Usuari:Habicht/proves/Velocitat de la llum
La velocitat de la llum en el buit, comunament representada amb la lletra c, és una constant física universal important en molts camps de la física. El seu valor és d'exactament 299.792.458 metres per segon, un valor exacte perquè la longitud del metre es defineix a partir d'aquesta constant i la definició estàndard internacional de segon.[1] D'acord amb la relativitat especial, c és la velocitat màxima a la qual pot viatjar tota l'energia, la matèria i la informació de l'univers. És la velocitat a la qual totes les partícules sense massa i els seus camps associats (inclosa la radiació electromagnètica, com la llum) viatgen en el buit. És també la velocitat de la gravetat (és a dir, de les ones gravitatòries) predita per les teories actuals. Aquestes partícules i ones viatgen a c, independentment del moviment de la font o el sistema de referència inercial de l'observador. En la teoria de la relativitat, c interrelaciona l'espai i el temps, i també apareix en la famosa equació d'equivalència massa-energia, E = mc2.[2]
La velocitat a la qual la llum es propaga a través de materials transparents, com el vidre o l'aire, és menor que c. La relació entre c i la velocitat v a la qual viatja la llum a través d'un material s'anomena l'índex de refracció n del material (n = c / v). Per exemple, l'índex de refracció del vidre per la llum visible és típicament d'aproximadament 1,5, cosa que significa que la llum en el vidre viatja a c / 1,5 ≈ 200.000 km/s; l'índex de refracció de l'aire per la llum visible és de 1,000293, de manera que la velocitat de la llum en l'aire és de 299.705 km/s (prop de 88 km/s més lenta que c).
En alguns casos, es pot considerar, de manera aproximada, que la llum i altres ones electromagnètiques es mouen "instantàniament", però per a llargues distàncies i mesures molt sensibles a la seva velocitat finita té efectes perceptibles. Per exemple, en la comunicació amb sondes espacials llunyanes, un missatge pot trigar diversos minuts i fins i tot hores a anar des de la Terra fins a la sonda. La llum de les estrelles que veiem les va deixar fa molts anys, cosa que permet estudiar la història de l'univers mitjançant l'observació d'objectes distants. La velocitat finita de la llum també limita la velocitat màxima teòrica dels ordinadors, ja que la informació ha de ser enviada dins de l'ordinador d'un xip a un altre. Finalment, la velocitat de la llum es pot utilitzar en mesures de temps de vol per mesurar grans distàncies amb una alta precisió.
Ole Rømer va demostrar per primera vegada el 1676 que la llum viatja a una velocitat finita (a diferència de fer-ho de manera instantània) en estudiar el moviment aparent de la lluna de Júpiter Io. El 1865, James Clerk Maxwell va proposar que la llum era una ona electromagnètica, i que per tant viatjava a la velocitat c que apareix en la seva teoria de l'electromagnetisme.[3] El 1905, Albert Einstein va postular que la velocitat de la llum respecte qualsevol sistema inercial és independent del moviment de la font de llum,[4] i va explorar les conseqüències d'aquest postulat a través de la teoria especial de la relativitat i va mostrar que el paràmetre c tenia rellevància fora del context de la llum i l'electromagnetisme. Després de segles de mesures cada vegada més precises, el 1975 es va trobar que la velocitat de la llum era de 299.792.458 m/s, amb una incertesa de mesura de 4 parts per mil milions. El 1983, el metre va ser redefinit en el Sistema Internacional d'Unitats (SI) com la distància recorreguda per la llum en el buit en 1/299.792.458 segons. Com a resultat, el valor numèric de c en metres per segon queda actualment fixat exactament per la definició del metre.[5]
Notació i unitats
modificaNormalment s'utilitza el símbol c, de "constant" o del llatí celeritas ("rapidesa") per a denotar la velocitat de la llum en el buit.[6] Originalment s'utilitzava el símbol V per a la velocitat de la llum, introduït per James Clerk Maxwell el 1865. El 1856, Wilhelm Eduard Weber i Rudolf Kohlrausch havien usat c per a una constant diferent que en el futur es mostraria ser igual a vegades la velocitat de la llum en el buit. El 1894, Paul Drude va redefinir c al seu significat modern. El 1905, Einstein va utilitzar V en els seus articles originals en alemany sobre la relativitat especial, però el 1907 es va passar a c, que llavors s'havia convertit ja en el símbol estàndard.[7][8]
De vegades, c s'utilitza per a la velocitat de les ones en qualsevol medi, i c0 per a la velocitat de la llum en el buit.[9] Aquesta notació on s'usa el subíndex, recolzada en la documentació oficial del SI,[5] té la mateixa forma que altres constants relacionades: μ0 per a la permeabilitat del buit o constant magnètica, ε0 per la permitivitat del buit o constant elèctrica, i Z0 per la impedància característica del buit. En aquest article s'utilitza c exclusivament per a la velocitat de la llum en el buit.
