magnetickými veličinami.

Rychlost světla a relativita

Ve speciální teorii relativity má rychlost světla ve vakuu zásadní postavení. Pro všechny inerciální pozorovatele má stejnou hodnotu bez ohledu na pohyb zdroje světla nebo pozorovatele a představuje mezní rychlost přenosu informace, hmoty, energie a kauzálního působení. Těleso s nenulovou klidovou hmotností se může rychlosti světla pouze přibližovat, ale nemůže jí dosáhnout.

To neznamená, že částice nemůže být rychlejší než světlo v určitém látkovém prostředí. Například ve vodě je rychlost světla menší než ve vakuu. Pokud nabitá částice letí prostředím rychleji, než se v něm šíří světlo, může vzniknout charakteristické Čerenkovovo záření. Taková částice není rychlejší než světlo ve vakuu; překračuje pouze rychlost světla v daném prostředí.

Souvislosti na webu conVERTER

• Rychlost - převodní tabulka jednotek rychlosti.
• Fyzikální konstanty - hodnota rychlosti světla ve vakuu.
• Délka - metr a délkové jednotky.
• Čas - sekunda a časové jednotky.
• Rychlost zvuku ve vzduchu - srovnání rychlosti světla a zvuku.
• Ole Christensen Rømer - astronomické určení konečné rychlosti světla.
• James Clerk Maxwell - elektromagnetická teorie světla.
• Albert Einstein - speciální teorie relativity.
• Max Planck - rychlost světla ve vztazích pro záření černého tělesa.

Zdroje a odkazy

• Rychlost světla - Wikipedie
• BIPM - The International System of Units (SI): Base units
• BIPM - SI base unit: metre
• NIST - Fundamental Physical Constants