Tanyakan Ethan: Mengapa kecepatan cahaya apa itu?

Terlepas dari warna, panjang gelombang atau energi, kecepatan di mana cahaya bergerak dalam ruang hampa tetap konstan. Itu tidak tergantung pada lokasi atau arah dalam ruang dan waktu.

Tidak ada yang ada di Semesta yang mampu bergerak lebih cepat dari cahaya dalam ruang hampa. 299 792 458 meter per detik. Jika itu adalah partikel masif, ia hanya bisa mendekati kecepatan ini, tetapi tidak mencapainya; jika itu adalah partikel tanpa massa, ia harus selalu bergerak dengan kecepatan ini, jika itu terjadi di ruang kosong. Tetapi bagaimana kita mengetahui hal ini dan mengapa? Minggu ini, pembaca kami menanyakan tiga pertanyaan terkait kecepatan cahaya:

Mengapa kecepatan cahaya terbatas? Kenapa dia seperti itu? Kenapa tidak lebih cepat dan lebih lambat?

Hingga abad ke-19, kami bahkan tidak memiliki konfirmasi mengenai data ini.


Ilustrasi cahaya yang melewati prisma dan membaginya menjadi warna yang jelas.

Jika cahaya melewati air, prisma atau media lain, ia terbagi menjadi beberapa warna. Warna merah memantul bukan pada sudut di mana ia berwarna biru, itulah sebabnya sesuatu seperti pelangi muncul. Ini dapat diamati di luar spektrum yang terlihat; cahaya inframerah dan ultraviolet berperilaku sama. Ini hanya akan mungkin jika kecepatan cahaya dalam medium berbeda untuk cahaya dengan panjang gelombang / energi yang berbeda. Namun dalam ruang hampa, di luar medium apa pun, semua cahaya bergerak dengan kecepatan terbatas yang sama.


Pemisahan cahaya menjadi warna terjadi karena kecepatan cahaya yang berbeda, tergantung pada panjang gelombang, melalui medium

Mereka hanya menemukan ini di pertengahan abad ke-19, ketika fisikawan James Clerk Maxwell menunjukkan apa sebenarnya cahaya: gelombang elektromagnetik. Untuk pertama kalinya, Maxwell menempatkan fenomena independen dari elektrostatik (muatan statis), elektrodinamika (muatan dan arus bergerak), magnetostatik (medan magnet konstan) dan magnetodinamik (arus induksi dan medan magnet bolak-balik) pada satu platform tunggal. Persamaan yang mengaturnya - persamaan Maxwell - memungkinkan kita menghitung jawaban atas pertanyaan yang tampaknya sederhana: jenis medan listrik dan magnet apa yang bisa ada di ruang kosong di luar sumber listrik atau magnet? Tanpa tuduhan dan tanpa arus, akan mungkin untuk memutuskan tidak ada - tetapi persamaan Maxwell secara mengejutkan membuktikan sebaliknya.


Plat persamaan Maxwell di belakang monumennya

Tidak ada satu pun solusi yang mungkin; tetapi hal lain juga mungkin - medan listrik dan magnet yang saling tegak lurus berosilasi dalam satu fase. Mereka memiliki amplitudo tertentu. Energi mereka ditentukan oleh frekuensi osilasi lapangan. Mereka bergerak dengan kecepatan tertentu, ditentukan oleh dua konstanta: ε ₀ dan μ ₀ . Konstanta-konstanta ini menentukan besarnya interaksi listrik dan magnetik di alam semesta kita. Persamaan yang dihasilkan menggambarkan gelombang. Dan, seperti gelombang apa pun, ia memiliki kecepatan, 1 / √ε ₀ μ ₀ , yang ternyata sama dengan c, kecepatan cahaya dalam ruang hampa.


Medan listrik dan magnet yang saling tegak lurus berosilasi dalam satu fase, merambat dengan kecepatan cahaya, menentukan radiasi elektromagnetik

Dari sudut pandang teoritis, cahaya adalah radiasi elektromagnetik tanpa massa. Menurut hukum elektromagnetisme, ia harus bergerak dengan kecepatan 1 / √ ε ₀ μ ₀ , sama dengan c - terlepas dari sifat-sifat lainnya (energi, momentum, panjang gelombang). ε ₀ dapat diukur dengan membuat dan mengukur kapasitor; μ ₀ ditentukan dengan tepat dari ampere, satuan arus listrik, yang memberi kita c. Konstanta fundamental yang sama, pertama kali disimpulkan oleh Maxwell pada tahun 1865, telah muncul di banyak tempat lain:

