Rýchlosť svetla vo vákuu alebo skrátene rýchlosť svetla (značka c alebo c0, z latinského celerita = „rýchlosť”) je fyzikálna konštanta, hodnota ktorej bola určená na 299 792 458 metrov za sekundu (299 792,458 km/s; /h). Rýchlosť svetla v inom prostredí ako vo vákuu je vždy nižšia ako rýchlosť svetla vo vákuu.
Rýchlosť svetla vo vákuu nie je určená meraním, ale definíciou, nakoľko samotná jednotka meter je definovaná z pohľadu rýchlosti svetla a sekundy. Rýchlosť svetla 300 000 km/s
Prehľad Podľa štandardnej fyzikálnej teórie sa elektromagnetické žiarenie vrátane viditeľného svetla šíri (pohybuje) vo vákuu konštantnou rýchlosťou. Táto fyzikálna konštanta sa označuje písmenom c. Vo všeobecnej teórii relativity je rýchlosť c tiež rýchlosťou šírenia sa gravitácie.
Elektromagnetické zákony (Maxwellove rovnice) hovoria, že rýchlosť elektromagnetického žiarenia c nezávisí od rýchlosti objektu vyžarujúceho žiarenie; preto sa svetlo vyžarované z rýchlo pohybujúceho sa zdroja, šíri takou istou rýchlosťou ako svetlo vyžarované zo statického zdroja, hoci sa na základe relativistického Dopplerovho javu farba, frekvencia, energia a hybnosť svetla zmení. Ak sa skombinuje pozorovanie s princípom relativity, všetci pozorovatelia namerajú rovnakú rýchlosť svetla vo vákuu, nezávislo od vzťažnej sústavy pozorovateľa alebo rýchlosti objektu vyžarujúceho svetlo. Preto sa na c možno pozerať ako na fyzikálnu konštantu a táto skutočnosť je základom špeciálnej teórie relativity. Konštanta c, nie samotná rýchlosť svetla, je základom špeciálnej relativity, preto, ak je svetlo nejako upravené, aby sa šírilo rýchlosťou nižšou ako c, tak to neovplyvní špeciálnu teóriu relativity.
Pozorovatelia cestujúci vysokými rýchlosťami zistia, že vzdialenosť a čas sa zdeformovali („dilatovali“) v súlade s Lorentzovými transformáciami, no transformácie deformujú vzdialenosť a čas takým spôsobom, že rýchlosť svetla zostáva konštantná. Osoba cestujúca rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla by videla, že farba svetla prichádzajúceho spredu by bola s modrým posunom a farba svetla prichádzajúceho zozadu s červeným posunom.
Ak by sa informácia mohla šíriť rýchlejšie, ako c v jednej vzťažnej sústave, tak by sa porušila kauzalita: v nejakých iných vzťažných sústavách by bola informácia doručená skôr, ako bola vyslaná, "príčina" by bola pozorovaná po "následku". Kvôli dilatácii času špeciálnej relativity sa pomer medzi časom vnímaným vonkajším pozorovateľom a časom vnímaným pozorovateľom pohybujúcim sa bližšie a bližšie rýchlosti svetla blíži k nule. Ak by sa niečo mohlo pohybovať rýchlejšie ako svetlo, tak by nebol tento pomer reálnym číslom. Takéto porušenie kauzality nebolo nikdy pozorované.
thumb|right| Svetelný kužeľ definuje miesta, ktoré sú resp. nie sú v kauzálnom kontakte.
Inými slovami, informácia sa šíri do a z bodov z oblastí definovanými svetelným kužeľom. Interval AB na diagrame vpravo je „časový“. To znamená, že tu máme sústavu súradníc, v ktorej udalosť A a udalosť B nastávajú na rovnakom mieste v priestore a líšia sa iba v čase. Ak A predchádza B v tejto sústave súradníc, potom A predchádza B vo všetkých sústavách súradníc. Hypoteticky je možné premiestňovanie hmoty (alebo informácie) z A do B a môže tu nastávať príčinný vzťah (kde A je príčina a B je následok).
Interval AC v diagrame je „priestorový“. To znamená, že tu máme sústavu súradníc, v ktorej sa udalosť A a udalosť C udiali súčasne, oddelené iba priestorom. Hoci tu existujú súradnicové systémy, v ktorých A predchádza C (ako je to vyznačené) a súradnicové systémy, kde C predchádza A, okrem cestovania nadsvetelnou rýchlosťou nie je možné pre žiadne teleso (ani informáciu) cestovať z A do C alebo z C do A. Preto tu nemôže existovať žiadna príčinná súvislosť medzi A a C.
