Ljusets hastighet
Från Rilpedia
Ljusets hastighet (betecknas c) är egentligen två olika hastigheter: 1) den högsta möjliga hastigheten enligt relativitetsteorin, en grundläggande egenskap hos rumtiden. 2) hastigheten för elektromagnetisk strålning, baseras på elektriska och magnetiska egenskaper hos ett medium. I vakuum är de lika stora. I andra medier utbreder sig strålningen långsammare.
Ljusets hastighet i vakuum är en fysikalisk konstant och är 299 792 458 m/s (exakt värde)[1][2]. Denna hastighet är oberoende av observatörens rörelse – två olika observatörer kommer alltid att uppmäta samma hastighet, oavsett hur de rör sig i förhållande till varandra. Som en mera åskådlig föreställning om ljushastighetens värde kan nämnas att hastigheten motsvarar sträckan jorden runt sju och en halv gång på en sekund.
Innehåll |
Historia
Galileo Galilei lär vara den förste som beskrev ett experiment för att mäta ljusets hastighet. Detta skulle göras genom att två personer utrustades med varsin lykta där man enkelt och snabbt kan blockera ljuset. Personerna ställer sig ett stycke från varandra. Den ene växelvis blockerar eller släpper fram ljuset. Den andre observerar den förstes ljusväxlingar och försöker att i takt med den förste blockera resp. släppa fram ljuset från sin lykta. De kontrollerar ömsesidigt att deras ljusväxlingar håller samma synkroniserade takt. När de har blivit samspelta i förfarandet ökar de avståndet mellan sig och kontrollerar att deras ljuspulser fortfarande håller synkroniseringen. Om och när man hamnar på så långt avstånd från varandra att det blir svårt för personerna att hålla takten så har man funnit ett avstånd där ljusets utbredningstid sätter gräns för experimentet.
Galilei anger att han preliminärprövat förfarandet på mindre än en mils avstånd (förmodligen en romersk mil ≈ 1,5 km). Inga fördröjningseffekter kunde konstateras. Galilei drar inte slutsatsen att ljusutbredningen skulle gå oändligt snabbt, bara att det går fortare än vad metoden kan detektera. Några försök över längre avstånd har Galilei inte rapporterat. Men han nämner att man i sådana fall kommer att behöva kikarliknande hjälpmedel i utrustningen. Accademia del Cimento i Florens, Italien, ska ha upprepat försöket 1667, utan att få några bättre resultat.
Galilei nämner att åskblixtar tycks lysa upp ett helt landskap samtidigt. Han kommenterar att om ljusets utbredningshastighet vore tillräckligt låg borde man kunna uppfatta en fördröjning av blixtbelysningen av landskapets olika delar. [3]
Den danske astronomen Ole Römer var den förste som 1676 lyckades mäta ljushastigheten med någorlunda god noggrannhet. Han studerade när en av Jupiters månar, Io, blev förmörkad bakom Jupiter. Man kände väl himlakropparnas banor och hastigheter så Römer kunde räkna ut hur länge månen borde vara bakom Jupiter, drygt 42 timmar. Han upptäckte att denna tid inte stämde med beräkningarna. Detta kan förklaras med att avståndet mellan Jupiter och Jorden ändrats under förmörkelsen. Därför kan tiden det tar för sista ljuset att nå Jorden före förmörkelsen och tiden för det första ljuset efter förmörkelsen att nå jorden vara olika vid olika observationstillfällen och man får inte korrekt tid. Detta beror på att jorden, i sin bana runt solen, rör sig mot, eller från, eller tvärs, riktningen från jorden till Jupiter. Ur ett större antal sådana observationer beräknade Römer ljushastigheten till ungefär 200 000 000 m/s. Man visste inte avståndet till Jupiter så bra, vilket gav ett visst fel i värdet.
Hippolyte Fizeau mätte också ljushastigheten. Han använde år 1849 ett kugghjul som ljuset först måste passera för att sedan reflekteras mot ett berg på stort avstånd och sedan passera tillbaka genom kugghjulet. Ljuset kan endast passera kugghjulet mellan kuggkammarna. Genom att mäta med vilken hastighet kugghjulet måste rotera för att ljuset skulle kunna passera mellan två olika kuggluckor kunde han beräkna ljusets hastighet.
James Clerk Maxwell beskrev år 1865 teorin för elektromagnetismen, beskrev en sorts strålning, elektromagnetisk strålning, som utbreder sig med en hastighet som följer ur mediets elektriska och magnetiska egenskaper: 
. Han visade att hastigheten var densamma som den tidigare uppmätta ljushastigheten. Alltså förstod man att ljus var elektromagnetisk strålning. Som formeln visar har ljuset lägre hastighet i andra medier än vakuum.
