Fénysebesség

A vákuumbeli fénysebesség az egyik alapvető fizikai állandó, az elektromágneses hullámok terjedési sebessége. Pontos értéke^{[* 1]} 299 792 458 m/s minden vonatkoztatási rendszerben.^[5] Jele: c (a latin celeritas, „sebesség” szóból). Jelenlegi ismereteink szerint semmilyen hatás nem terjedhet gyorsabban a vákuumbeli fénysebességnél. Értékét 1975-ben rögzítették a 15. Általános Súly- és Mértékügyi Konferencia ülésén és javasolták az SI-mértékegységrendszer számára bevezetésre^[1], amelyet 1983-ban vezettek be. Alapvető fizikai állandó (ún. konvencionális valódi érték) így értékének nincs mérési bizonytalansága.^[5]

A napfénynek 8 perc és 17 másodperc kell, hogy megtegye a Nap és a Föld közötti átlagos távolságot

A fénysebesség a számítások szempontjából – a Lorentz-transzformációval szembeni transzformációs tulajdonságai alapján – négyesskalár, akárcsak a nyugalmi tömeg.

A fény sebessége anyagi közegekben kisebb a vákuumbelinél. A vákuumbeli és a közegbeli sebesség hányadosával definiálják a közegre jellemző abszolút törésmutatót:

${\displaystyle n={\frac {c_{0}}{c}}}$,

ahol

${\displaystyle c_{0}}$: a vákuumbeli,

${\displaystyle c}$: a közegbeli fénysebesség.

Vákuumban a fény terjedési sebessége meghatározható a következő összefüggés alapján:^[6]

${\displaystyle c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\epsilon _{0}\mu _{0}}}}}$,

ahol

${\displaystyle {\epsilon _{0}}}$: a vákuum permittivitása (a vákuum dielektromos állandója)

${\displaystyle {\mu _{0}}}$: a vákuum mágneses permeabilitása

Mérése

A Fizeau-készülék vázlatos rajza

A fénysebesség mérését többen megkísérelték, egyik első közülük Galilei volt, aki két távoli hegycsúcson egy-egy lámpást helyezett el. A kísérletben először Galilei nyitotta ki lámpásának ablakát, és mikor a segítője a másik hegycsúcson megpillantotta a fényt, ő is kinyitotta a sajátját. Galilei a kísérletet különböző távolságokkal megismételte, de nem kapott eltérést, így rájött, hogy a mért idő jelentős részét az emberi reakcióidő teszi ki. Annyit megállapított, hogy a fény sebessége igen nagy. Mások úgy próbálták elvégezni a mérést, hogy egy éjszaka elsütött ágyú fényének egy távoli tükörről visszaverődését figyelték. A kísérlet szintén csak annyi eredményt hozott, hogy a fénysebesség igen nagy.

Az egyik legkorábbi értékelhető mérést Ole Rømer dán fizikus végezte 1676-ban. A Jupiter egyik holdját, az Iót figyelte meg távcsővel, és eltéréseket vett észre az Io keringési periódusában. Rømer az eltérésekből 227 000 kilométer per másodperc értéket kapott.

1729-ben James Bradley az aberráció jelenségével már 1% pontossággal határozta meg a fénysebességet. Ennek lényege, hogy ha a (hosszúkás) távcső a bejövő fénysugárra merőlegesen mozog, akkor a távcsövet nem pontosan a fénysugár irányába kell beállítani, hanem attól kissé ferdén.

Az első sikeres mérés, amely csak földi tárgyakat használt, Hippolyte Fizeau mérése volt 1849-ben. Fizeau fénysugarakat irányított egy 8,6 kilométerre levő tükörre, és egy fogaskereket helyezett a fény útjába, melyen a fény oda-vissza áthaladt. Ha áll a kerék, akkor visszatér a fény ugyanazon a fogközön. Növelve a fordulatszámot, a fogközön átmenő fény visszatérve fogra esik, tovább növelve már a következő fogközön tud áthaladni, vagyis egyenletesen növelve a fordulatszámot a fény felváltva átjut, illetve nem jut át. Ha ismerjük a távolságot és a fordulatszámokat, akkor a fény sebessége kiszámítható. Ő akkor 313 000 kilométer per másodpercet kapott.

Albert A. Michelson 1926-ban Léon Foucault módszerét használva forgó tükrök használatával azt az időt mérte, amely a kaliforniai Wilson-hegy és a San Antonio-hegy távolság oda-vissza megtételéhez szükséges. A precíz méréssel 299 796 km/s-ot kapott.

A hétköznapi életben gyakran használjuk a 300 000 km/s értéket.

A fénysebességen alapuló méter

A lézer 1960-as kifejlesztésével lehetővé vált a fényforrás frekvenciájának nagyon pontos meghatározása, és ezáltal a fény sebességének a korábbiaknál pontosabb mérése is. Az újabb és újabb, egyre pontosabb kísérletekkel együtt felmerült, hogy a távolságegységet (métert) a pontosabban mérhető időegységre és a fénysebességre kellene alapozni. Bay Zoltán is – aki akkor a NIST elődjénél dolgozott – 1965-ben hivatalosan javaslatot tett erre, a kollégáival végzett, a fénysebesség állandóságára vonatkozó kutatásai alapján.^[3][7] A bevezetéséhez még szükség volt arra, hogy a másodpercet is megfelelő pontossággal határozzák meg, amelyet 1967-ben a 13. Általános Súly- és Mértékügyi Konferencia kötött a cézium atom fizikai állandóságához. 1983-ban az Általános Súly- és Mértékügyi Konferencia Párizsban tartotta 17. ülését, ahol elfogadták az egységes rendszert, és a következő megállapodást fogalmazták meg:^[2]

A méter a fény által a vákuumban a másodperc 1/299 792 458-ad része alatt megtett út hossza.

Ezt megerősítette a 24. Általános Súly- és Mértékügyi Konferencia 1. számú döntése 2011-ben, amely szerint az SI mértékegységrendszer hét alapegységének a továbbiakban is az egyik fontos fizikai állandója a fénysebesség.^[8]

Megjegyzések

1. Mint alapvető fizikai állandó, az értéke rögzített, így mérési bizonytalansága nulla, tehát végtelenül pontos. Ez azért fontos, mert más állandókat, vagy fizikai mennyiségeket vezetnek le belőle. Tulajdonképpen az érték rögzítésével a mérések során jelentkező, a méter pontatlanságából adódó eltéréseket küszöbölték ki, és mondták ki azt, hogy a méter ebből az állandóból és a másodpercből kerül meghatározásra (1983).^[1][2][3][4]