Velocitat de la llum

Archiu:Lasertests.jpg

Un fes de làser en l'aire viajant a prop del 99.97 % de la rapidea de la llum en el buit (el índex de refracció de l'aire és al voltant d'1.0003)

La velocitat de la llum en el buit és una constant universal que utilisant les unitats internacionals té el valor de 299 792 458 metros per segon, encara que sol aproximar-se a m/s, en llenguage comú 300 000 quilómetros per segon. Se simbolisa en la lletra $c$, provinent del llatí celéritās (en espanyol, ‘celeritat’ o ‘rapidea’).

El valor de la velocitat de la llum en el buit va ser inclós oficialment en el Sistema Internacional d'Unitats com a constant el 21 d'octubre de 1983, passant aixina el metro a ser una unitat derivada d'esta constant. També s'ampra en la definició del any llum, unitat de llongitut equivalent a  m, ya que la velocitat de la llum també es pot expressar com  m/any.

La rapidea a través d'un mig que no siga el «buit» depén del seu permitividad elèctrica, de la seua permeabilidad magnètica, i atres característiques electromagnètiques. En mijos materials, esta velocitat és inferior a $c$ i queda codificada en el índex de refracció. En modificacions del buit més sotils, com a espais curvos, efecte Casimir, poblacions tèrmiques o presència de camps externs, la velocitat de la llum depén de la densitat d'energia d'eixe buit.

Descripció

D'acort en la física moderna tota radiació electromagnètica (inclosa la llum visible) es propaga o mou en una rapidea constant en el buit, coneguda —encara que impròpiament—^{cita requerida} com a «velocitat de la llum» (magnitut vectorial), en lloc de «rapidea de la llum» (magnitut escalar). Esta és una constant física denotada com a c. La rapidea c és també la rapidea de la propagació de la gravetat en la teoria general de la relativitat.

Una conseqüència que s'obté a partir de les lleis del electromagnetisme (tals com les equacions de Maxwell) és que la rapidea c de la radiació electromagnètica no depén de la rapidea de l'objecte que emet tal radiació. Aixina, per eixemple, la llum emesa per una font de llum que es mou molt ràpidament, viajaria en la mateixa rapidea que la llum provinent d'una font estacionaria (encara que el color, la freqüència, la energia i el momentum de la llum canviaran; fenomen que es coneix com efecte Doppler).

Si es combina esta observació en el principi de relativitat, es conclou que tots els observadors mediran la rapidea de la llum en el buit com una mateixa cantitat, sense importar el marc de referència de l'observador o la rapidea de l'objecte que emet la llum. Per açò, es pot vore c com una constant física fonamental. Este fet, llavors, pot ser usat com a base en la teoria de la relativitat especial. La constant és la rapidea c, en lloc de la llum en sí mateixa, la qual cosa és fonamental per a la relativitat especial. D'esta manera, si la llum és d'alguna manera retardada per a viajar a una rapidea menor de c, açò no afectarà directament a la teoria de la relativitat especial.

Observadors que viagen en gran rapidea trobaran que les distàncies i els temps es distorsionen d'acort en la transformació de Lorentz. No obstant, les transformacions distorsionen temps i distàncies de manera que la rapidea de la llum permaneix constant. Una persona viajant en una rapidea propenca a c també trobarà que els colors de la llum al front es tornen blaus i arrere es tornen rojos.

Si l'informació poguera viajar més ràpit que c en un marc de referència, la causalitat seria violada: en atres marcs de referència, l'informació seria rebuda abans de ser manada; aixina, la causa podria ser observada despuix de l'efecte. Per la dilatació del temps de la relativitat especial, el cocient del temps percebut entre un observador extern i el temps percebut per un observador que es mou cada volta més prop de la rapidea de la llum s'aproxima a zero. Si alguna cosa poguera moure's més ràpidament que la llum, este cocient no seria un número real. Tal violació de la causalitat mai s'ha observat.