Podľa definície, prijatej v roku 1983, je rýchlosť svetla presne 299 792 458 metrov za sekundu (približne 3 × 108 metrov za sekundu alebo 30 centimetrov za nanosekundu). Hodnota definuje permitivitu vákua () v jednotkách SI ako:
permeabilita vákua () nezávisí od a v SI jednotkách je definovaná ako: .
Tieto konštanty sa objavujú v Maxwellových rovniciach, ktoré popisujú elektromagnetizmus:
Astronomické vzdialenosti sú niekedy (najmä v popularičných textoch) udávané v svetelných rokoch. Svetelný rok je vzdialenosť, ktorú prejde svetlo za jeden rok, t. j. približne 9,46 × 1012 kilometrov.
Komunikácia Rýchlosť svetla je dôležitá v komunikácii. Napríklad pre rovníkový obvod Zeme () a je teoreticky najkratšou dobou na prenesenie informácie na druhú stranu Zeme 0,067 sekundy (ak by sme vedeli komunikovať pomocou neutrín, tento čas by sa skrátil takmer 4 krát).
Skutočný čas prenosu však trvá dlhšie. Sčasti je to spôsobené tým, že sa svetlo v optickom vlákne šíri asi o 30 % pomalšie a kvôli zdržaniam v sieťových prepínačoch a opakovačoch. Typický čas odozvy (ping) počítača medzi Austráliou a USA je v súčasnosti asi 0,18 sekundy. Návrh bezdrôtovej komunikácie ovplyvňuje rýchlosť svetla.
náhľad|Animácia pohybu svetla zo Zeme na Mesiac
Konečná rýchlosť svetla bola zreteľná pri komunikácii pozemného centra Houston a Neila Armstronga, keď sa stal prvým človekom na Mesiaci: Na každú odpoveď musel Houston čakať takmer 3 sekundy, aj keď astronauti odpovedali okamžite.
Podobne je nemožné okamžité diaľkové ovládanie medziplanetárnej kozmickej lode. Než si pozemná kontrola uvedomí problém a vesmírna loď prijme signál z pozemného centra, môže to trvať aj niekoľko hodín.
Rýchlosť svetla sa môže prejaviť aj pri malých vzdialenostiach. V superpočítačoch obmedzuje rýchlosť svetla posielanie dát medzi procesormi. Ak pracuje procesor s frekvenciou 1 GHz signál sa počas jedného cyklu dostane do vzdialenosti . Preto musia byť procesory na obmedzenie latencie umiestnené tesne vedľa seba. Ak budú procesory pracovať na vyšších frekvenciách, rýchlosť svetla sa stane obmedzujúcim faktorom aj pri návrhu samotného procesora.
Fyzika Rovnaká rýchlosť zo všetkých vzťažných sústav Je dôležité si uvedomiť, že rýchlosť svetla nie je „rýchlostným obmedzením“ v tradičnom vnímaní. Pozorovateľ prenasledujúci svetelný lúč nameria rovnakú rýchlosť vzďaľovania sa od neho ako pozorovateľ v pokoji. To vedie k neobyčajným dôsledkom pre rýchlosti.
Mnohí sú zvyknutí, že rýchlosti sa sčítavajú: ak idú dve autá proti sebe, každé z nich idúce rýchlosťou 50 km/h, očakáva sa, že každé z áut bude vnímať to druhé približujúce sa celkovou rýchlosťou 50 + 50 = /h.
Ale pri rýchlostiach približujúcich sa rýchlosti svetla sa z výsledkov experimentov stalo jasné, že toto pravidlo neplatí. Dve vesmírne lode letiace proti sebe, obe letiace relatívnou rýchlosťou 90 % rýchlosti svetla z hľadiska pre nich nezávislého tretieho pozorovateľa medzi nimi, nevnímajú približovanie rýchlosťou 90 % + 90 % = 180 % rýchlosti svetla; namiesto toho vnímajú vzájomné približovanie pri rýchlosti mierne nižšej ako je 99,5 % rýchlosti svetla.
Výsledok je daný Einsteinovým vzorcom sčítania rýchlostí:
kde v a w sú rýchlosti pozorované tretím pozorovateľom, a u je rýchlosť vzájomného sa približovania, ktorú vnímajú oproti sebe letiace vesmírne lode.
V protiklade so všeobecnou intuíciou, nezávisle od relatívnej rýchlosti, ktorou sa jeden pozorovateľ približuje k inému, obaja namerajú rýchlosť prichádzajúceho svetla ako konštantnú hodnotu rovnajúcu sa rýchlosti svetla.
