Fénysebesség

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

A vákuumbeli fénysebesség az egyik alapvető fizikai állandó, az elektromágneses hullámok terjedési sebessége. Pontos értéke 299 792 458 m/s minden vonatkoztatási rendszerben. Jele: c (a latin celeritas, „sebesség” szóból). Jelenlegi ismereteink szerint semmilyen hatás nem terjedhet gyorsabban a vákuumbeli fénysebességnél. Értékét 1975-ben rögzítették az SI-mértékegységrendszer számára. Alapvető természeti állandó; értékének nincs mérési bizonytalansága (ún. konvencionális valódi érték). Ezért a vonatkozó táblázatban az exact szó szerepel.

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:

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

ahol

$c_{0}$: a vákuumbeli,

$c$: a közegbeli fénysebesség.

Vákuumban a fény terjedési sebessége meghatározható a következő összefüggés alapján:

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

ahol

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

${\mu _{0}}$: 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 forgó tükrök használatával korrigálta mérését, azt az időt mérve, 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

Bay Zoltán javasolta 1965-ben, hogy a távolságegységet, a métert alapozzuk a pontosabban mérhető időegységre és a fénysebességre. Szakirodalmi kutatásokat végzett a fénysebesség állandóságával kapcsolatban. 1983-ban az Általános Súly- és Mértékügyi Konferencia Párizsban tartotta 17. ülését, ahol elfogadták az egységes rendszert, és a következő megállapodást fogalmazták meg:

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 2011-ben. A 26. Általános Súly- és Mértékügyi Konferencia értelmében a méter új meghatározást kapott, amely így hangzik: a méter az az úthossz, amelyet vákuumban a fény 1/299 792 458 másodperc alatt megtesz; a méter meghatározása következésképp a fénysebességen alapul. Ehhez meg kellett határozni a másodpercet is, amely a cézium atomóra frekvenciájának ismeretében határozható meg.

További információk

• Hraskó Gábor, Hraskó Péter: Fénysebesség-váltás?, Természet Világa, 2003. február, 59-63. old.
• Szász Ágota–Néda Zoltán: Hálózati ping-pong – avagy a fény sebességének számítógépes mérése, Fizikai Szemle, 2007/4. 132. o.
• Fénysebesség mérése különféle anyagokban ifj. Zátonyi Sándor: Mérések lézeres távmérővel című írása a FizKapu honlapon (Word dokumentum).