rychlost světla

Rychlost světla ve volném prostoru (vakuu) je rychlost, kterou se šíří elektromagnetické vlny, včetně vln světla. Je známá jako c a je základní fyzikální konstantou. Rychlost světla ve volném prostoru hraje v moderní fyzice důležitou roli, protože c je mezní rychlostí šíření jakéhokoli fyzikálního děje (vizRELATIVITA, TEORIE) a je invariantní – tj. nemění se – při přechodu z jedné vztažné soustavy do druhé. Žádný signál nemůže být přenášen rychlostí větší než c a signály mohou být přenášeny rychlostí c pouze ve vakuu. Vztah mezi hmotností hmotného tělesa a celkovou energií tělesa se vyjadřuje veličinou c. Veličina c se vyskytuje v Lorentzových transformacích, které vyjadřují změny souřadnic, rychlostí a času při změně vztažné soustavy. Mnoho dalších vztahů také zahrnuje c.

Obrázek 1. Určení rychlosti světla metodou Fizeauova ozubeného kola: (S) zdroj světla, (W) ozubené kolo s proměnnou rychlostí otáčení, u kterého jsou přesně známy šířky zubů a mezer (a) mezi zuby, (N) poloprůhledné zrcadlo, (M) zrcadlo odrážející světlo, (MN)přesně změřená vzdálenost, (E) okulár. Světlo, které pozorovatel vidí v E, má největší jas, když se doba potřebná k tomu, aby světlo urazilo vzdálenost NM a zpět, rovná době potřebné k tomu, aby se W otočilo o ucelený počet (1, 2, 3 atd.) zubů. Je-li tato podmínka splněna, světelný paprsek prochází přesně uprostřed cesty mezi zuby jak na cestě k zrcadlu, tak na zpáteční cestě.

Veličina c′, rychlost světla v prostředí, se obecně vztahuje k rychlosti šíření právě optického záření neboli světla. Tato rychlost závisí na indexu lomu prostředí n, který je v důsledku jevu disperze různý pro různé frekvence ν záření: c′(v) = c/n(v). Kvůli této závislosti se fázová rychlost světla v prostředí liší od grupové rychlosti (pokud uvažujeme nemonochromatické světlo). Ve vakuu se tyto dvě veličiny rovnají. Při experimentálním určování c‘ se vždy měří skupinová rychlost nebo rychlost signálu (rychlost toku energie). Signální rychlost se od skupinové rychlosti liší pouze v některých speciálních případech.

Měření c s co největší přesností je nesmírně důležité nejen z obecně teoretických důvodů a pro určení hodnot jiných fyzikálních veličin, ale také pro praktické účely (viz dále). První měření rychlosti světla provedl v roce 1676 O. Roemer. Jeho metoda využívala změny času mezi zatměními Jupiterovy družice Io. Další astronomické určení provedl J. Bradley v roce 1728 na základě pozorování aberace světla hvězd.

První měření rychlosti světla na Zemi provedl A. H. L. Fizeau v roce 1849. Je třeba poznamenat, že index lomu vzduchu se jen velmi málo liší od 1; pozemská měření proto dávají hodnotu velmi blízkou c. Fizeau založil své měření na čase, který světlo potřebuje k překonání přesně známé vzdálenosti. V jeho experimentu byl světelný paprsek periodicky přerušován rotujícím ozubeným kolem. Paprsek urazil známou vzdálenost asi 8 km a po odrazu od zrcadla se vrátil na obvod kola (obr. 1). Zde světlo buď narazilo na zub a bylo zablokováno, nebo prošlo mezerou mezi dvěma zuby a bylo vnímáno pozorovatelem. Doba, kterou světlo potřebovalo k překonání známé vzdálenosti, byla určena ze známých rychlostí otáčení kola. Fizeau získal pro c hodnotu 315,300 km/s.

V roce 1838 navrhl D. Arago použít místo ozubeného kola rychle rotující zrcadlo. J. B. L. Foucault realizoval Aragův návrh v roce 1862 pomocí zrcadla rotujícího rychlostí 512 otáček za sekundu. Po odrazu od rotujícího zrcadla urazil světelný paprsek známou vzdálenost k pevnému konkávnímu zrcadlu, které paprsek vrátilo zpět k rotujícímu zrcadlu. Zatímco paprsek putoval od rotujícího zrcadla a k němu, toto zrcadlo se mírně otáčelo (obrázek 2). Na základě známé vzdálenosti pouhých 20 m Foucault zjistil, že rychlost světla je rovna 298 000 ± 500 km/s.

Základní myšlenky a experimentální konstrukce, z nichž Fi-zeauovo a Foucaultovo určení rychlosti světla vycházelo, byly následně použity v dokonalejší podobě dalšími vědci. Největšího rozvoje dosáhla Foucaultova metoda v pracích A. Michelsona (1879, 1902 a 1926). Hodnota, kterou Michelson získal v roce 1926, c – 299,796 ± 4 km/sec, byla v té době nejpřesnějším měřením a byla použita v mezinárodních tabulkách fyzikálních veličin.

