Prędkość światła – ile wynosi i wszystko inne, co musisz o niej wiedzieć

Prędkość światła to zagadnienie, które nurtuje człowieka od czasów starożytnych. Wartość ta odgrywa szczególną rolę dla całego Wszechświata, w którym żyjemy. Z jaką prędkość więc porusza się światło?

Światło porusza się z określoną prędkością, a we Wszechświecie istnieją limity – podobnie jak na drodze. W tym jednak przypadku są one absolutnie nieprzekraczalne, niezależnie czy mowa o człowieku, statku kosmicznym czy też cząstce. Z tego tekstu dowiesz się wszystkich najważniejszych informacji na temat prędkości światła.

Ile wynosi prędkość światła?

Prędkość, jaką osiąga fala elektromagnetyczna (czyli światło)  w próżni wynosi 299 792 458 m/s. To właśnie z tą wartością będziemy mieć najczęściej do czynienia, gdy mowa jest o szybkości światła. Dlaczego? Światło może poruszać się w różnych ośrodkach, także tych materialnych. Przez takie możemy uznać np. naszą atmosferę, która, choć z naszego puntu widzenia jest pusta, tak naprawdę zawiera masę cząstek. Światło wchodząc z nimi w kontakt, ulega zakrzywieniu, co w rezultacie skutkuje utratą prędkości.

Nie są to wartości ogromne – światło w powietrzu naszej planety jest 1,0003 razy wolniejsze niż w próżni. Oznacza to, że z prędkości 299 792 458 m/s zostaje zredukowana do 299 702 547 m/s. Dlatego w ujęciu czystofizycznym prędkość światła podaje się w próżni. Oznacza to, że żaden czynnik nie spowalnia fali elektromagnetycznej – próżnia jest wszak pusta. Próżnia jest więc w zasadzie jedynym miejscem, w którym światło osiąga pełną prędkość, która nie jest niczym zakłócona.

Prędkość światła w km/h

299 792 458 m/s to wartość, którą ciężko jest objąć rozumem. A jak może to wyglądać, gdy podmienimy jednostki? Zamiast metrów na sekundę odpowiedzmy więc, ile wynosi prędkość światła w kilometrach na godzinę.

1 079 252 848,7999 kilometrów na godzinę (czyli 1,07 miliarda kilometrów) to wartość, jaką osiąga prędkość światła, poruszając się w próżni. To dosyć zawrotna prędkość, dlatego najczęściej spotykać będziemy jednostkę km/s. Ile kilometrów pokonuje zatem fala elektromagnetyczna w przeciągu jednej sekundy? Dokładnie 299 792 458 km/s, jednak bardzo często spotkamy się z przypadkiem, gdy tę wartość zaokrągla się do 300 tysięcy km/s.

Pędź (choć nie tak szybko jak światło) na nowym rowerze 😉

Prędkość światła ujęta w perspektywie

Prędkość światła w próżni określana skrótem c to stała fizyczna, która ma niezwykle znaczenie w astronomii, fizyce i wielu pokrewnych dziedzinach. Znamy już jej wartość, jednak tak zawrotnie wysoka prędkość jest trudna do przetworzenia przez umysł, gdy operujemy na samych liczbach. W związku z tym, by oddać perspektywę, z jak dużymi prędkościami mamy tu do czynienia, najlepiej oprzeć się na przykładach.

Przyjmijmy, że odkryty został środek transportu, którego prędkość równa się c. Pojazd ten wznosi się nad powierzchnią naszej planety i zaczyna ją okrążać. Podróżując z pełną prędkością światła, będzie on w stanie dokonać 7,5 okrążeń planety w przeciągu jednej sekundy. W przypadku przeciętnego samolotu pasażerskiego, który porusza się z prędkością około 800 km/h, jeden obwód dookoła Ziemi zająłby 50 godzin.

Prędkość ta jednak blednie, gdy pod uwagę weźmiemy skale astronomiczne. Nie musimy nawet daleko wybiegać – możemy rozpocząć od naszego Układu Słonecznego. Nasz naturalny i jedyny satelita, znajduje się od Ziemi w odległości około 384 400 kilometrów. Światło potrzebuje więc 1,28 sekundy, aby dotrzeć z Księżyca do Ziemi. Pora jednak zwiększyć odległości i spojrzeć w kierunku naszej gwiazdy.

