Işık hızı

Bu davranış, bu örnekte gösterildiği gibi hareket hakkındaki genel fikirlerimizden farklıdır:

George tren raylarının (demiryolu) yanında yerde durmaktadır. Saatte 30 mil (48 km/saat) hızla bir tren geçmektedir. George trenin hareket ettiği yöne doğru 90 mil/saat (140 km/saat) hızla bir beyzbol topu fırlatır. Trendeki bir yolcu olan Tom'un elinde atış hızını ölçen bir cihaz (radar tabancası gibi) vardır. Tom trende olduğu için atış yönünde zaten 30 mil/saat (48 km/saat) hızla hareket etmektedir, bu nedenle Tom topun hızını sadece 60 mil/saat (97 km/saat) olarak ölçer.

Başka bir deyişle, Tom tarafından trende ölçülen beyzbol topunun hızı, trenin hızına bağlıdır.

Yukarıdaki örnekte, tren topun 1/3 hızında hareket ediyordu ve topun trende ölçülen hızı, yerde ölçülen atış hızının 2/3'ü kadardı.

Şimdi, beyzbol topu yerine ışık kullanarak deneyi tekrarlayın; yani George beyzbol topu atmak yerine bir el feneri kullansın. George ve Tom'un her ikisinin de ışık hızını ölçmek için aynı cihazları var (beyzbol örneğindeki radar tabancası yerine).

George tren raylarının yanında yerde durmaktadır. Bir tren ışık hızının 1/3'ü hızla geçmektedir. George trenin hareket ettiği yöne doğru bir ışık huzmesi gönderir. George ışık hızını saniyede 186,282 mil (saniyede 299,792 kilometre) olarak ölçer. Trendeki bir yolcu olan Tom, ışık demetinin hızını ölçer. Tom'un ölçtüğü hız nedir?

Sezgisel olarak, el fenerinden gelen ışığın trende ölçülen hızının, tıpkı beyzbol topunun hızının 2/3 olması gibi, yerde ölçülen hızın 2/3'ü olması gerektiği düşünülebilir. Ancak aslında trende ölçülen hız saniyede 124.188 mil (saniyede 199.861 kilometre) değil, tam değer olan saniyede 186.282 mildir (saniyede 299.792 kilometre).

Kulağa imkansız gibi geliyor, ama ölçülen şey bu. Bunun bir nedeni de ışığın enerji olması ve maddeden ya da beyzbol topu gibi katı cisimlerden çok farklı şekillerde hareket etmesidir.

Maxwell'in denklemleri ışığın hızını tahmin etti ve Michael Faraday'ın ışığın elektromanyetik bir dalga (enerjinin hareket ettiği bir yol) olduğu fikrini doğruladı. Bu denklemlerden ışık hızının, boş uzayın geçirgenliğinin karekökünün tersi olan ε₀ ve boş uzayın geçirgenliği olan μ₀ ile ilişkili olduğunu buluyoruz:

c = 1 ε 0 μ 0 . {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}\ . }

Bu gerçeğin bir sonucu da hiçbir şeyin ışık hızından daha hızlı gidemeyeceğidir. Bir başka sonuç da, kütlesi olan nesneler için, bir nesnenin hızını artırmak için ne kadar enerji kullanılırsa kullanılsın, giderek daha da yaklaşacağı, ancak asla ışık hızına ulaşamayacağıdır. Bu fikirler 1900'lerin başında Albert Einstein tarafından keşfedildi ve Einstein'ın çalışmaları ışık anlayışımızı tamamen değiştirdi.

Saydam bir malzemenin kırılma indisi, ışığın boşluktaki hızı ile o malzeme içindeki hızı arasındaki orandır.

Rømer

Ole Christensen Rømer, ışık hızının ilk niceliksel tahminini yapmak için astronomik bir ölçüm kullandı. Dünya'dan ölçüldüğünde, uzak bir gezegenin yörüngesindeki uyduların periyotları, Dünya gezegene yaklaşırken, Dünya'dan uzaklaşırken olduğundan daha kısadır. Işığın gezegenden (ya da uydusundan) Dünya'ya kat ettiği mesafe, Dünya yörüngesinde gezegenine en yakın noktadayken, Dünya yörüngesinde en uzak noktadayken olduğundan daha kısadır; aradaki mesafe farkı Dünya'nın Güneş etrafındaki yörüngesinin çapıdır. Ay'ın yörünge periyodunda gözlenen değişiklik aslında ışığın daha kısa ya da daha uzun mesafeyi kat etmesi için geçen süredeki farktır. Rømer bu etkiyi Jüpiter'in en içteki uydusu Io için gözlemlemiş ve ışığın Dünya'nın yörüngesinin çapını geçmesinin 22 dakika sürdüğü sonucuna varmıştır.

