Kelajuan cahaya

Menurut kepada teori moden teori fizikal, cahaya dan semua sinaran elektromagnetik bergerak pada kelajuan yang malar di dalam vakum, iaitu kelajuan cahaya. Ia merupakan pemalar fizik dan boleh diwakili oleh ${\displaystyle c}$  (dari perkataan Latin celeritas, iaitu "kelajuan"). Tanpa mengira rangka rujukan oleh pemerhati yang membuat ukuran atau kelajuan objek yang memancarkan cahaya tersebut, setiap pemerhati akan mendapat nilai yang sama untuk untuk kelajuan cahaya. Tiada maklumat yang boleh bergerak lebih laju daripada ${\displaystyle c}$  tanpa menyalahi hukum sebab akibat yang tidak pernah diperhatikan lagi.

Menurut kepada takrifan yang paling dominan, yang didefinisikan pada tahun 1983, kelajuan cahaya ialah

c = 299,792,458 meter sesaat,

atau lebih kurang 30 sentimeter (12 inci) per nanosaat. Nilai c didefinisikan sebagai ketelapan ruang kosong (${\displaystyle \epsilon _{0}}$ ) dan kebolehaliran ruang kosong (${\displaystyle \mu _{0}}$ ) dalam unit (cara efisyen MKSA) ialah

${\displaystyle \epsilon _{0}=10^{7}/4\pi c^{2}\quad \mathrm {(in~A^{2}\,s^{4}\,kg^{-1}\,m^{-3})} }$ 

${\displaystyle \mu _{0}=4\,\pi \,10^{-7}\quad \mathrm {(in~kg\,m\,A^{-2}\,s^{-2})} }$ .

Pemalar-pemalar ini wujud dalam persamaan Maxwell, yang menerangkan tentang keelektromagnetan.

Oleh kerana kelajuan cahaya di dalam vakum adalah malar, maka sesuai untuk mengira masa dan jarak dalam ungkapan ${\displaystyle c}$ . Kedua-dua unit SI bagi masa dan unit SI bagi jarak telah didefinisikan dalam ungkapan panjang gelombang dan kitaran cahaya. Satu meter telah didefinisikan dalam ungkapan ${\displaystyle c}$  pada tahun 1983. Dalam ungkapan c, satu meter telah didefinisikan sebagai 299792458^-1c. Ini bersandarkan kepada nilai malar kelajuan cahaya untuk semua pemerhati. Jarak astronomi kadang-kala diukur dalam tahun cahaya, terutamanya dalam teks-teks yang popular.

Kelajuan cahaya menjadikannya sangat releven untuk komunikasi. Sebagai contoh, diberikan ukur lilit bumi pada ketinggian 40,075 m dan c, masa terpendek yang diperlukan untuk maklumat malalui separuh glob ialah 0.067 saat.

Telah diketahui bahawa kelajuan cahaya adalah lebih perlahan di dalam gentian optik dan garisan lurus jarang muncul dalam situasi komunikasi, masa yang diperlukan untuk ping dari Australia atau Jepun ke AS dari komputer ke komputer adalah lebih kurang 0.250 saat.

Kelajuan cahaya juga memberi kesan kepada komunikasi tanpa wayar.

Penting untuk diketahui bahawa kelajuan cahaya bukan merupakan "kelajuan muktamad" untuk pemahaman yang biasa. Menurut teori relativiti khas, semua pemerhati akan mendapat kelajuan cahaya yang sama. Seseorang pemerhati yang mengejar perembatan sesuatu cahaya akan mendapati bahawa cahaya masih bergerak menjauhinya dengan kelajuan pembarisnya. Ini membawa kepada sesuatu keadaan yang bercanggah dengan prinsip kelajuan.

Kita semua telah diajar akan sesuatu yang menjadi biasa dalam prinsip kelajuan: jika dua buah kereta menghampiri di antara satu sama lain, setiap satu bergerak dengan kelajuan 50 batu sejam, kita menjangka yang setiap kereta akan menghampiri antara satu sama lain dengan kelajuan hasil daripada penjumlahan kelajuan kedua-dua kereta ${\displaystyle 50+50=100}$  batu sejam (hingga ke darjah ketepatan yang sangat tinggi).

Walau bagaimanapun, pada kelajuan yang menghampiri kalajuan cahaya, ia menjadi jelas hasil daripada eksperimen, prinsip ini tidak boleh digunakan lagi. Dua kapal angkasa yang menghampiri antara satu sama lain, setiap satu bergerak pada kelajuan 90% kelajuan cahaya relatif kepada pemerhati ketiga yang berada di antara mereka, tidak akan mendapati setiap daripada mereka manghampiri antara satu sama lain pada 90 + 90 = 180% kelajuan cahaya; sebaliknya mereka mendapati kapal yang menghampiri mereka bargerak pada kelajuan kurang daripada 99.5% kelajuan cahaya.