Przyjmując niemożliwy w realizacji scenariusz, w którym nasza gwiazda nagle znika, dowiedzielibyśmy się o tym po ponad ośmiu minutach. Zgadza się, nie sekundach, ale minutach, ponieważ aż tyle czasu potrzebuje światło, aby pokonać dystans 149,6 milionów kilometrów, który dzieli naszą planetę od najbliższej nam gwiazdy. Przy okazji warto wspomnieć, że odległość ta używana jest jako jednostka odległości w astronomii, znana jako jednostka astronomiczna. 1 au to dystans Ziemi-Słońce, natomiast odległość od Ziemi do Księżyca to 0,0026 au.

Pomimo faktu, że prędkość światła może się wydawać zawrotna, odległości w kosmosie bywają przeogromne. Już na przykładzie samego Układu Słonecznego widzimy, że pomimo 300 tysięcy km/s, wciąż potrzeba ponad ośmiu minut na pokonanie dystansu. Jeżeli spojrzysz na Słońce w tym momencie (nosząc rzecz jasna środki ochrony dla oczu) oznacza to, że widzisz je takim, jakim wygląda nie w tym konkretnym momencie, ale te ponad osiem minut temu. I to samo dotyczy wszystkich obiektów, jakie obserwujemy w komosie.

Sprawdź też: Czym jest kwazar? Podstawowe informacje, cechy, najodleglejsze kwazary

Czym jest rok świetlny?

Układ Słoneczny to ledwie zauważalny pyłek na tle naszej galaktyki, nie wspominając już o reszcie obserwowalnego Wszechświata. W celu obliczania odległości, które znacznie wykraczają poza rubieże naszej lokalnej domeny, naukowcy stosują pojęcie roku świetlnego. Ile to jest jeden rok świetlny? Jest to dystans, jaki światło pokonuje w przeciągu jednego roku ziemskiego. Dystans ten wynosi 9,5 bilionów kilometrów (lub 6 bilionów mil).

Wspominaliśmy już o Księżycu i Słońcu, podając czas, jaki potrzebny jest do pokonania odległości, jakie oba ciała niebieskie dzielą z Ziemią. Były to kolejno ponad sekunda, a w drugim przypadku ponad 8 minut. Oznacza to, że Księżyc jest zlokalizowany od Ziemi o około jedną sekundę świetlną, natomiast Słońce: o około 8 minut świetlnych. Wszyscy doskonale wiemy to, jak bardzo sekunda czy nawet minuta różnią się swoją długością od całego roku. Z takimi właśnie odległościami mamy do czynienia, gdy wykraczamy poza nasz Układ Słoneczny.

Za cel obierzmy najbliższą układ Alfa Centauri, w którym znajduje się Proxima Centauri. Obiekt ten, jest najbliższą naszej planecie gwiazdą, inną niż Słońce. Słowo „najbliższy” w ujęciu kosmicznym należy jednak rozumieć ostrożnie – obiekt ten jest oddalony od nas o 4,22 roku świetlnego. Oznacza to, że dystans, jaki dzielimy z najbliższą nam gwiazdą, wynosi ponad 40 bilionów kilometrów. Przyjmując, że poruszamy się z taką samą prędkością, jaką rozwinął Apollo 11 w drodze na Księżyc, podróż zajęłaby około 43 tysięcy lat.

Nie zapominajmy przy tym, że kosmos pełen jest obiektów, które są zlokalizowane znacznie, znacznie dalej. Wspomniane 4,22 roku świetlnego wydaje się wtedy odległością wręcz śmieszną. Przykładowo, galaktyka HD1 to jeden z najodleglejszych od naszej planety obiektów. Światło, które zostało przez nią wyemitowane, potrzebowało 13,5 miliarda lat, by do nas dotrzeć. Biorąc pod uwagę rozszerzanie się całego Wszechświata, obiekt ten jest zlokalizowany jeszcze dalej – dotarcie do niego wymagałoby zawrotnych 33,4 miliardów lat świetlnych.

To wszystko oznacza, że astronomowie obserwują praktycznie historię. To, jakimi te odległe obiekty były miliardy lat temu, nie zaś to, jak wyglądają obecnie. Możliwe, że mogą już nawet nie istnieć, bądź stać się czymś zupełnie innymi. Światło, które do nas dociera, pokonując tak ogromny dystans, ukazuje je więc niejako z przeszłości. Ma to swoje korzyści, ponieważ umożliwia naukowcom obserwacje Wszechświata na krótko po Wielkim Wybuchu. Wydarzenie to miało miejsce około 13,8 miliardów lat temu. Obiekty oddalone przykładowo o 11 miliardów lat świetlnych są więc obserwowane, jakimi były tuż po samym Wielkim Wybuchu.

Sprawdź też: Centrum Drogi Mlecznej – co się tam znajduje?