Archiu:Cono de luz.png

Con de llum. Diagrama espai-temps, que permet dilucidar la possible causalitat entre el succés A i el succés B (possible causalitat) i entre el succés A i el succés C (causalitat impossible)

Un con de llum definix l'ubicació que està en contacte causal i aquelles que no ho estan. Per a expondre-ho d'un atre modo, l'informació es propaga d'i cap a un punt de regions definides per un con de llum. El interval AB en el diagrama a la dreta és de «tipo temps» (és dir, hi ha un marc de referència en el que els acontenyiments A i B ocorren en la mateixa ubicació en l'espai, separats solament per la seua ocurrència en temps diferents, i si A precedix a B en eixe marc llavors A precedix a B en tots els marcs: no hi ha marc de referència en el qual l'event A i l'event B ocorren simultàneament). D'esta manera, és hipotèticament possible per a la matèria (o l'informació) viajar de cap a B, aixina que pot haver una relació causal (en A la causa i B l'efecte).

Per una atra part, l'interval AC és de «tipo espai»^{cita requerida} (és dir, existix un marc de referència a on l'event A i l'event C ocorren simultàneament). No obstant, també existixen marcs en els que A precedix a C, o en els que C precedix a A. Confinant una manera de viajar més ràpit que la llum, no serà possible per a cap matèria (o informació) viajar de cap a C o de C cap a A. D'esta manera no hi ha conexió causal entre A i C.

En acort en la definició actual, adoptada en 1983, la rapidea de la llum és exactament 299 792 458 m/s (aproximadament 3 × 10⁸ metros per segon, 300 000 km/s o 300 m per millonèsima de s).

El valor de c definix la permitividad elèctrica del buit (${\epsilon }_0$) en unitats del SIU com:

${\epsilon }_0=10^7/4\pi {\text{c}}^2\mathrm{(}\mathrm{e}\mathrm{n}{\mathrm{A}}^{\mathrm{2}}{\mathrm{s}}^{\mathrm{4}}\mathrm{k}{\mathrm{g}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}{\mathrm{m}}^{\mathrm{-}\mathrm{3}}\mathrm{=}\mathrm{F}{\mathrm{m}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}\mathrm{)}$

La permeabilidad magnètica del buit (${\mu }_0$) no és depenent de c i és definida en unitats del SIU com:

${\mu }_0=4\pi 10^{-7}\mathrm{(}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{k}\mathrm{g}\mathrm{m}{\mathrm{s}}^{\mathrm{-}\mathrm{2}}{\mathrm{A}}^{\mathrm{-}\mathrm{2}}\mathrm{=}\mathrm{N}{\mathrm{A}}^{\mathrm{-}\mathrm{2}}\mathrm{)}$.

Estes constants apareixen en les equacions de Maxwell, que descriuen el electromagnetisme i estan relacionades per:

$\text{c}=\frac{1}{\sqrt{{\epsilon }_0{\mu }_0}}$

Les distàncies astronòmiques són normalment medides en anys llum (que és la distància que recorre la llum en un any, aproximadament 9.46 × 10¹² km (9.46 billons de km).

Definició del metro

Artícul principal → Metro.

Històricament, el metro havia segut definit com la diezmillonésima part de la llongitut de l'arc de meridiano terrestre comprés entre el pol nort i l'equador a través de París, en referència a la barra estàndar, i en referència a una llongitut d'ona d'una freqüència particular de la llum.

En 1967 la XIII Conferència General de Pesos i Mides va definir el segon del temps atòmic com la duració de 9 192 631 770  periodos de radiació corresponent a la transició entre dos nivells hiperfinos del estat fonamental del àtom cesi-133, que en l'actualitat seguix sent la definició del segon.

En 1983 la Conferència General de Pesos i Mides va resoldre modificar la definició del metro com a unitat de llongitut del Sistema Internacional, establint la seua definició a partir de la velocitat de la llum:

En conseqüència, este reajustament efectuat en la definició del metro permet que la velocitat de la llum tinga un valor exacte de 299 792 458 m/s quan s'expressa en metros/segon. Esta modificació aprofita de forma pràctica una de les bases de la teoria de la relativitat d'Einstein, que establix que la magnitut de la velocitat de la llum en el buit és independent del sistema de referència utilisat per a medir-la.

La motivació en el canvi de la definició del metro, aixina com tots els canvis en la definició d'unitats, va ser proveir una definició precisa de l'unitat que poguera ser fàcilment usada per a calibrar homogéneamente dispositius en tot lo món. La agrane estàndar no era pràctica en este sentit, ya que no podia ser treta de la seua cambra o utilisada per dos científics al mateix temps. També era propensa a canvis significatius en la seua llongitut per variacions de temperatura, desgast dels extrems, oxidació, etc., incompatible en l'exactitut necessària per a establir una de les unitats bàsiques del Sistema Internacional d'unitats.