Shpejtësia e dritës

Shpejtësia e dritës shënohet zakonisht c. Vlera e saj është afërsisht 299.792.458 m/s. Në teorinë e relativitetit, shpejtësia e dritës lidh hapësirën dhe kohën, dhe shfaqet në ekuacionin e famshëm të energji-masës E=mc². Shpejtësia e dritës është shpejtësia e të gjitha grimcave dhe fushave të lidhura në vakum, dhe ajo është parashikuar nga teoria e tanishme të jetë konstante. Shpejtësia e dritës teorizohet se është shpejtësia më e madhe në Univers. Sipas Ajnshtajnit, asnjë objekt nuk mund ta tejkalojë këtë vlerë. Vetëm fotonet mund t'i afrohen kesaj shpejtësie por nuk mund ta barazojnë ose ta kalojnë atë.

Vlera numerike, simboli, dhe njësite

Shpejtësia e Dritës në vakum është një dimensionale fizike e vazhdueshme, kështu që vlera e saj numerike varet nga sistemi i njësive të përdorura. Në Sistemin Ndërkombëtar të Njësive, matësi është përcaktuar se largësia e kohe-udhëtuesve udhëton në vakum në 1/299.792.458 në sekondë. Efekti i këtij përcaktimi është për të vendosur Shpejtësinë e Dritës në vakum pikërisht në 299.792.458 m/s. Shpejtësia e dritës në vakum shënohet zakonisht në c, konstante ose celeritas Latine (që do të thotë shpejtësi). Fillimisht, është përdorur simboli V, i futur nga James Clerk Maxwell në 1865. Në 1856, Wilhelm Weber Eduard dhe Rudolf Kohlrausch kishin përdorur një simbol konstant c. Në vitin 1894, Paul Drude ripërcaktoi simbolin c me kuptimin modern. Ajnshtajni përdori simbolin V neper gazeta në gjuhën Gjermane në 1905, por në 1907 ai e ndërroi simbolin në c, e cila atëherë u bë simbol standard.

Ndonjëherë simboli c është përdorur për shpejtësinë e valëve në materiale. Ky simbol i nënshkruar, i cili është miratuar në letërsinë zyrtare SI, ka të njëjtën forme konstante të lidhur me përshkueshmërinë në vakum ose konstantin magnetik. Në degën e fizikës shpejtësia e dritës luan një rol të rëndësishëm, dhe është e zakonshme për përdorimin e sistemeve të njësive natyrore të matjes, në c=1.

Roli themelore ne fizike

Shpejtësia me të cilën vepron drita në vakum është e pavarur. Teoria e relativitetit special shqyrton ekzistencën në simbolin c. Një teori është se simboli c është shpejtësia me të cilën duhet të udhëtojnë të gjitha grimcat dhe valët duke përfshire edhe dritën. Relativiteti special ka shumë implikime kundërintuitive, të cilat janë vërtetuar në shumë eksperimente. Këto përfshijnë ekuivalencën mes masës dhe energjisë (E = mc²), tkurrje gjatësie, dhe përhapje kohë. Faktori $\gamma$ (lexohet: gama), i njohur si faktori i Lorencit ka dhëne disa shpjegime si, $\gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v}{c}}^{2}}}}$ , ku c është shpejtësia e objektit.

Rezultatet e relativitetit special mund të përmblidhen me trajtimin e hapësirës dhe kohës, si një strukturë të unifikuar e njohur si spacetime = kohë hapësinore. Faktori Lorencit është bërë një supozim thuajse universal për teoritë moderne të fizikës, të tilla si elektrodinamika kuantike, modeli standard i grimcave, dhe e relativitetit të përgjithshëm. Në korniza jo inerciale të referimit, shpejtësia lokale e dritës është konstante dhe e barabarte me c, por Shpejtësia e Dritës së bashku me trajektoren e gjatësisë së caktuar mund të ndryshojnë nga simboli c. Eksperimenti Michelson-Morely vendosi një kufi mbi anisotropi me rreth 10-4. Megjithatë, vëzhgimet më të fundit të emisioneve nga nivelet e energjisë bërthamore ka ulur këtë kufi në 10-21. Testet kanë krijuar një limit mbi anisotropi prej rreth 10-10.