Obrázek 2. Určení rychlosti světla metodou Foucaultova rotačního zrcadla: (S) zdroj světla, (R)rychle rotující zrcadlo, (C) pevné konkávní zrcadlo, jehož střed je shodný s osou rotace R (světlo odražené od C se tedy vždy vrací zpět k R), (M) poloprůhledné zrcadlo, (L)čočka, (E) okulár, (RC) přesně změřená vzdálenost. Jak světlo putuje po dráze RC a zpět, R se otáčí; poloha R, když světlo opět dorazí k R, je vyznačena lomenou čarou. Zpáteční dráha svazku paprsků přes L je rovněž vyznačena lomenými čarami. Odražený paprsek se sbíhá pomocí L do bodu S′ rychleji než do S, jak by tomu bylo v případě, kdyby R bylo nehybné. Rychlost světla se určuje měřením posunu SS′.

Kromě splnění úkolu určit rychlost světla sehrála měření provedená v 19. století mimořádně důležitou roli ve fyzice. Poskytla další potvrzení vlnové teorie světla (vizOPTIKA), která již byla dostatečně podložena jinými experimenty – například Foucault v roce 1850 porovnal rychlosti světla o stejné frekvenci ν ve vzduchu a ve vodě. Měření rovněž prokázala úzký vztah mezi optikou a teorií elektromagnetismu, neboť naměřená rychlost světla souhlasila s rychlostí elektromagnetického vlnění, která byla vypočtena z poměru elektromagnetických a elektrostatických jednotek elektrického náboje. Tento poměr byl změřen při experimentech W. Webera a F. Kohlrausche v roce 1856. Přesnější měření následně provedl J. C. Maxwell. Tento poměr byl jedním z východisek pro vytvoření Maxwellovy elektromagnetické teorie světla v letech 1864-1873.

Měření rychlosti světla také odhalilo hluboce zakořeněný rozpor v základních teoretických předpokladech tehdejší fyziky s ohledem na koncept univerzálního éteru. Měření poskytla důkazy pro vzájemně se vylučující hypotézy o chování éteru při pohybu hmotných těles v něm. Částečný odpor éteru našel oporu v analýze jevu aberace světla, kterou provedl anglický fyzik G. B. Airy v roce 1871, a ve Fizeauově experimentu z roku 1851, který v roce 1886 zopakovali Michelson a E. Morley. Pokusy Michelsona v roce 1881 a Michelsona a Morleyho v roce 1887 poskytly důkazy proti odporu éteru. Tento rozpor byl vyřešen až v roce 1905, kdy A. Einstein předložil svou speciální teorii relativity.

Při současných měřeních rychlosti světla se často používá modulační metoda, která je modernizací Fizeauovy metody. Ozubené kolo je nahrazeno například elek-trooptickým, difrakčním nebo interferenčním optickým modulátorem, který přerušuje nebo zeslabuje světelný paprsek (vizMODULACE SVĚTLA). Jako detektor záření se používá fotoelektrický článek nebo fotonásobič. Použití laseru jako zdroje světla, použití ultrazvukového modulátoru se stabilizovanou frekvencí a zlepšení přesnosti měření známé vzdálenosti umožnilo snížit chybu měření a vyústilo v hodnotu c = 299 792,5 ± 0,15 km/sec.

Kromě přímého měření rychlosti světla na základě času potřebného k uražení známé vzdálenosti se hojně využívají nepřímé metody, které poskytují ještě lepší přesnost. V roce 1958 britský fyzik K. Froome použil mikrovlnný interferometr ve volném prostoru a získal hodnotu c = 299 792,5 ± 0,1 km/sec pro záření o vlnové délce λ = 4 cm. Chyba je ještě menší, když se rychlost světla určí jako podíl nezávisle zjištěných hodnot λ a ν atomových nebo molekulových spektrálních čar. V roce 1972 americký vědec K. Evenson a spolupracovníci zjistili s přesností na 11 číslic frekvenci záření laseru CH4 pomocí cesiového frekvenčního standardu (viz Kvantové frekvenční standardy). Pomocí kryptonového frekvenčního standardu určili vlnovou délku záření (přibližně 3,39 mikrometru). Konečný výsledek, který získali, byl c = 299 792 456,2 ± 0,8 m/s. Od roku 1976 byla v souladu s rozhodnutím 12. valného shromáždění Mezinárodní vědecké radiokomunikační unie (nyní Mezinárodní radiokomunikační unie) z roku 1957 rychlost světla ve vakuu považována za 299 792 ± 0,4 km/s.

Znalost přesné hodnoty rychlosti světla má velký praktický význam, zejména při určování vzdáleností (na základě doby dráhy rádiových nebo světelných signálů) v radaru, optické detekci a dálkoměru a při určování vzdálenosti. Tato metoda určování vzdáleností se hojně využívá zejména v geodézii a v systémech sledování umělých družic Země; byla také použita k přesnému měření vzdálenosti mezi Zemí a Měsícem a k řešení řady dalších problémů.

.