Rovnica uvedená vyššie je odvodená Albertom Einsteinom z jeho špeciálnej teórie relativity, ktorá vychádza z princípu relativity. Tento princíp (pôvodne navrhnutý Galileim) vyžaduje rovnaké správanie sa fyzikálnych zákonov vo všetkých vzťažných sústavách. Rýchlosť svetla priamo daná Maxwellovými rovnicami musí byť rovnaká pre každého pozorovateľa – dôsledok znejúci fyzikom 19. storočia zjavne ako nesprávny. Tí sa domnievali, že rýchlosť daná Maxwellovou teóriou je platná relatívne k svetlonosnému éteru. Michelsonov-Morleyho experiment, pravdepodobne najznámejší a najužitočnejší neúspešný experiment v histórii fyziky, nenašiel tento éter. Namiesto toho ukazoval, že rýchlosť svetla je konštantná vo všetkých vzťažných sústavách.
Hoci nie je isté, či Einstein poznal výsledky Michelson-Morleyho experimentu, bral konštantnú rýchlosť svetla za fakt, chápuc to ako znovupotvrdenie Galileiho princípu relativity. Odvodil dôsledky dnes známe ako špeciálna teória relativity, ktoré obsahujú vyššie uvedený, intuícii odporujúci, vzorec sčítania rýchlostí.
Vzájomné pôsobenie s priehľadnými materiálmi
Svetlo je pri prechádzaní materiálov spomaľované na rýchlosť menšiu ako c v pomere daným indexom lomu materiálu. Rýchlosť svetla vo vzduchu je iba o málo menšia ako c. Hustejšie média, ako napríklad voda a sklo, môžu spomaliť svetlo oveľa viac – na hodnoty 3/4 a 2/3 c. Toto spomaľovanie svetla je zodpovedné aj za vychýlenie svetla na styčnej ploche dvoch prostredí s rôznymi indexmi lomu. Tento jav sa nazýva lom svetla alebo refrakcia.
Keďže rýchlosť svetla v materiáli závisí od indexu lomu a ten závisí od frekvencie svetla, svetlo rôznych frekvencií prechádza v tom istom materiáli rôznymi rýchlosťami. To môže spôsobiť deformáciu elektromagnetických vĺn pozostávajúcich z rôznych frekvencií, čo sa nazýva disperzia alebo rozptýlenie svetla.
Všimnite si, že zmieňovaná rýchlosť svetla je pozorovaná alebo meraná rýchlosť v nejakom médiu a nie skutočná rýchlosť svetla (ako je pozorovaná vo vákuu). V mikroskopickom meradle, predpokladajúc, že sa elektromagnetické žiarenie správa ako častice (časticovo-vlnový dualizmus), je lom svetla spôsobený opakovaným pohlcovaním a následným vysielaním fotónov, z ktorých sa skladá svetlo, atómami alebo molekulami cez ktoré prechádza. V určitom zmysle sa svetlo šíri iba cez vákuum medzi týmito atómami. Proces pohlcovania a následného vysielania trvá istý čas, preto sa vytvára dojem, že sa svetlo zdržalo (t. j. stratilo rýchlosť) medzi vstupom a výstupom z média. Svetlo sa po opustení média šíri opäť svojou pôvodnou rýchlosťou bez získania dodatočnej energie. To môže znamenať iba jediné – rýchlosť svetla sa nikdy nezmenila. Alebo inak, predpokladajúc, že sa elektromagnetické žiarenie správa ako vlna, narážanie do atómov (hlavne elektrónov) interferuje s elektrickými a magnetickými poľami žiarenia, spôsobuje spomalenie jeho šírenia.
„Rýchlejšie-ako-svetlo“ pozorovania a experimenty Experimentálne dôkazy vykonané v poslednej dobe ukazujú, že skupinová rýchlosť svetla môže prekročiť c. V jednom experimente bola dosiahnutá skupinová rýchlosť laserových lúčov na extrémne krátkej vzdialenosti cez atómy cézia 300-krát c. Táto technika ale nemôže byť použitá na prenos informácií rýchlosťou vyššou ako c: rýchlosť prenosu informácie závisí od prednej rýchlosti (rýchlosti, pri ktorej sa prvý nadnulový pulz pohne dopredu) a súčin skupinovej a prednej rýchlosti je rovný druhej mocnine normálnej rýchlosti svetla v materiáli.
Prekonanie skupinovej rýchlosti svetla týmto spôsobom je porovnateľné s prekonaním rýchlosti zvuku usporiadaním ľudí do dlhého radu s veľkými odstupmi. Ich úlohou by bolo zakričať „Som tu!“ jeden po druhom v krátkych intervaloch meraných hodinkami s tým, že nemusia čakať, pokiaľ budú počuť prechádzajúcu osobu.
Pri niektorých ďalších experimentoch súvisiacich s nestálymi vlnami ako napr. tunelovanie sa môže zdať, že je prekonaná rýchlosť svetla. Experimenty naznačujú, že fázová rýchlosť nestálych vĺn môže prekonať c; ale aj v tomto prípade skupinová a predná rýchlosť neprekoná c, takže opäť nie je možné preniesť informáciu rýchlejšie ako c.