Kufiri i sipërm në shpejtësi

Sipas relativitetit special, energjia e një objekt me mase m dhe shpejtësi v është dhëne nga γmc², ku γ është faktori i Lorencit. Kur v është zero, γ është e barabarte me E = mc2, formule e dhëne për një objekt në lidhje me Shpejtësinë e Dritës. Shpejtësia e dritës është kufiri i sipërm për shpejtësi të objekteve me mase tjetër pozitive. Me në përgjithësi, është normalisht e pamundur për çdo informacion të energjisë për të udhëtuar me shpejt së c. Një argument për këtë rezultat është njohur si relativiteti i njëkohshmërisë. Nëse distanca hapësinore në mes të dy ngjarjeve A dhe B është më e madhe se intervali kohor midis tyre shumëzuar me c, atëherë ka termat e referencës në A B e cila i paraprin, dhe tjetra në të cilën B paraprin A. Si rezultat i kësaj, në qoftë se diçka udhëton me shpejt se c, do të udhëtonte prapa në kohë në lidhje me një tjetër kornize, dhe shkaqet do te shkelen. Faktikisht nuk eshte regjistruar asnjë shkelje e tille.

Vëzhgimet dhe eksperimentet

Ka situata në të cilat energjia, ose informacioni udhëto me shpejtësi më të madhe se c. Për shembull, nëse një rreze laser përfshi shpejt një objekt të largët, vendi i dritës mund të lëvize më shpejt se simboli c, edhe pse lëvizja e parë do të vonohet për shkak të kohës që duhet për të shkuar në një objekt të largët me shpejtësinë c. Në mënyre të ngjashme, një hije e projektuar mbi një objekt të largët mund të eci më shpejt se simboli c, pas një vonese në kohë. Disa efekte kuantike mund të transmetohen menjëherë dhe më shpejt se cimboli c. Një shembull përfshin shtetet kuantike te dy grimcave që mund të jenë të ngatërruar. Një tjetër efekt kuantik që parashikon paraqitjen me shpejtësi më të shpejtë-se-drita është quajtur efekti Hartman. Megjithatë, asnjë informacion mund të dërgohet duke përdorur këtë efekt. Siç është diskutuar në përhapjen e dritës në një seksion të mesëm, shpejtësia e valëve mund ta kaloj c. Për shembull, faza e shpejtësisë të rrezeve-X në syze, mund ta kaloje shpejtësinë c, por valët e tilla nuk mund të përcjellin asnjë informacion. Lëvizjet e ashtuquajtura superluminal janë parë në disa objekte astronomike, të tilla si Radio-Aktivitetet e Galaktikave dhe Quasars. Në modelin e zgjerimit të Universit, sa më larg të jenë Galaksite me njëra tjetrën, aq më shpejt shpërndahen.

Përhapja e Dritës

Në fizikën klasike, drita është përshkruar si një lloj vale elektromagnetike. Sjellja klasike e fushës elektromagnetike përshkruhet nga ekuacionet e Maksuellit, që parashikojnë se shpejtësia c me të cilën valët elektromagnetike përhapen përmes vakuumit, është e lidhur me fushen elektrike, dhe fushen magnetike, konstante këto nga ekuacioni c = 1/√ε0μh. Në fizikën kuantike moderne, fusha elektromagnetike përshkruhet nga teoria e elektrodinamika kuantike (EDK). Në këtë teori, drita është përshkruar nga bazat themelore të fushës elektromagnetike. Në këtë teori, shpejtësia do të varet nga frekuenca dhe kuanti c, dhe relativiteti special atëherë do të jetë kufiri i sipërm i Shpejtësisë së Dritës në vakum. Deri me sot nuk janë verenjtur efekte të tilla. Nëse masa e fotonit është prodhuar nga një mekanizëm Higgs, limiti eksperimental është, m ≤ 10-14 eV/c2 afërsisht 2×10e-47 g. Në 2009, me respektimin e spektrit të rrezes Gama GRB 090510 nuk u gjet asnjë ndryshim në shpejtësinë fotone të energjive të ndryshme, duke konfirmuar se Invarianca Lorencit është verifikuar të paktën deri në shkallë të gjatësisë Planck, LP = √HG/c3 ≈ 1,6163 × 10e-35 m.

