Скоростта на светлината (означение c) е физична константа, която играе важна роля в много области на физиката. Светлината и всички други форми на електромагнитно излъчване винаги се разпространяват с тази скорост във вакуум, независимо от движението на инерциалната отправна система на наблюдателя. Стойността ѝ е равна на 299 792 458 m.s-1 или приблизително равна на 300 000 km/s.
В теорията на относителността c свързва времето и пространството. Фигурира също в прочутата формула за връзката между маса и енергия E = mc2, както и във формулите за увеличение на масата на движещите се тела в зависимост от скоростта им, в преводния коефициент между електромагнитната и електростатичната система единици и др. Тя е скоростта на всички безмасови частици и на съответните полета във вакуум. Текущи теории предсказват, че това е скоростта на гравитацията и на гравитационните вълни и че това е изобщо максималната скорост, с която могат да се пренасят материя, енергия и информация.
При разпространението си през прозрачни материали скоростта на светлината зависи от показателя на пречупването ѝ (n) в съответната среда, а следователно и от дължината на вълната, от което следва, че скоростта на светлината (електромагнитните вълни) v в среда, различна от вакуум, е по-ниска от c. Отношението между c и v се нарича показател на пречупване n на съответния материал (n = c / v). Например за светлината от видимата част на спектъра показателят на пречупване на стъклото е обикновено около 1,5; показателят на пречупване на въздуха е около 1,0003.
В повечето практически случаи може да се приеме, че светлината се движи мигновено, но за големи разстояния и чувствителни измервания крайната скорост на светлината оказва забележим ефект. При комуникация с отдалечени космически сонди например обменът на съобщения със Земята може да отнеме минути и часове. Светлината на звездите, която наблюдаваме, ги е напуснала преди много години и по този начин става възможно да се изучава историята на Вселената чрез наблюдение на отдалечени обекти. Крайната скорост на светлината ограничава и теоретичните максимални скорости на изчисление в компютрите, тъй като информацията трябва да премине от чип към чип. Скоростта на светлината може да се използва за точно определяне на големи разстояния с т.нар. time of flight експерименти.
Експерименталното определяне на точната стойност на c започва още през 1676 г., когато датският астроном Оле Рьомер доказва, че скоростта на светлината не е безкрайна, като наблюдава движението на Йо – луната на Юпитер.
През 1905 г. Алберт Айнщайн постулира, че скоростта на светлината във вакуум е независима от движението или от отправната система и изследвайки последиците от този постулат, извежда своята Специална теория на относителността. Същевременно Айнщайн демонстрира, че c има голямо значение и извън контекста на светлината и електромагнетизма. Затова нараства значението на определянето на точната ѝ стойност. След векове на все по-точни измервания през 1975 г. скоростта на светлината е измерена на 299 792 458 m.s-1 с относителна грешка 4 части на милиард (parts per billion). През 1983 г. се прави предефиниране на метъра в Международна система единици (SI) като той се определя като разстоянието, изминато от светлината във вакуум за 1/299 792 458 (една 299 792 458-а) част от стандартната секунда. В резултат на това числената стойност на c сега е обвързана точно с дефиницията на метъра.Брошура на BIPM
Означения Скоростта на светлината във вакуум се означава със c, от думата „константа“ ( – постоянна, неизменна) или от думата „бързина“ (). В началото бил използван символът V, въведен от Джеймс Кларк Максуел през 1865 г. През 1856 немските физици Вилхелм Вебер и Рудолф Колрауш използват означението c за константа, която по-късно се оказва, че е скоростта на светлината във вакуум, умножена по √2. През 1894 г. Пол Друде в работите си, обединяващи оптиката с електромагнитната теория на Максуел, дава на c съвременното му значение. В оригиналните си статии на немски от 1905 г. Алберт Айнщайн използва означението V, но през 1907 го заменя със c, което вече е стандартен символ.
Понякога c се използва за скоростта на вълните в материална среда, а c0 за скоростта на светлината във вакуум.Виж например:
Това означение с долен индекс е възприето в официалната литература на системата SI и наподобява означенията на други свързани константи: магнитната проницаемост във вакуум μ0 или магнитна константа, диелектричната проницаемост във вакуум ε0 или електрична константа, както и свързани с тях константи.
В раздели на физиката, в които c често се среща, като например СТО, скоростта на светлината във вакуум се полага за равна на единица (с = 1). Ползата от това е, че c не фигурира експлицитно и формулите се опростяват. Скоростта на физическите обекти се определя с:
, където .
Интересни факти Светлината на Слънцето достига до Земята за 8 минути, а автомобил би изминал това разстояние за 180 години, ако се движи със скорост 60 km/h.Енциклопедия „Космосът“ стр. 8 – 9 Светлината изминава един метър за 3,3 наносекунди Светлината изминава един километър за 3,3 микросекунди Светлината изминава разстоянието от геостационарната орбита до Земята за 0,12 секунди Светлината обикаля Земята по екватора за 0,13 секунди Светлината изминава разстоянието от Земята до Луната за 1,3 секунди Светлината изминава разстоянието от един парсек за 3,26 години Светлината изминава разстоянието от Алфа Кентавър до Земята за 4,4 години Светлината прекосява Млечния път за 100 000 години Светлината изминава разстоянието от галактиката Андромеда до Земята за 2 500 000 години.