Hasil ini diberikan oleh formula penambahan kelajuan Einstein:

${\displaystyle u={v+w \over 1+vw/c^{2}}}$ 

iaitu ${\displaystyle v}$  dan ${\displaystyle w}$  ialah kelajuan kapal angkasa relatif kepada pemerhati, dan ${\displaystyle u}$  ialah kelajuan yang dikira oleh pemerhati dalam kapal angkasa.

Berlawanan dengan intuisi biasa kita, iaitu tidak mengira apakah kelajuan seseorang pemerhati kepada seseorang pemerhati yang lain, kedua-duanya akan mendapati kelajuan cahaya yang datang sebagai nilai yang malar, iaitu kelajuan cahaya.

Albert Einstein telah menemui teori relativiti dengan mengenakan logik yang disebut di atas kepada mekanik klasik. Pembuktian melalui eksperimen secara langsung dan secara tidak langsung membuktikan yang kelajuan cahaya mempunyai magnitud yang malar dan tidak bergantung kepada kelajuan pemerhati.

Apabila melalui bahan, kelajuan cahaya diperlahankan kurang daripada nilai ${\displaystyle c}$ , dengan nisbah yang dipanggil indek biasan bahan tersebut. Kelajuan cahaya di dalam udara hanya sedikit sahaja kurang daripada ${\displaystyle c}$ . Perantara yang lebih tumpat seperti air dan kaca boleh memperlahankan cahaya dengan lebih banyak, kepeda pecahan 3/4 dan 2/3 daripada ${\displaystyle c}$ . Pada skala mikroskop ini disebabkan oleh penyerapan dan pembebasan foton yang membentuk cahaya oleh atom atau molekul yang dilaluinya.

Eksperimen baru-baru ini menunjukkan bahawa mungkin untuk kelajuan kumpulan mendahului kelajuan cahaya iaitu mengatasi c. Satu eksperimen membuatkan kumpulan kelajuan cahaya laser bergerak pada jarak yang sangat pendek melalui atom caesium pada 300 kali ${\displaystyle c}$ . Walau bagaimanapun, ini tidak memungkinkan kita menggunakan kelajuan hasil darpada teknik ini untuk menghantar maklumat lebih laju daripada ${\displaystyle c}$ ; hasil daripada kumpulan kelajuan dan kelajuan maklumat yang dihantar sama dengan kuasa dua kelajuan cahaya biasa di dalam bahan tersebut.

Mengatasi kumpulan kelajuan cahaya dengan cara ini adalah sama dengan mengatasi kelajuan bunyi dengan mengaturkan orang dengan jarak yang dekat antara satu sama lain, dan menyuruh mereka semua menjerit "Saya di sini!", setiap seorang dengan sela masa yang pendek, setiap seorang mencatat masa dengan melihat jam tangan masing-masing jadi mereka tidak perlu tunggu sehingga mereka mendengar orang lain menjerit.

Kelajuan cahaya juga didapati melebihi pada fenomena yang berkaitan gelombang pengewapan. Sekali lagi, tidak mungkin untuk maklumat dihantar pada kelajuan lebih pantas daripada ${\displaystyle c}$ .

Lihat juga: lebih-laju-daripada-cahaya, takion

Pada 1999, satu kumpulan saintis yang diketuai oleh Lene Hau boleh menunjukkan bahawa mereka mampu untuk memperlahankan kelajuan sinaran cahaya kepada lebih kurang 17 meter sesaat. pada 2001, mereka mampu secara sementara memberhentikan sinaran cahaya. Lihat juga kondensasi Bose-Einstein untuk lebih maklumat.

Pada 2003, Mikhail Lukin, dengan saintis di Universiti Harvard dan Lebedev Institute di Moscow, telah berjaya menghentikan sepenuhnya sinaran cahaya dengan melalukannya pada sesuatu jisim gas rubidium yang panas, atom tersebut dalam perkataan Lukin, "[dikatakan] seperti cermin kecil", hasil daripada interferen dalam dua sinaran "kawalan".

Sehingga masa kini, kelajuan cahaya merupakan perkara yang masih kerap diperkatakan. Empedokles memperkatakan bahawa cahaya merupakan sesuatu yang sedang bergerak, jadi ia mengambil masa untuk bergerak. Aristoteles sebaliknya memperkatakan bahawa, "cahaya merupakan sesuatu yang melibatkan kehadiran sesuatu, tetapi ia bukan sesuatu yang bergerak". Selain itu, jika cahaya mempunyai kelajuan yang terhingga, ia mungkin sangat hebat; Aristotle pula memperkatakan bahawa "kekuatan kepercayaan kita adalah amat kuat" untuk mempercayai perkara ini.

Satu daripada teori lama memperkatakan bahawa cahaya dikeluarkan daripada mata, bertentangan bertentangan dengan pendapat yang mengatakan bahawa cahaya dipantulkan pada objek yang lain lalu memasuki mata. Dalam teori ini, Heron dari Alexandria menyambung pernyataan ini dengan memperkatakan bahawa kelajuan cahaya mestilah tidak terhingga, ini disebabkan objek yang jauh seperti bintang muncul dengan serta merta apabila seseorang membuka matanya.