Funksionimi i mesëm

Llojet e ndryshme të valës së dritës udhëtojnë me shpejtësi të ndryshme. Shpejtësia me te cilën kreshta individuale e një vale përhapet, quhet faza e shpejtësisë vp. Shpejtësia faze është e rëndësishme në përcaktimin se sa udhëton një vale drite përmes një material, ose nga një material në një tjetër. Ajo është e përfaqësuar shpesh në drejtim të një indeksi thyes. Indeksi thyes i një material është i definuar si raporti i c me shpejtësi vp në fazën materiale. Indekset më të mëdha të thyerjes tregojnë shpejtësi më të ulet. Indeksi thyes i një material mund të varet nga frekuenca e dritës, intensiteti, ose polarizimi, edhe pse, ajo mund të trajtohet si një material konstant i varur. Indeksi thyes i ajrit është rreth 1,0003. Materialet e tilla si uji, qelqi, dhe diamanti, kanë indeks thyes, 1,3, 1,5 dhe 2,4 respektivisht në dritën e dukshme.

Në materiale transparente, indeksi thyes në përgjithesi është më i madh se 1, që do të thotë se shpejtësia e fazës është më pak se c. Në materiale të tjera, është e mundur që indeksi thyes të bëhet më i vogël se 1 për disa frekuenca. Në terma praktike, kjo do të thotë se në një material me indeks thyes më pak se 1, thithja e valëve është aq e shpejtë sa që asnjë sinjal mund të dërgohen më shpejt se c. Materialet e caktuara kanë një ritëm jashtëzakonisht të ulet, (ose madje edhe zero). Asnjë nga këto opsione, nuk mund të lejoje informacione që të transmetohet më shpejt se c. është e mundur që një grimce të udhëtoje neper një kategori të mesëm të shpejtësisë.

Efektet praktike

Shpejtësia e dritës është me rendësi për komunikimin. Për shembull, duke pasur parasysh që perimetri ekuatorial i Tokës është rreth 40.075 km dhe shpejtësia e c rreth 300.000 km/s, pjesa e informacionit për të udhëtuar në gjysmën e globit përgjatë sipërfaqes është rreth 67 milisekonda. Kur drita është duke udhëtuar rreth globit në një fibër optike, koha aktuale transit është më e gjatë, pjesërisht për shkak se Shpejtësia e Dritës është e ngadalshme me rreth 35 % në një fibër optike në varësi nga indeksi i saj thyes.

Një tjetër pasoje e Shpejtësisë së Dritës është se komunikimi në mes Tokës dhe Anijes-Kozmike nuk është i menjëhershëm. Ka një vonese të shkurtër nga burimi deri tek pranuesit, e cila bëhet më e dukshme sa herë që distanca rritet. Kjo vonese ishte e rëndësishme për komunikimin në mes të kontrollit të Tokës dhe Apollo 8, që u bë Anija e parë të rrotullohej rreth Hënës. Për çdo komunikim ose pytje stacioni i Nasës në Huston duhet të priste 3 sekonda për të marë përgjigjen nga Apollo 8. Vonesa e komunikimit midis Tokës dhe Marsit zgjat rreth disa dhjetëra minuta. Si pasoje e kësaj, në qoftë se një robot në sipërfaqen e Marsit do ndeshte ndonjë problem, kontrolloret e robotit nga Toka nuk do ishin në dijeni menjëherë, por mbas disa minutave, dhe e njëjta gjë do të ndodhte kur kontrolloret të jepnin komandat e tyre për të komanduar robotin.

Rrezja e Dritës merr rreth 1,2 sekonda për të arritur nga sipërfaqa e Tokës tek e ajo e Hënës.

Matja e distancës

Sistemet e radarit, e masin distancën në një objektiv nga koha që i duhet një impulsi-radio-vale të kthehet tek radari pasi reflektohet nga objektivi. Sistemi i pozicionimit global (GPS) merr sinjalin dhe bën matjen nga në satelitet e GPS, duke u bazuar tek koha që merr sinjali për të arritur nga një satelit tek tjetri, dhe me këto distanca llogaritet pozicioni i maresit të sinjalit. Nga që drita udhëton rreth 300.000 kilometra në një sekondë, këto matje janë shumë të sakta.