• Ini adalah kecepatan partikel atau gelombang tanpa massa, termasuk gravitasi.
• Ini adalah konstanta fundamental yang menghubungkan gerakan Anda di ruang angkasa dengan gerakan Anda dalam waktu dalam teori relativitas.
• Dan ini adalah konstanta yang menghubungkan energi fundamental dengan massa lainnya, E = mc ²


Pengamatan Römer memberi kami pengukuran pertama dari kecepatan cahaya yang diperoleh dengan menggunakan geometri dan mengukur waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menempuh jarak yang sama dengan diameter orbit Bumi.

Pengukuran pertama dari kuantitas ini dilakukan selama pengamatan astronomi. Ketika bulan-bulan Jupiter masuk dan keluar ke posisi gerhana, mereka tampak atau tidak terlihat dari Bumi dalam urutan tertentu, tergantung pada kecepatan cahaya . Hal ini menyebabkan pengukuran kuantitatif pertama pada abad ke-17, yang ditentukan pada 2,2 × 10 ⁸ m / s. Deviasi bintang - karena pergerakan bintang dan Bumi tempat teleskop dipasang - juga dapat diperkirakan secara numerik. Pada 1729, metode pengukuran ini dengan menunjukkan nilai yang berbeda dari yang modern dengan hanya 1,4%. Pada tahun 1970-an, s ditemukan menjadi 299 792 458 m / s dengan kesalahan hanya 0,0000002%, sebagian besar berasal dari ketidakmampuan untuk secara akurat menentukan meter atau detik. Pada tahun 1983, meter kedua dan meter didefinisikan ulang melalui c dan sifat universal radiasi atom. Sekarang kecepatan cahaya tepat 299 792 458 m / s.


Transisi atom dari orbital 6S, 1f ₁ , menentukan meter, detik dan kecepatan cahaya

Jadi mengapa kecepatan cahaya tidak lebih dan tidak kurang? Penjelasannya sesederhana yang ditunjukkan pada gambar. Atom lebih tinggi. Transisi atom terjadi ketika mereka terjadi, karena sifat kuantum mendasar dari blok bangunan alam. Interaksi inti atom dengan medan listrik dan magnet yang diciptakan oleh elektron dan bagian lain dari atom mengarah pada fakta bahwa tingkat energi yang berbeda sangat dekat satu sama lain, tetapi masih sedikit berbeda: ini disebut pemisahan hyperfine . Secara khusus, frekuensi transisi dari struktur hyperfin cesium-133 memancarkan cahaya dari frekuensi yang sangat spesifik. Waktu yang dibutuhkan untuk 9.192.631.770 siklus seperti itu adalah yang kedua; jarak yang ditempuh cahaya selama waktu ini adalah 299 792 458 meter; kecepatan cahaya ini merambat menentukan s.


Foton ungu membawa energi jutaan kali lebih banyak daripada kuning. Teleskop gamma luar angkasa Fermi tidak menunjukkan adanya keterlambatan foton apa pun yang datang kepada kita dari semburan sinar gamma, yang menegaskan kekonstanan kecepatan cahaya untuk semua energi

Untuk mengubah definisi ini, perlu bahwa sesuatu yang secara fundamental berbeda dari sifatnya saat ini harus terjadi dengan transisi atom ini atau dengan cahaya yang berasal darinya. Contoh ini juga memberi kita pelajaran yang berharga: jika fisika atom dan transisi atom bekerja secara berbeda di masa lalu atau jarak jauh, ini akan menjadi bukti perubahan kecepatan cahaya dari waktu ke waktu. Sejauh ini, semua pengukuran kami hanya memberlakukan batasan tambahan pada kesegaran kecepatan cahaya, dan pembatasan ini sangat ketat: perubahan tidak melebihi 7% dari nilai saat ini selama 13,7 miliar tahun terakhir. Jika, untuk beberapa metrik ini, kecepatan cahaya tidak akan konstan, atau jika akan berbeda untuk berbagai jenis cahaya, ini akan mengarah pada revolusi ilmiah terbesar sejak Einstein. Sebagai gantinya, semua bukti berbicara mendukung Semesta, di mana semua hukum fisika selalu, di mana saja, di segala arah, setiap saat tetap sama, termasuk fisika cahaya itu sendiri. Dalam arti tertentu, ini juga informasi yang cukup revolusioner.

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].