Ljusets hastighet

Wikipedia

Ljusets hastighet (betecknas c) är egentligen två olika hastigheter: 1) den högsta möjliga hastigheten enligt relativitetsteorin, en grundläggande egenskap hos rumtiden. 2) hastigheten för elektromagnetisk strålning, baseras på elektriska och magnetiska egenskaper hos ett medium. I vakuum är de lika stora.

Ljusets hastighet i vakuum är en fysikalisk konstant och är 299 792 458 m/s (exakt värde). Denna hastighet är oberoende av observatörens rörelse – två olika observatörer kommer alltid att uppmäta samma hastighet, oavsett hur de rör sig i förhållande till varandra. Anledningen till att siffran är exakt är att enheten meter är definierad genom ljusets hastighet och inte tvärtom. Som en mera åskådlig föreställning om ljushastighetens värde kan nämnas att ljuset kan gå jorden runt sju och en halv gång på en sekund. (Inget ljus kommer dock att gå runt Jorden, då Jordens gravitation inte är tillräckligt stark för att få ljus i omloppsbana.)

[redigera] Historia

Galileo Galilei lär vara den förste som beskrev ett experiment för att mäta ljusets hastighet. Detta skulle göras genom att två personer ställde sig på ett känt, långt, avstånd ifrån varandra. Den ene skulle tända en lykta och samtidigt starta en klocka. När den andre såg lyktans ljus skulle han tända sin lykta. När den första personen mottog detta ljus skulle han stoppa klockan och då skulle ljusets hastighet kunna räknas ut. Det finns ingen uppgift om att Galilei verkligen låtit göra experimentet. Och med dåtidens apparater skulle man inte ha kunnat särskilja ljusets fördröjning (mikrosekunder, vid kilometeravstånd) från observatörernas rektionstider (storleksordning sekund).

Den danske astronomen Ole Römer var den förste som 1676 lyckades mäta ljushastigheten med någorlunda god noggrannhet. Han studerade när en av Jupiters månar, Io, blev förmörkad bakom Jupiter. Man kände väl himlakropparnas banor och hastigheter så Römer kunde räkna ut hur länge månen borde vara bakom Jupiter, drygt 42 timmar. Han upptäckte att denna tid inte stämde med beräkningarna. Detta kan förklaras med att avståndet mellan Jupiter och Jorden ändrats under förmörkelsen. Därför kan tiden det tar för sista ljuset att nå Jorden före förmörkelsen och tiden för det första ljuset efter förmörkelsen att nå jorden vara olika vid olika observationstillfällen och man får inte korrekt tid. Detta beror på att jorden, i sin bana runt solen, rör sig mot, eller från, eller tvärs, riktningen från jorden till Jupiter. Ur ett större antal sådana observationer beräknade Römer ljushastigheten till ungefär 200 000 000 m/s.

Louis Fizeau försökte också mäta ljushastigheten. Han använde ett kugghjul som ljuset först måste passera för att sedan reflekteras mot ett berg på stort avstånd och sedan passera tillbaka genom kugghjulet. Ljuset kan endast passera kugghjulet mellan kuggkammarna. Genom att mäta med vilken hastighet kugghjulet måste rotera för att ljuset skulle kunna passera mellan två olika kuggluckor kunde han beräkna ljusets hastighet.

James Clerk Maxwell beskrev teorin för elektromagnetismen, beskrev en sorts strålning, elektromagnetisk strålning, som utbreder sig med en hastighet som följer ur mediets elektriska och magnetiska egenskaper c=1/√(με). Han visade att hastigheten var densamma som den tidigare uppmätta ljushastigheten. Alltså förstod man att ljus var elektromagnetisk strålning. Som formeln visar har ljuset lägre hastighet i andra medier än vakuum.

Under 1970-talet rapporterades flera experimentella värden på c till ungefär 29979245X m/s. Värdet på den sista siffran, X, liksom mätosäkerheten i värdena, var olika från de olika experimenten. I stället för att bilda ett bästa medelvärde för c, med specificerat osäkerhetsintervall, valde man 1983 att definiera c till exakt 299792458 m/s.

En meter, som tidigare var definierad med hjälp av en ljusvåglängd, blir nu definierad som den sträcka ljuset går i vakuum på exakt 1/299792458 sekund. De experimentella osäkerheterna från ljushastighetsmätningen blir genom den definitionen i stället osäkerhetsbidrag vid experimentella uppmätningar av längd; dvs för närvarande av storleksordningen 1 på 300000000 eller 3*10^-9.

Sedan år 2001 har tvivel väckts huruvida ljusets hastighet alltid har varit densamma. Mätningar på finstrukturkonstanten alfa på 12 miljarder år gammalt ljus visade att konstanten verkar ha ändrats något. Alfa beror på Plancks konstant, elektronens laddning samt ljusets hastighet, men de flesta fysiker tolkar en ändring hos konstanten som en ändring av ljusets hastighet.

Olika senare mätningar har gett olika resultat; vissa verkar styrka påståendet att ljusets hastighet (eller åtminstone Alfa) ändrats, medan andra mätt upp att värdet har varit konstant genom årmiljarderna.

Man har bland annat använt sig av studier av Okloreaktorn, en naturlig kärnreaktor i Gabon, Västafrika, som var "i drift" för 2 miljarder år sedan, och där man kan se ändringar av Alfa genom att mäta olika isotophalter.

[redigera] Aktuellt

• 2001 En kvasarstudie visar att Alfa var några hundratusendelar mindre för 12 miljarder år sedan.
• mars 2004 En kvasarstudie visar att ingen förändring av Alfa på mer än en miljondel har skett de senaste 10 miljarder åren.
• juni 2004 En studie med 15 signifikanta siffrors noggrannhet visar ingen ändring av konstanten under perioden 1999 till 2003.
• juni 2004 En analys av Okloreaktorn visar att Alfa ändrats med 45 miljarddelar de senaste 2 miljarder åren.

[redigera] Storleksordning

För att få en uppfattning om hur stor ljusets hastighet är, kan man betrakta hur lång tid det tar för ljuset att färdas olika sträckor. I tabellen visas några exempel.