Astronomi

Shpejtësia e dritës është e rëndësishme në astronomi. Për shkak të distancave të mëdha, ajo mund të marrë një kohë shumë të gjatë për të udhëtuar nga burimi i saj në Tokë. Për shembull, shpeshtësia e dritës ka marrë 13 miliardë vite për të udhëtuar në Tokë nga Galaktikat e largëta, të shikuara në imazhet Ultra Deep Field Hubble. Fakti që me larg-objekteve ato duken më të vegjël në moshe (për shkak të shpejtësisë fundme të dritës), kjo lejon astronomët të tregojnë evolucionin e Yjeve, të Galaktikave, dhe vete Universit. Distancat astronomike janë të shprehura ndonjëherë në vite dritë, sidomos në botimet shkencore popullore dhe mediat e ngjashme. Një vit-dritë është distanca e dritës që udhëton në një vit, rreth 9461000000000 kilometra ose 0,3066 parsecs. Proksima Centauri, Ylli më të afërt me Tokën pas Diellit, është rreth 4,2-vite dritë larg.

Matjet Astronomike

Hapësira e jashtme është një mjedis natyrore për matjen e shpejtësisë së dritës, për shkak të shkallës së madhe në vakum. Historikisht, matje të tilla mund të bëhen mjaft të sakta në krahasim me njësite e Tokës, dhe është e zakonshme për të shprehur rezultatet në njësite astronomike. Një njësi astronomike është përafërsisht distanca mesatare në mes Tokës dhe Diellit, por nuk është e bazuar në Sistemin Ndërkombëtarë të Njësive, për shkak se AU përcakton një gjatësi aktuale, dhe nuk është bazuar mbi fluturimit e kohës. Matjet moderne të Shpejtësisë së Dritës në njësite astronomike krahasohet me vlerat e përcaktuara të c në Sistemin Ndërkombëtar të Njësive.

Ole Kristensen Romer përdori një matje astronomike për të bërë vlerësimin e parë të shpejtësisë së dritës. Periudha e orbitës së Hënave me një planet të largët, është më e shkurtër kur Toka i afrohet Planetit, se sa kur Toka largohet nga ai. Distanca që udhëto drita nga planeti ose Hëna në Toke, është më e shkurtër kur Toka është në pikën e orbitës së saj. Romer e vuri re këtë efekt në hënën e brendshme të Jupiterit, Io, dhe konkludoi se drita merr 22 minuta për të kaluar diametrin e orbitës së Tokës.

Koha Dritës në distancën njësi është : 499,004783836 (10) s c = 0,00200398880410 (4) BA / s = 173,144632674 BA/dite.

Pasiguria relative në këto matje është 0,02 pjese për miliard (2 × 10-11), në matjet baze të gjatësisë nga Toka.

Koha e teknikave të fluturimit

Një metodë e matjes së shpejtësisë së dritës është matja e kohës se dritës duke udhëtuar në një pasqyre me një distancë të njohur dhe kthimi i saje mbrapa. Ky është parimi i aparatit Fizeau-Foucault zhvilluar nga Hippolyte Fizeau dhe Léon Foucault. Projekti i përdorur nga Fizeau përbehet nga një rreze dritë e drejtuar te një pasqyre 8 km. Në rrugën nga burimi në pasqyre, rrezja kalon neper një ingranazh rrotullues. Në një norme të caktuar të rrotullimit, rrezja kalon në një hendek në rrugën jashtë, dhe një tjetër në rrugën prapa, por në përqindje pak më të larta ose të ulëta, rrezja e godet një dhemb dhe nuk kalon neper timon. Duke ditur distancën në mes timonit dhe pasqyrës, numrin e dhëmbëve në timon, dhe shkallën e rrotullimit, mund të llogaritet shpejtësia e dritës.

Metoda e Foucault zëvendëson ingranazhin nga një pasqyre e radhës. Nga ky ndryshim në kënd, shpejtësia e rrotullimit duke njohur dhe distancën në pasqyrën e largët, sjell llogaritjen kryesore të shpejtësisë së dritës. Në ditët e sotme, duke përdorur oscilloscope me rezolutat kohë me më pak se një nanosecond, shpejtësia e dritës mund të matet drejtpërdrejt nga koha në vonesën e një impulsi dritë nga një laser apo një LED reflektues nga një pasqyre.