Ahli falsafah Islam Avicenna dan Alhazen percaya bahawa cahaya mempunyai kelajuan yang terhad, walaupun kebanyakan ahli falsafah (kecuali dari Aryan) bersetuju dengan Aristotle pada pernyataan ini.

Johannes Kepler percaya bahawa kelajuan cahaya adalah tidak terhingga oleh sebab ruang kosong tidak memberikan sebarang gangguan kepadanya. Francis Bacon memperkatakan bahawa kelajuan cahaya tidak semestinya tidak terhingga, disebabkan sesuatu boleh bergerak terlalu cepat untuk dicerap, seperti peluru senapang. Rene Descartes mengatakan bahawa kelajuan cahaya adalah tidak terhingga, jika tidak, matahari, Bumi dan Bulan akan keluar daripada barisan semasa gerhana bulan. Disebabkan oleh herotan tersebut tidak dicerap, Descartes mengatakan bahawa halaju cahaya adalah tidak terhingga.

Galileo mencadangkan satu ujikaji untuk mengukur kelajuan cahaya dengan mencerap lampu tanglung dan pengesanannya pada jarak yang jauh darinya. Ujikaji ini telah dilaksanakan oleh Accademia del Cimento di Florence dalam 1667, dengan tanglung dijarakkan lebih kurang satu batu antara satu sama lain. Tiada sela masa diperhatikan. Robert Hooke telah menerangkan akan hasil negatif Descartes dan Galileo dengan menunjukkan bahawa pemerhatian itu bukan disebabkan oleh kelajuan cahaya yang tidak terhingga, tetapi disebabkan kelajuan cahaya yang sangat tinggi.

Pengukuran kelajuan cahaya yang pertama telah dilakukan oleh pada tahun 1676 oleh Ole Rømer, yang telah mengkaji gerakan satelit planet Musytari, Io. Rømer memerhatikan bahawa gerhana Io di Musytari kelihatan lebih cepat apabila bumi mendekati Musytari dan kemudian apabila bumi bergerak menjauhinya. Rømer secara tepatnya telah membuat kesimpulan yang kelewatan ini disebabkan oleh masa yang diambil oleh cahaya untuk melalui jarak yang lebih jauh di antara planet. Pada asas pemerhatiannya, Rømer menganggap yang cahaya mengambil masa 22 minit oleh cahaya untuk merentasi diameter orbit bumi (iaitu dua kali ganda unit astronomi); kiraan yang lebih moden adalah lebih hampir kepada 16 minit dan 40 saat. Pda masa itu, unit astronmi dianggap lebih kurang 140 juta kilometer. Dua hasil tersebut telah tersebut telah dicantumkan oleh Christiaan Huygens, yang menganggap kelajuan cahaya adalah 16 dan 2/3 diameter Bumi sesaat. Ini adalah lebih kurang 220,000 kilometer sesaat, adalah lebih rendah daripada nilai yang diketahui sekarang, tetapi masih jauh lebih pantas daripada mana-mana fenomena fizikal yang diketahui.

Keterhinggaan kelajuan cahaya tidak menjadi kesimpulan keputusan pemerhatian ini, ini disebabkan oleh keputusan perubahan ini boleh disangkal disebabkan oleh sedikit perubahan untuk mengorbit oleh satelit. Walau bagaimanapun, selepas pemerhatian oleh James Bradley (1728) hipotesis bahawa kelajuan cahaya adalah malar telah dipertimbangkan secara diskrit. Bradley mengatakan bahawa sinaran cahaya yang menimpa bumi patut datang pada sudut yang sedikit berbeza, yang boleh dikira dengan membezakan kelajuan bumi di dalam orbitnya kepada kelajuan cahaya. "Penyimpangan cahaya" ini, seperti yang dipanggil, telah dicerap sebagai 1/200 darjah. Bradley telah mengira bahawa kelajuan cahaya adalah lebih kurang 185,000 batu sesaat. Ini hanya sedikit sahaja kurang daripada nilai yang diketahui dan diterima sekarang.

• Fizeau-Foucault Apparatus
• Galileo Galilei
• Michelson Morley experiment

John David Jackson. Classical electrodynamics. John Wiley & Sons, 2nd edition, 1975; 3rd edition, 1998. ISBN 0-471-30932-X

• speed of light in vacuum (at NIST)

• ROEMER, Démonstration touchant le mouvement de la lumière Diarkibkan 2006-06-21 di Wayback Machine (Rømer's 1676 paper, in French)

• Rømer and the Doppler Principle. Diarkibkan 2004-06-03 di Wayback Machine (further details on Rømer's result)

• A Brief History of c (more history)

• Historical background. (introductory section of a paper reviewing Michelson's experiments; recommended)

• Data Gallery: Michelson Speed of Light (Univariate Location Estimation) (download data gathered by A.A. Michelson)

• Switching light on and off (news article on stopping light)

• Beam smashes light barrier (news article on group velocity experiment)

• Subluminal (Java applet demonstrating group velocity information limits)