Under 1970-talet rapporterades flera experimentella värden på c till ungefär 29979245X m/s. Värdet på den sista siffran, X, liksom mätosäkerheten i värdena, var olika från de olika experimenten. I stället för att bilda ett bästa medelvärde för c, med specificerat osäkerhetsintervall, valde man 1983 att definiera c till exakt 299 792 458 m/s.
De experimentella osäkerheterna från ljushastighetsmätningarna blir nu "bara" historia. Metern som tidigare var definierad med hjälp av en ljusvåglängd, är nu exakt definierad som den sträcka ljuset går i vakuum på 1/299792458 sekund. De tidigare experimentella osäkerhetrna i ljushastigheten dyker nu i stället upp som osäkerhetsbidrag vid alla mätningar av längd; dvs för närvarande av storleksordningen 1 på 300 000 000 eller 3*10-9.
Sedan år 2001 har tvivel väckts huruvida ljusets hastighet alltid har varit densamma. Mätningar på finstrukturkonstanten alfa på 12 miljarder år gammalt ljus visade att konstanten verkar ha ändrats något. Alfa beror på Plancks konstant, elektronens laddning samt ljusets hastighet, men de flesta fysiker tolkar en ändring hos konstanten som en ändring av ljusets hastighet.
Olika senare mätningar har gett olika resultat; vissa verkar styrka påståendet att ljusets hastighet (eller åtminstone Alfa) ändrats, medan andra mätt upp att värdet har varit konstant genom årmiljarderna.
Man har bland annat använt sig av studier av Okloreaktorn, en naturlig kärnreaktor i Gabon, Västafrika, som var "i drift" för 2 miljarder år sedan, och där man kan se ändringar av Alfa genom att mäta olika isotophalter.
Aktuellt
- 2001 En kvasarstudie visar att Alfa var några hundratusendelar mindre för 12 miljarder år sedan.
- mars 2004 En kvasarstudie visar att ingen förändring av Alfa på mer än en miljondel har skett de senaste 10 miljarder åren.
- juni 2004 En studie med 15 signifikanta siffrors noggrannhet visar ingen ändring av konstanten under perioden 1999 till 2003.
- juni 2004 En analys av Okloreaktorn visar att Alfa ändrats med 45 miljarddelar de senaste 2 miljarder åren.
Storleksordning
För att få en uppfattning om hur stor ljusets hastighet är, kan man betrakta hur lång tid det tar för ljuset att färdas olika sträckor. I tabellen visas några exempel.
| Sträcka | Tid |
|---|---|
| Inom ett 30 cm kretskort, till exempel en PC. Detta är intressant ur teknisk synpunkt eftersom tiden måste vara klart mindre än tiden för signalen att ändra sig, det begränsar hastigheten mot instickskort mm. En annan referenslängd för vakuumhastigheten är långsidan på ett A4-papper (≈30 cm). I vanliga kablar är hastigheten lägre (c:a 70 % av c) vilket representeras av A4-sidans korta sida, (≈20 cm). |
1 miljarddels sekund 1 nanosekund |
| Från Rosenbad till Stockholms slott (300 m) | 1 miljondels sekund 1 mikrosekund |
| Från Uppsala till Södertälje (100 km) | 0,3 tusendels sekund 0,3 millisekund |
| Till en TV-satellit och tillbaka (72000 km, klart märkbar, t.ex. i TV-intervjuer via satellit, när svaret också får denna fördröjning) |
0,24 sekunder |
| 7,5 varv runt jorden (ca 300 000 km) | 1 sekund |
| Från månen till jorden (380 000 km) | 1,3 sekunder |
| Från solen till jorden | 8 minuter 19 sekunder |
| Från solen till Neptunus | 4 timmar |
| Från stjärnan närmast vår sol, Proxima Centauri | 4,2 år |
| Från kant till kant på Vintergatan | 100 000 år |
| Från Andromeda, vår granngalax | 2,2 miljoner år |
| Från Big Bang | 13,7 miljarder år |
Se även
Referenser
- ↑ Young, Hugh D; Freedman, Roger A. "University Physics with Modern Physics" (2004). ISBN 0-321-20469-7. Sidan 6
- ↑ Anledningen till att värdet på ljusets hastighet är exakt är att enheten meter är definierad just genom ljusets hastighet.
- ↑ Galileo Galilei – Samtal och matematiska bevis om två nya vetenskaper (1638); översättning Kajsa Zaccho (2005), ISBN 91-7353-069-7 , sid. 80.