Historia

Deri në periudhën e hershme moderne, shpejtësia e dritës nuk ishte e njohur, nëse drita udhëton menjëherë, ose me një shpejtësi shumë të shpejte. Supozimet e para të teorive rreth shpejtësisë së dritës u bënë nga Greket e lashte. Empedocles ishte i pari që pretendoje se drita ka një shpejtësi të kufizuar. Ai pohoi se drita ishte diçka në levizje, dhe prandaj duhet të marrë disa kohe për të udhëtuar. Aristoteli argumentoi, në të kundërtën, se "drita është për shkak të pranisë se diçkase, por kjo nuk është një levizje. Euklidi dhe Ptolemeut avancuan teorinë në emetimin e vizionit, ku drita është emetuar nga sytë. Bazuar në këtë teori, Heron i Aleksandrisë argumentoi se shpejtësia e dritës duhet të jetë e pafundme sepse objektet e largëta, si yjet, shfaqen menjëherë pas hapjes se syve.

Filozofet e hershem islamik fillimisht u pajtuan me pikëpamjet e Aristoteliane se drita nuk kishte shpejtësi të udhëtimit. Në 1021, Alhazen (Ibn al-Haytham) botoi Librin e Optika, në të cilën ai paraqiti një seri të argumenteve duke hedhur poshtë teorinë në të cilën drita lëviz nga një objekt në sy. Kjo udhëzoi Alhazen të propozoje se drita duhet të ketë një shpejtësi të caktuar, dhe se shpejtësia e dritës është e ndryshueshme, me rënie në objekte. Ai argumentoi se drita është çështje thelbësore, përhapja e cila kërkon kohë, edhe nëse kjo është e fshehur nga shqisat tona.

Edhe në shekullin e 11, Ebu Rayhān al-Biruni u pajtua me teorinë se drita ka një shpejtësi të caktuar, dhe vërejti se shpejtësia e dritës është shumë më e shpejt se sa shpejtësia e zërit. Roger Bacon argumentoi se shpejtësia e dritës në ajër nuk është e pafund, duke përdorur argumente filozofike mbështetur nga të shkruarit e Alhazen dhe Aristotelit. Në 1270, Witelo konsideroi mundësinë e udhëtimit të dritës me shpejtësi të pafund në vakum, por e ngadalësuar në objektet e dendura.

Në fillim të shekullit 17, Johannes Kepler besoni se shpejtësia e dritës është e pafund. René Descartes argumentoi se në qoftë se shpejtësia e dritës është e fundme, Dielli, Toka, dhe Hëna do të jetë një mase jashtë shtrirjes gjatë një eklipsi hënor. Descartes spekuloi se në qoftë se shpejtësia është e fundme, i tere sistemi i tij i filozofisë mund të shkatërrohet.

Përpjekjet e Para të Matjes

Në 1629, Isaac Beeckman propozoi një eksperiment në të cilin, një person mund të vëzhgoi një flash, reflektuar nga një pasqyre rreth 1,6 km larg. Në 1638, Galileo Galilei propozoi një eksperiment, me një kërkese të qarte për atë që kishte kryer disa vjet më parë, për të matur shpejtësinë e dritës, duke respektuar vonesën në mes të fenerit të zbuluar dhe një perceptimi në distancë. Ai nuk ishte në gjendje të dallojë nëse udhëtimi i dritës ishte i menjëhershëm ose jo, por arriti në përfundimin se, edhe po të mos ishte, ajo duhet të jetë jashtëzakonisht e shpejte. Eksperimenti Galileos ishte kryer nga Cimento del Accademia të Firences, Itali, në 1667, me fenerë të ndara me rreth një milje, por nuk u vrenjt ndonjë vonës e dritës në reflektim. Bazuar në vlerën moderne të shpejtësisë së dritës, vonesa aktuale në këtë eksperiment është rreth 11 mikrosekonda.

Në 1704 në librin e tij, Isaac Newton raportoi llogaritjet e Romer's për shpejtësinë e fundme të dritës dhe i dha një vlere prej "shtate apo tetë minuta" për kohën që drita merr për të udhëtuar nga Dielli në Tokë (vlera moderne është 8 minuta 19 sekonda). Në 1729, James Bradley zbuloi shmangie të dritës. Nga ky efekt ai konstatoi se drita duhet të udhëtoje 10.210 herë më shpejt se Toka në orbitën e saj, (konstatimi modern është 10.066 here), ose, në mënyre ekuivalente, ajo do të marrë 8 minuta 12 sekonda për të udhëtuar nga Dielli në Tokë.

