lyshastigheten

Lyshastigheten i vakuum er en universalkonstant som vanligvis betegnes med symbolet c. Etter et vedtak av Generalkonferansen for vekt og mål i 1983 ble verdien til c fastsatt til 299 792 458 meter per sekund.

Definisjonen er basert på ekstremt nøyaktige eksperimentelle målinger. Denne verdien av lyshastigheten brukes også til å definere lengden på en meter: En meter er definert som den lengden lys beveger seg i vakuum i løpet av 1/299 792 458-dels sekund.

Lyshastigheten har en viktig rolle i fysikk. Ifølge Albert Einsteins relativitetsteori har lyshastigheten to spesielt viktige egenskaper:

1. Lyshastigheten i tomt rom er konstant og er dermed uavhengig av kilden til lyset og bevegelsen til den som måler lyset. Det betyr at to personer som måler lyshastigheten vil måle akkurat samme lyshastighet, selv om den ene personen står i ro mens den andre person beveger seg med høy fart.
2. Lyshastigheten c en øvre grense for den hastigheten som energi og materie kan forplante seg med.

Den konstante verdien til lysets hastighet har to viktige konsekvenser for hvordan tid og rom oppfører seg for svært høye hastigheter (relativistiske hastigheter). Disse to fenomenene kalles tidsdilatasjon og lengdekontraksjon.

I materielt stoff skiller man mellom lysets fasehastighet og gruppehastighet. Både fase- og gruppehastigheten til lys er vanligvis mindre enn c.

• Fasehastigheten er hastigheten til en bølge som har én enkelt frekvens. Fasehastigheten bestemmes av produktet av lysets bølgelengde og frekvens og er lik \(\frac{c}{n}\), hvor n er brytningsindeksen til stoffet.
• Gruppehastigheten defineres som hastigheten til en bølgepakke. En bølgepakke er en sum av bølger innenfor et smalt bånd av frekvenser. Gruppehastigheten er vanligvis lik hastigheten som energien i lysstrålen forplanter seg med.

Det finnes materialer der fasehastigheten kan være større enn c, det vil si at n < 1 for enkelte bølgelengder. Også gruppehastigheten kan være større enn c, men det kan bare skje dersom det samtidig er stor absorpsjon av lyset. I slike tilfeller vil ikke gruppehastigheten kunne tolkes som en energihastighet.

Hvis en partikkel med elektrisk ladning beveger seg raskere enn lyshastigheten i et stoff, vil det dannes en sjokkbølge, på samme måte som det dannes en sjokkbølge fra et fly som går fortere enn lyden. Dette fører til tsjerenkovstråling.

Signalhastigheten er hastigheten som energien i en lysbølge forplanter seg med. Denne hastigheten vil alltid være mindre enn eller lik c.

Informasjon kan overføres mellom to steder i form av energi. Et eksempel på dette er en elektrisk strøm som går i en ledning. Elektronene i ledningen bærer med seg energi som kan måles når elektronene når slutten av strømledningen.

På samme måte vil energien i en lysbølge kunne brukes til å overføre informasjon. Siden informasjon ikke kan overføres raskere enn lyshastigheten, begrenser det muligheten for fenomener som teleportering – det at et objekt flytter seg instantant fra et sted til et annet – siden informasjon da ville blitt overført raskere enn lyshastigheten.

Kvanteteleportering har derimot blitt eksperimentelt påvist i flere studier. Dette går ut på at informasjon om den kvantemekaniske tilstanden til et system overføres fra et sted til et annet sted ved sammenfiltring. Når en måling utføres på den kvantemekaniske tilstanden til en sammenfiltret tilstand, kollapser den kvantemekaniske bølgefunksjonen som beskriver systemet umiddelbart til en bestemt verdi.

Denne umiddelbare kollapsen betyr likevel ikke at informasjon overføres instantant. For at informasjonsoverføring skal finne sted via kvanteteleportering, må et signal sendes mellom de to stedene. Dette signalets hastighet er begrenset av lyshastigheten, noe som i praksis fører til at kvanteteleportering er i tråd med spesiell relativitetsteori.

Det ble i antikkens Hellas og i Romerriket diskutert om lys forplantet seg med en høy, endelig hastighet eller om lys kunne forplante seg fra et sted til et annet umiddelbart.

Den første eksperimentet som viste at lys ikke forplanter seg umiddelbart ble gjennomført av den danske astronomen Ole Rømer, som studerte bevegelsen til Jupiters måne Io i 1676.

En milepæl i eksperimentelle målinger av lyshastigheten ble nådd i 1887 av de amerikanske fysikerne Albert Michelson og Edward Morley. De ville undersøke om lysbølger forplantet seg igjennom et medium kalt eteren, på samme måte som vannbølger er avhengig av mediumet vann for å bre seg utover. Eksistensen til en slik eter var en vanlig antakelse i fysikk frem til Michelson og Morleys eksperiment. Dersom en slik eter eksisterte og omsluttet Jorden, ville man eksperimentelt kunne observere at lyshastigheten var annerledes for ulike retninger, sammenliknet med retningen til Jordens bevegelse igjennom eteren.

Målingene ble utført med et interferometer som består av en lyskilde og flere ulike speil. De eksperimentelle resultatene til Michelson og Morley viste at lyshastigheten alltid ble målt til samme verdi, uavhengig av den relative retningen mellom Jordens hastighet og lyshastigheten. Dette var et bevis for at en slik eter ikke eksisterer, og dessuten en sterk indikasjon på at Einstein's spesielle relativitetsteori er korrekt.

• lys
• energi
• relativitetsteori
• gruppehastighet
• fasehastighet
• lysets vitenskapshistorie