Czy światło da się wyprzedzić?

Wiemy już, że światło porusza się z zawrotną prędkością w próżni, jednak czy istnieje sposób, aby je wyprzedzić? Wielu z nas z pewnością spotkało się z motywem napędu nadświetlnego, który jest ochoczo wykorzystywany w literaturze, filmach fantastycznonaukowych oraz grach. Co na ten temat mówi jednak sama fizyka?

Przez wiele wieków fizycy byli przekonani o tym, że we Wszechświecie nie istnieją żadne limity prędkości. W ich mniemaniu dany obiekt mógł osiągnąć nieskończoną prędkość, co do której nie było ograniczeń. Sytuacja zmieniła się wraz z opublikowaniem ogólnej teorii względności przez Alberta Einsteina. Naukowiec przedstawił, że prędkość światła w próżni jest absolutnym limitem poruszania się nie tylko dla hipotetycznych obiektów materialnych, które są w stanie zbliżyć się do niej. Jest również limitem prędkości poruszania się wszelkich cząsteczek (choć tutaj nauka zostawia pewną furtkę, do czego jeszcze wrócimy).

OTW przedstawia, że żaden obiekt nie jest w stanie osiągnąć prędkości światła oprócz fotonów, które je tworzą. Cząsteczki te mają zerową masę spoczynkową i jako jedyne mogą osiągnąć prędkość poruszania wynoszącą około 300 tysięcy km/s. Chcąc rozpędzić dany obiekt o masie własnej do c=1, napotykamy na problem związany z dostarczaniem energii, która będzie go napędzać. Wzrost prędkości wiąże się ze wzrostem masy obiektu. To z kolei oznacza, że porusza się on z coraz większym oporem wobec dalszego rozpędzania, ponieważ staje się cięższy. W celu osiągnięcia prędkości światła przez obiekt materialny trzeba byłoby mu dostarczyć nieskończoną ilość energii.

Wspominaliśmy jednak, że współczesna fizyka bierze pod uwagę istnienie obiektów, które poruszają się z prędkością nadświetlną. Mowa to u tachionach, hipotetycznych cząstkach elementarnych, które zawsze poruszają się z prędkością większą niż światło w próżni. Jak dotąd nie przedstawiono jednak żadnych dowodów, które udowodniłyby te właściwości tachionów. Zdecydowana większość badaczy jest zgodna, by twierdzić, że obecnie prędkość nadświetlna jest niemożliwa do osiągnięcia we Wszechświecie.

Sprawdź też: Jak szybki jest dźwięk? Prędkość dźwięku – najważniejsze informacje

Kiedy światło może zwolnić?

Wspominaliśmy, że pełen potencjał prędkości poruszania światłą jest możliwy do osiągnięcia jedynie w próżni. Samo światło może jednak zwolnić, w zależności od otaczającego środowiska, które akurat pokonuje. To, o ile dany materiał (niekoniecznie w namacalnym tego słowa znaczeniu) spowalnia światło, jest określane mianem współczynnika załamania światła. W próżni światło nie napotyka na żadną przeszkodę, ale w powietrzu, szkle, ołowiu, a nawet cele ludzkim jest masa „przeszkód”, które je spowalniają.

Wspominaliśmy już o tym, o ile światło zwalnia w naszej atmosferze. Różnica jest praktycznie niezauważalna, jednak istnieją obiekty zdolne do wyhamowania go jeszcze bardziej. Jednym z nich jest diament – pokonujące go światło zwalnia o ponad połowę, co stanowi ogromną wartość.

Co więcej, światło udało się jeszcze bardziej spowolnić (a nawet zatrzymać) z wykorzystaniem ultraizmnych atomów. Badacze z powodzeniem dokonali nawet spowolnienia światła w próżni, czyli warunkach, w których światło porusza się z największą łatwością. Szkoccy badacze dokonali tego w 2015 roku, dokonując spowolnienia jednego fotonu w próżni. Różnica między nim a „zwykłym” fotonem wynosiła zaledwie kilka milionowych części metra, ale udowodnili tym samym, że światło w próżni może zwolnić.

Historia najważniejszej stałej we Wszechświecie. Jak badano prędkość światła przed erą nowoczesnych technologii?

Dokładna prędkość światła bardzo długo pozostawała zagadką. Debata na temat prędkości światła z pewnością poruszana była przez starożytnych badaczy, następnie muzułmańskich matematyków ze średniowiecza aż do czasów bardziej współczesnych, gdy nauka zaczęła stawiać w tej kwestii pierwsze konkrety.