Des de 1983, el metre s'ha definit en el SI com la distància que la llum recorre en el buit en 1/299.792.458 parts de segon. Aquesta definició fixa la velocitat de la llum en el buit en exactament 299.792.458 m/s.[10][11][12] Com una constant física dimensional, el valor numèric de c és diferent per a diferents sistemes d'unitats. A les branques de la física en què c apareix sovint, com ara la relativitat, és comú l'ús dels sistemes d'unitats naturals de mesura o el sistema d'unitats geometritzat, on c=1.[13][14] Amb l'ús d'aquestes unitats, c no apareix explícitament perquè la multiplicació o divisió per 1 no afecta el resultat.
Referències
modifica- ↑ Penrose 2004, p. 410-411:
« (anglès) the most accurate standard for the metre is conveniently defined so that there are exactly 299,792,458 of them to the distance travelled by light in a standard second, giving a value for the metre that very accurately matches the now inadequately precise standard metre rule in Paris. (català) l'estàndard del metre més precís es defineix convenientment de manera que n'hi hagi exactament 299.792.458 en la distància que recorre la llum en un segon estàndard, resultant en un valor del metre que coincideix de manera molt precisa l'actualment inadequat precís estàndard del metre de París. » — Roger Penrose, The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe - ↑ Uzan i Leclercq, 2008, p. 43-44.
- ↑ «How is the speed of light measured?» (en anglès).
- ↑ Stachel, JJ. Einstein from "B" to "Z" – Volume 9 of Einstein studies. Springer, 2002, p. 226. ISBN 0-8176-4143-2.
- ↑ 5,0 5,1 International Bureau of Weights and Measures. The International System of Units (SI). 8a. International Bureau of Weights and Measures, 2006, p. 112. ISBN 92-822-2213-6.
- ↑ La C majúscula és el símbol del Sistema Internacional d'Unitats (SI) del coulomb.
- ↑ Gibbs, P. «Why is c the symbol for the speed of light?». Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside, 2004. Arxivat de l'original el 2009-11-17. [Consulta: 16 novembre 2009].
- ↑ Mendelson, KS «The story of c». American Journal of Physics, vol. 74, 11, 2006, pàg. 995–997. Bibcode: 2006AmJPh..74..995M. DOI: 10.1119/1.2238887.
- ↑ See for example:
- Lide, DR. CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC Press, 2004, p. 2–9. ISBN 0-8493-0485-7.
- Harris, JW [et al.].. Handbook of Physics. Springer, 2002, p. 499. ISBN 0-387-95269-1.
- Whitaker, JC. The Electronics Handbook. CRC Press, 2005, p. 235. ISBN 0-8493-1889-0.
- Cohen, ER [et al.].. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. 3rd. Royal Society of Chemistry, 2007, p. 184. ISBN 0-85404-433-7.
- ↑ Sydenham, PH. «Measurement of length». A: Boyes, W. Instrumentation Reference Book. 3rd. Butterworth–Heinemann, 2003, p. 56. ISBN 0-7506-7123-8. «... if the speed of light is defined as a fixed number then, in principle, the time standard will serve as the length standard ...»
- ↑ «CODATA value: Speed of Light in Vacuum». The NIST reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. [Consulta: 21 agost 2009].
- ↑ Jespersen, J; Fitz-Randolph, J; Robb, J. From Sundials to Atomic Clocks: Understanding Time and Frequency. Reprint of National Bureau of Standards 1977, 2nd. Courier Dover, 1999, p. 280. ISBN 0-486-40913-9.
- ↑ Lawrie, ID. «Appendix C: Natural units». A: A Unified Grand Tour of Theoretical Physics. 2nd. CRC Press, 2002, p. 540. ISBN 0-7503-0604-1.
- ↑ Hsu, L. «Appendix A: Systems of units and the development of relativity theories». A: A Broader View of Relativity: General Implications of Lorentz and Poincaré Invariance. 2nd. World Scientific, 2006, p. 427–8. ISBN 981-256-651-1.
Bibliografia
modifica- Penrose, Roger. The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe (en anglès). Vintage Books, 2004. ISBN 978-0-679-77631-4.
- Uzan, Jean-Philippe; Leclercq, Bénédicte. The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants (en anglès). Springer, 2008. ISBN 0-387-73454-6.