Фундаментална роля във физиката Скоростта на разпространение на светлината във вакуум не зависи от движението на източника на светлина или движението на отправната система на наблюдателя.Честотата на светлината обаче може да зависи от относителното движение на източника спрямо наблюдателя поради Доплеровия ефект. Тази инвариантност е постулирана от Айнщайн през 1905 и се основава на уравненията на Максуел и на липсата на доказателство за съществуването на етер, English translation: която била потвърдена с множество експерименти.Експериментално е възможно да се докаже че само скоростта на светлината в две посоки (например от източник до огледало и обратно) е независима от отправната система, защото е невъзможно тя да се измери само в една посока (например само от източника до детектора) без някаква конвенция за синхронизиране на часовниците в двете различни точки. По дефиниция обаче (т.нар. синхронизация на Айнщайн) скоростта в една посока е равна на скоростта в две посоки. Специалната теория на относителността (СТО) изследва следствията от тази инвариантност на c като прави допускането, че физическите закони са еднакви във всички инерциални отправни системи. Едно от тези следствия е, че безмасовите частици и вълни имат също скорост c.
СТО има много следствия, които на пръв поглед противоречат на интуицията, но са доказани експериментално. Сред тях са уравнението за еквивалентност на маса и енергия , намаляването на дължината на движещи се обекти, както и релативистичното забавяне на времето (забавяне на часовника). Факторът γ, с който се скъсяват дължините и времето се забавя, се нарича фактор на Лоренц и се определя като
,
където v е скоростта на обекта. За скорости много по-малки от c разликата на γ от 1 е пренебрежимо малка, а такива се скоростите в ежедневието. В тези случаи СТО е много близка до класическата механика. С увеличаването на v и с приближаването му към c стойността му клони към безкрайност.
Резултатите от СТО могат да се приложат като пространството и времето се обединят и се разглеждат като единно пространство-време (като единиците за пространство и време се свързват чрез c) и се постави изискването физическите теории да съответствуват на принципа на симетрия, наречен Лоренцова ковариантност (), чиято математическа формулировка съдържа c като параметър. Лоренцовата ковариантност е почти универсално предположение при съвременните физически теории като квантовата електродинамика, квантовата хромодинамика, Стандартния модел на физиката на елементарните частици и общата теория на относителността. По този начин параметърът c се среща навсякъде в модерната физика, появявайки се включително там, където контекстът не е видимо свързан със светлината. Например общата теория на относителността предсказва, че c е също и скоростта на разпространение на гравитационното поле.
Разпространение в различни среди
Когато се разпространява в среда, различна от вакуум, скоростта на светлината е различна от c; освен това съществуват различни скорости на разпространение. Скоростта, с която се разпространяват върховете и падовете на една плоска вълна (изпълваща цялото пространство и характеризираща се с една-единствена честота) се нарича фазова скорост vp. Един реален физически сигнал като например импулс светлина се разпространява с различна скорост. Най-голямата част от импулса пътува с т.нар. групова скорост vg, а челната му част – с т.нар. фронтова скорост vf (виж илюстрацията на модулирана вълна, която се движи от ляво надясно).
При разпространението на светлината в материална среда и преминаването от една среда към друга от значение е фазовата скорост. Тя често се представя с помощта на показателя на пречупване, който по дефиниция е отношението на c към фазовата скорост vp в средата. По-големите стойности на показателя на пречупване са свързани с по-ниски скорости на разпространение. Показателят на пречупване зависи и от честотата (или дължината на вълната) на светлината, нейния интензитет, поляризация и посока на разпространение, но в повечето случаи може да се разглежда като константа, зависеща само от материала. Показателят на пречупване на въздуха е приблизително 1.0003. По-плътни среди като водата, стъклото, и диамантът, имат показатели на пречупване съответно 1.3, 1.5 и 2.4 за видимата светлина.
В прозрачните среди общо взето показателят на пречупване е винаги по-голям от 1, което означава фазови скорости винаги по-малки от c. В други материали е възможно за някои честоти показателят да стане по-малък от 1, а в някои екзотични материали дори да стане отрицателен. Съществува връзка между показателя на пречупване и показателя на поглъщане на светлината (които същевременно са реалната и имагинерната част на диелектричната константа), която се изразява със съотношението на Крамерс-Крониг. Практически това означава, че дори и да съществува материал с показател на пречупване по-малък от 1, поглъщането на вълната е толкова бързо, че не е възможно сигналът да се разпространява със скорост, по-голяма от c.
Светлинен импулс, при който груповата и фазовата скорост се различават (това се наблюдава, когато има различни честоти с различна фазова скорост) с времето се размива и този процес е известен като дисперсия. Съществуват материали с изключително ниска и дори нулева дисперсия за светлинните вълни и това е потвърдено експериментално. Обратното, групови скорости, надхвърлящи c, също е наблюдавано експериментално.
В нито един от тези случаи обаче не е възможно предаването на информация със скорост, надвишаваща c. Не е възможно да се предаде информация със светлинен импулс със скорост, по-голяма от фронтовата му скорост, а тя е винаги равна на c.
От друга страна, възможно е скоростта на движение на частица през дадена среда да надвиши фазовата скорост на светлината в тази среда (но все пак оставайки по-малка от c). Например когато заредена частица се движи през електрически изолатор (диелектрик), се наблюдава светене. Феноменът е известен като ефект на Черенков.Черенков П.А. Видимое свечение чистых жидкостей под действием g-радиации. – Доклады АН СССР, 1934, т. 2, № 8
Експерименти по измерване на скоростта на светлината