Sprawdź też: Zegar atomowy – najdokładniejsze narzędzie mierzenia czasu

Galileusz i pierwszy krok na właściwej ścieżce

Najwcześniejsza znana ludzkości próba zmierzenia prędkości ruchu światła została podjęta przez urodzonego w XVI wieku włoskiego fizyka i astronoma, Galileusza. Postanowił on skonfrontować z rzeczywistością powszechną teorię o nieskończonej wartości za pomocą eksperymentu.

On i jego towarzysz weszli na szczyty dwóch odległych od siebie wzgórz, trzymając w rękach latarnie. Odsłonięcie latarni przez jednego z fizyków było dla drugiego sygnałem do natychmiastowego uczynienia tego samego. Odkrywający wówczas latarnię badacz miał za zadanie zmierzyć, ile czasu upłynęło od odsłonięcia źródła światła przez niego samego aż do uzyskania odpowiedzi od swojego kolegi.

Wnioski, które Galileusz wyciągnął ze swojego eksperymentu, wcale nie były nieprawidłowe, choć z dzisiejszej perspektywy mocno nieprecyzyjne. Udało mu się oszacować prędkość ruchu światła – według astronoma miałaby ona wynosić więcej niż 30 kilometrów na godzinę. Choć obecnie wiemy, że wartość ta nawet w ośrodkach materialnych jest wiele tysięcy razy większa, zaś dokładne zbadanie prędkości światła którymkolwiek z dostępnych współczesnym Galileuszowi ludziom sposobów byłoby niemożliwe, pionierskie starania astronoma zdecydowanie warto docenić.

Jak księżyc Jowisza pomógł w oszacowaniu prędkość światła?

1676 roku duński astronom Ole Rømer poczynił znaczne postępy w wyznaczaniu wartości prędkości światła. Co jednak warte zaznaczenia, zrobił to przypadkowo. Jego głównym zadaniem było stworzenie rzetelnych map czasowych dla żeglarzy na morzu. W celu stworzenia tego astronomicznego zegara wspomógł się pewnym wydarzeniem w naszym Układzie Słonecznym.

W tym celu wykorzystał zaćmienie Io, jednego z satelitów Jowisza przez tę planetę, które obserwował z Ziemi. Zanotował przy tym dokładny czas tego wydarzenia, jednak dostrzegł pewne różnice w obliczeniach. Dotoczyły one czasu trwania zaćmienia Io w momencie, gdy Ziemia i Jowisz oddalały się od siebie. Rømer dostrzegł, że czas ten różni się jeszcze bardziej, gdy planety zbliżają się do siebie. Jedynymi momentami, gdy wszystko się zgadzało, było najbliższe oraz najdalsze ustawienie obu planet względem siebie.

Obserwacje duńskiego astronoma są dziś znane jako efekt Dopplera. Polega on na tym, że zmianie ulega częstotliwość drgań fali światła (lub dźwięku), która jest emitowana przez dany poruszający się obiekt. W momencie oddalania się tego obiektu następuje jego przesunięcie ku czerwieni. Oznacza to, że jego fale wydłużają się, co jest dowodem tego, że obiekt ten oddala się od obserwatora. Rømer dowiódł więc, że światło potrzebuje określonego i mierzalnego czasu, aby dotrzeć z Io do naszej planety. Warto jednak pamiętać, że naukowiec nie wyznaczył liczbowej wartości prędkości światła – zrobił to Christiaan Huygens, opierając się na badaniach Rømera. Według Huygensa, światło w próżni i powietrzu rozchodziło się z prędkością 214 300 km/s.

Rozwój mechanicznych metod wyznaczania prędkości światła

W XVIII wieku nastąpił rozwój pomiaru prędkości światła w warunkach laboratoryjnych, za pomocą różnorodnych urządzeń. Warto wymienić choćby metodę wirującego zwierciadła (zastosowaną po raz pierwszy przez Jeana Foucault), określającą prędkość tą na podstawie przesunięcia obrazu padającego na obracające się lustro.

Błędy pomiaru to nie jedyne problemy, z którymi przez lata musieli radzić sobie badacze fizyki, by choć zbliżyć się do poznania niezwykłych własności prędkości światła. Dziś, korzystając już z możliwości, jakie dają najnowsze technologie, wprawnie oceniamy i stosujemy tę wyjątkową spośród stałych fizycznych wartość. Czy o prędkości światła możemy się dowiedzieć jeszcze czegoś więcej? Trudno stwierdzić, my jednak z niecierpliwością czekamy na kolejne przełomy w fizycznych badaniach nad nią.