Lumina (si toate celelalte forme de radiatie electromagnetica) calatoresc in vid cu o viteza de circa 300.000 km/s, iar in aer ceva mai incet. Viteza luminii in vid reprezinta o constanta universala, notata cu c , si, conform teoriei relativitatii, nimic nu poate fi mai rapid. Intr-o secunda o raza de lumina ar putea inconjura de peste 7 ori Pamantul pe la Ecuator, pe cand calatoria ei de la Soare la Pamant, pe o distanta de circa 150.000.000 km, dureaza cam 8 minute.
Viteza luminii in vid este la ora actuala determinata precis la valoarea de 299.792.458 m s-1 . Aceasta valoare este folosita la aflarea unor distante lungi prin masurarea timpului necesar unui puls de lumina sa ajunga intr-un loc si sa se intoarca. Reprezinta de asemenea baza anului lumina (distanta parcursa de lumina intr-un an), o unitate folosita la masurarea unor distante astronomice foarte mari. La o scara mai redusa, valoarea vitezei luminii permite o determinare foarte precisa a distantelor iar metrul este definit la ora actuala ca lungimea drumului parcurs de lumina intr-o fractiune de 1/299.792.458 dintr-o secunda.
Importanta progresului stiintific
Incercarile de masurare a vitezei luminii au avut un rol important in stabilirea unor teorii stiintifice din trei motive.
Sfarsitul Teoriei Corpusculare
Viteza luminii in aer si apa a fost pentru prima data masurata la mijlocul secolului XIX de catre fizicienii francezi Jean Foucault si Armand Fizeau. Acest lucru a dus la o respingere a teoriei corpusculare a luminii propusa de Isaac Newton. Newton sugerase ca un corp luminos emite un curent de particule care calatoresc in linie dreapta prin eter (un mediu despre care se credea la acea vreme ca ocupa intregul spatiu). Dar faptul ca lumina se deplasa mai incet in apa nu putea fi explicat decat prin teoria ondulatorie a luminii si nu prin cea stabilita de Newton.
Originea electromagnetica a luminii
La mijlocul secolului XIX James Clerk Maxwell a demonstrat teoretic ca undele electromagnetice calatoresc cu o viteza egala cu cea a luminii, ceea ce l-a condus la concluzia ca lumina este o parte a spectrului electromagnetic.
Rolul in relativitate
De mare importanta este poate rolul vitezei luminii in teoria relativitatii a lui Albert Einstein. Aceasta stabileste viteza luminii in vid ca cea mai mare viteza posibila in natura si spune ca viteza luminii fata de observatori diferiti este aceeasi. Viteza luminii, c, este o constanta absoluta - constanta universala in ecuatia stabilita de Einstein, E=mc2, care stabileste ca masa si energia sunt echivalente.
Paradoxul constantei vitezei luminii a creat o mare problema pentru fizica, problema pe care fizicianul american de origine germana, Albert Einstein, a rezolvat-o in cele din urma in 1905. Einstein sugera ca teoriile fizice nu ar trebui sa depinda de starea de miscare a observatorului. In schimb el spunea ca viteza luminii trebuia sa ramana constanta, si restul fizicii trebuia sa se schimbe pentru a respecta acest lucru. Aceasta teorie speciala a relativitatii a prezis multe consecinte fizice neasteptate, dintre care toate au fost de atunci observate in natura.
Masurarea vitezei luminii
Au existat numeroase incercari de masurare a vitezei luminii.
Metoda lui Galileo
In secolul XVI astronomul italian Galileo Galilei a realizat probabil prima incercare de masurare a vitezei luminii. Experienta lui Galilei consta in urmatoarele: doi observatori, asezati la o distanta mare unul de celalalt, au fiecare cate un felinar care poate fi obturat. Observatorul A deschide felinarul; dupa un anumit interval de timp lumina ajunge pana la observatorul B, care in acelasi moment deschide felinarul sau; dupa catava vreme acest semnal ajunge pana in A, care poate in felul acesta sa masoare timpul τ care s-a scurs din momentul trimiterii semnalului pana in momentul intoarcerii sale. Admitand ca observatorul reactioneaza la semnal instantaneu si ca lumina are aceeasi viteza de propagare dupa directiile AB si BA, obtinem ca drumul AB+BA=2D e strabatut de lumina in timpul τ, adica c=2D/ τ. Cea de-a doua ipoteza facuta poate fi considerata foarte verosimila. Teoria moderna a relativitatii o ridica chiar la rangul de principiu. Ipoteza legata de posibilitatea reactionarii instantanee la semnal nu corespunde insa realitatii si de aceea, data fiind viteza uriasa de propagare a luminii, incercarea lui Galilei nu a dus la nici un fel de rezultat; de fapt nu s-a masurat timpul de propagare a semnalului luminos, ci timpul cheltuit de observator pentru a putea reactiona. Situatia poate fi imbunatatita daca observatorul B se inlocuieste printr-o oglinda care reflecta lumina, inlaturandu-se astfel erorile introduse de unul din observatori. Acest principiu de masurare a ramas la baza aproape a tuturor metodelor moderne de laborator utilizate pentru determinarea vitezei luminii; ulterior insa, au fost gasite metode exceptionale pentru inregistrarea semnalelor si masurarea intervalelor de timp, ceea ce a permis determinarea vitezei luminii cu o precizie suficienta, chiar in cazul unor distante relativ mici.
Metoda lui Römer
Primele masuratori reusite ale vitezei luminii au fost de natura astronomica. In 1676 astronomul danez Ole (sau Olaus) Christensen Römer (1644-1710) a observat o intarziere a eclipsei unei luni a lui Jupiter cand aceasta era vazuta de pe partea indepartata a orbitei pamantului in comparatie cu observarea ei de pe partea apropiata. Presupunand ca intarzierea reprezenta timpul in care lumina parcurgea orbita pamantului si cunoscand cu aproximatie dimensiunea orbitei din unele observatii precedente, el a facut raportul distanta-timp pentru a estima viteza si a ajunge la rezultatul de 286.000 km×s-1, cu o eroare de circa 5% din valoarea cunoscuta in zilele noastre.
Fizicianul englez James Bradley a realizat o masuratoare mai buna in anul 1729. Bradley a descoperit ca era nevoie sa modifice permanent inclinatia telescopului sau pentru a putea capta lumina stelelor pe masura ce pamantul se rotea in jurul soarelui. A ajuns astfel la concluzia ca miscarea pamantului deplasa telescopul in lateral fata de lumina care cobora asupra acestuia. Unghiul de inclinatie, numit aberatie stelara, este aproximativ egal cu raportul dintre viteza orbitala a pamantului si viteza luminii. (Aceasta reprezinta si una dintre metodele prin care oamenii de stiinta au aflat ca pamantul se misca in jurul soarelui si nu vice versa.)