Bradley

Bir başka yöntem de 18. yüzyılda James Bradley tarafından keşfedilen ve açıklanan ışık sapmasını kullanmaktır. Bu etki, uzaktaki bir kaynaktan (örneğin bir yıldızdan) gelen ışığın hızı ile gözlemcinin hızının vektörel olarak toplanmasıyla ortaya çıkar (bkz. sağdaki diyagram). Hareket halindeki bir gözlemci böylece ışığın biraz farklı bir yönden geldiğini görür ve sonuç olarak kaynağı orijinal konumundan kaymış bir konumda görür. Dünya Güneş'in etrafında dönerken Dünya'nın hızının yönü sürekli değiştiğinden, bu etki yıldızların görünen konumlarının hareket etmesine neden olur. Yıldızların konumlarındaki açısal farktan yola çıkarak, ışık hızını Dünya'nın Güneş etrafındaki hızı cinsinden ifade etmek mümkündür. Bu, bir yılın bilinen uzunluğuyla birlikte, Güneş'ten Dünya'ya seyahat etmek için gereken süreye kolayca dönüştürülebilir. Bradley 1729'da bu yöntemi kullanarak ışığın yörüngesinde Dünya'dan 10.210 kat daha hızlı hareket ettiğini (modern rakam 10.066 kat daha hızlıdır) ya da eşdeğer olarak ışığın Güneş'ten Dünya'ya 8 dakika 12 saniyede ulaşacağını bulmuştur.

Modern

Günümüzde "birim mesafe için ışık zamanı" -c'nin tersi (1/c), astronomik birim başına saniye olarak ifade edilir- radyo sinyallerinin Güneş Sistemi'ndeki farklı uzay araçlarına ulaşma süreleri karşılaştırılarak ölçülmektedir. Uzay araçlarının konumu Güneş'in ve çeşitli gezegenlerin yerçekimi etkilerinden hesaplanır. Bu tür birçok ölçümün birleştirilmesiyle, birim mesafe başına ışık süresi için en uygun değer elde edilir. 2009^{[güncelleme]} itibariyle, Uluslararası Astronomi Birliği (IAU) tarafından onaylanan en iyi tahmin şöyledir:

birim mesafe için ışık süresi: 499.004783836(10) s

c = 0,00200398880410(4) AU/s

c = 173.144632674(3) AU/gün.

Bu ölçümlerdeki göreceli belirsizlik milyarda 0,02 parçadır (2×10⁻¹¹ ), bu da Dünya merkezli interferometri ile yapılan uzunluk ölçümlerindeki belirsizliğe eşdeğerdir. Metre, ışığın belirli bir zaman aralığında kat ettiği uzunluk olarak tanımlandığından, birim mesafe için ışık zamanının ölçülmesi, bir AU'nun uzunluğunun metre cinsinden ölçülmesi olarak da yorumlanabilir. Metre bir uygun uzunluk birimi olarak kabul edilirken, AU genellikle belirli bir referans çerçevesinde gözlemlenen uzunluk birimi olarak kullanılır.

Sonlu ışık hızı, uzun mesafeli uzay yolculuğu için önemli bir kısıtlamadır. Samanyolu'nun diğer tarafına bir yolculuk yapıldığını varsayarsak, bir mesajın ve cevabının toplam süresi yaklaşık 200.000 yıl olacaktır. Daha da ciddisi, hiçbir uzay aracı ışıktan daha hızlı seyahat edemez, bu nedenle galaktik ölçekteki tüm ulaşım etkili bir şekilde tek yönlü olacaktır ve herhangi bir modern uygarlığın var olduğundan çok daha uzun sürecektir.

Işık hızı çok kısa mesafelerde de endişe verici olabilir. Süper bilgisayarlarda ışık hızı, verilerin işlemciler arasında ne kadar hızlı gönderilebileceğine bir sınır getirir. Bir işlemci 1 gigahertz hızında çalışıyorsa, bir sinyal tek bir döngüde en fazla yaklaşık 30 santimetre (1 ft) yol alabilir. Bu nedenle iletişim gecikmelerini en aza indirmek için işlemcilerin birbirlerine yakın yerleştirilmesi gerekir; bu da soğutma konusunda zorluklara neden olabilir. Saat frekansları artmaya devam ederse, ışık hızı sonunda tek çiplerin iç tasarımı için sınırlayıcı bir faktör haline gelecektir.

• Michelson-Morley deneyi