Shekulli 19 dhe Fillimi i 20`s

Në shekullin e 19 Hippolyte Fizeau zhvilloi një metodë për të përcaktuar shpejtësinë e dritës bazuar në kohën e-fluturimit dhe matjet në Tokë, dhe raportoi një vlere prej 315.000 km/s. Metoda e tij u përmirësua më pas nga Léon Foucault në 1862, që i dha një vlere prej 298.000 km/s. Në vitin 1856, Wilhelm Weber Eduard dhe Rudolf Kohlrausch matën raportet e njësive elektromagnetike dhe elektrostatike të ngarkuara, 1/√ε0μ0, nga shkarkimi, dhe gjetën se vlera e saj numerike ishte shumë e afërt me shpejtësinë e dritës, ashtu si matjet e bëra drejtpërdrejte nga Fizeau.

Në atë kohë ishte menduar, se hapësira bosh ishte e mbushur me një sfond të mesëm të quajtur aether luminiferous në të cilën ekzistonte fusha elektromagnetike. Duke filluar në disa eksperimente në 1880, u kryen përpjekje për të zbuluar fenomenet e lëvizjes, e cila ishte eksperiment i kryer nga Albert Michelson dhe Edward Morley në 1887. Eksperimentet Moderne tregojnë se shpejtësia e dritës me dy kalime është isotropic = e njëjte në çdo drejtim brenda 6 nanometrave për sekonde. Bazuar në teorinë e Lorencit, Poincare theksoi në 1904 se shpejtësia e dritës është një faktor kufizues me dinamiken. Në 1905 Ajnshtajni propozoi, se shpejtësia e dritës në vakum, e matur nga një vëzhgues, është e pavarur nga lëvizja, burimi apo vëzhguesi. Duke përdorur këtë, rrjedhoi teoria speciale e relativitetit, në të cilën shpejtësia e dritës në vakum c paraqitet si një parametër themelor, dhe që shfaqet kontekste.

Rritja e Saktësisë c dhe Ri-idefinimi i Njehsorit

Në gjysmën e dytë të shekullit 20-te është bërë shumë progres në rritjen e saktësisë së matjeve të shpejtësisë së dritës, të ndihmuar nga teknikat rezonance zgavër, dhe më vonë nga teknikat interferometer laser. Në vitin 1972, duke përdorur metodat e fundit, një grup në NBS Boulder Colorado përcaktoi shpejtësinë e dritës në vakum të jetë c=299.792.456,2±1,1 m/s. Kjo ishte 100 herë më e vogël e pasigurt së sa vlera e pranuar më parë. Pasiguria e mbetur ishte e lidhur kryesisht me përcaktimin e metrit. Nga që përkufizimi i mëparshëm u konsiderua i papërshtatshëm për nevojat e eksperimenteve, CGPM 17 në 1983 vendosi për të ripërcaktuar metrin e ri (dhe aktual). Metri është gjatësia e rrugës që udhëton nga drita në vakum gjatë një intervali kohor prej 1/299.792.458 m/s . Si rezultat i këtij përcaktimi, vlera e shpejtësisë së dritës në vakum është pikërisht 299.792.458 m/s. Përmirësimi i teknikave eksperimentale nuk ndikone në vlerën e shpejtësisë së dritës Në Njësi, por rezultonte në një realizim me të sakte të njehsorëve.

Lidhje të jashtme

Speed of light in vacuum (National Institute of Standards and Technology, NIST)
Definition of the metre (International Bureau of Weights and Measures, BIPM)
Data Gallery: Michelson Speed of Light (Univariate Location Estimation) (download data gathered by A.A. Michelson)
Subluminal (Java applet demonstrating group velocity information limits)
De Mora Luminis at MathPages
Light discussion on adding velocities
Speed of Light (University of Colorado Department of Physics)
c: Speed of Light (Sixty Symbols, University of Nottingham Department of Physics [video])
Usenet Physics FAQ
The Fizeau "Rapidly Rotating Toothed Wheel" Method Arkivuar 11 prill 2010 tek Wayback Machine