Kecepatan cahaya

Perilaku ini berbeda dari gagasan umum kita tentang gerak, seperti yang ditunjukkan oleh contoh ini:

George sedang berdiri di tanah di samping rel kereta api (rel kereta api). Ada kereta api yang melaju dengan kecepatan 30 mph (48 km/jam). George melempar bola bisbol dengan kecepatan 90 mph (140 km/jam) ke arah kereta api bergerak. Tom, seorang penumpang di kereta api, memiliki alat (seperti pistol radar) untuk mengukur kecepatan lemparan. Karena dia berada di dalam kereta, Tom sudah bergerak dengan kecepatan 30 mph (48 km/jam) searah dengan arah lemparan, sehingga Tom mengukur kecepatan bola hanya 60 mph (97 km/jam).

Dengan kata lain, kecepatan bola bisbol, seperti yang diukur oleh Tom di atas kereta api, bergantung pada kecepatan kereta api.

Dalam contoh di atas, kereta api bergerak dengan kecepatan 1/3 kecepatan bola, dan kecepatan bola yang diukur pada kereta api adalah 2/3 dari kecepatan lemparan yang diukur di tanah.

Sekarang, ulangi eksperimen dengan cahaya, bukan bola bisbol; yaitu, George memiliki senter, bukan melempar bola bisbol. George dan Tom sama-sama memiliki alat yang sama untuk mengukur kecepatan cahaya (bukannya pistol radar dalam contoh bisbol).

George sedang berdiri di tanah di samping rel kereta api. Ada kereta api yang melaju dengan kecepatan 1/3 kecepatan cahaya. George memancarkan sinar cahaya ke arah kereta api bergerak. George mengukur kecepatan cahaya 186.282 mil per detik (299.792 kilometer per detik). Tom, seorang penumpang di kereta, mengukur kecepatan berkas cahaya. Berapa kecepatan yang diukur Tom?

Secara intuitif, orang mungkin berpikir bahwa kecepatan cahaya dari senter yang diukur di kereta api seharusnya 2/3 kecepatan yang diukur di tanah, sama seperti kecepatan bola bisbol adalah 2/3. Tetapi pada kenyataannya, kecepatan yang diukur di kereta api adalah nilai penuh, 186.282 mil per detik (299.792 kilometer per detik), bukan 124.188 mil per detik (199.861 kilometer per detik).

Kedengarannya mustahil, tetapi itulah yang diukur. Sebagian alasannya adalah bahwa cahaya adalah energi yang bertindak dan bergerak dengan cara yang sangat berbeda dari materi atau benda padat seperti bola bisbol.

Persamaan Maxwell meramalkan kecepatan cahaya dan mengkonfirmasi gagasan Michael Faraday bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik (cara energi bergerak). Dari persamaan-persamaan ini, kita menemukan bahwa kecepatan cahaya terkait dengan kebalikan dari akar kuadrat dari permitivitas ruang bebas, ε₀ , dan permeabilitas ruang bebas, μ₀ :

c = 1 ε 0 μ 0 . {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}\ . }

Konsekuensi dari fakta ini adalah bahwa tidak ada yang bisa melaju lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Konsekuensi lainnya adalah bahwa untuk objek yang memiliki massa, tidak peduli berapa banyak energi yang digunakan untuk meningkatkan kecepatan suatu objek, objek tersebut akan semakin dekat dan semakin dekat, tetapi tidak akan pernah mencapai kecepatan cahaya. Ide-ide ini ditemukan pada awal 1900-an oleh Albert Einstein, yang karyanya benar-benar mengubah pemahaman kita tentang cahaya.

Indeks pembiasan suatu bahan yang jernih adalah rasio antara kecepatan cahaya dalam ruang hampa dan kecepatan cahaya dalam bahan tersebut.

Rømer

Ole Christensen Rømer menggunakan pengukuran astronomi untuk membuat perkiraan kuantitatif pertama dari kecepatan cahaya. Ketika diukur dari Bumi, periode bulan yang mengorbit planet yang jauh lebih pendek ketika Bumi mendekati planet daripada ketika Bumi surut dari planet tersebut. Jarak yang ditempuh oleh cahaya dari planet (atau bulannya) ke Bumi lebih pendek ketika Bumi berada pada titik di orbitnya yang paling dekat dengan planetnya daripada ketika Bumi berada pada titik terjauh di orbitnya, perbedaan jarak menjadi diameter orbit Bumi mengelilingi Matahari. Perubahan yang teramati dalam periode orbit bulan sebenarnya adalah perbedaan waktu yang dibutuhkan cahaya untuk melintasi jarak yang lebih pendek atau lebih panjang. Rømer mengamati efek ini untuk bulan terdalam Jupiter, Io, dan dia menyimpulkan bahwa cahaya membutuhkan waktu 22 menit untuk melintasi diameter orbit Bumi.

Bradley

Metode lain adalah dengan menggunakan aberasi cahaya, yang ditemukan dan dijelaskan oleh James Bradley pada abad ke-18. Efek ini dihasilkan dari penambahan vektor kecepatan cahaya yang datang dari sumber yang jauh (seperti bintang) dan kecepatan pengamatnya (lihat diagram di sebelah kanan). Pengamat yang bergerak melihat cahaya yang datang dari arah yang sedikit berbeda dan akibatnya melihat sumber pada posisi yang bergeser dari posisi aslinya. Karena arah kecepatan Bumi berubah terus menerus saat Bumi mengorbit Matahari, efek ini menyebabkan posisi semu bintang-bintang bergerak. Dari perbedaan sudut dalam posisi bintang-bintang, dimungkinkan untuk mengekspresikan kecepatan cahaya dalam hal kecepatan Bumi mengelilingi Matahari. Ini, dengan panjang tahun yang diketahui, dapat dengan mudah dikonversi ke waktu yang dibutuhkan untuk melakukan perjalanan dari Matahari ke Bumi. Pada tahun 1729, Bradley menggunakan metode ini untuk mendapatkan bahwa cahaya bergerak 10.210 kali lebih cepat daripada Bumi dalam orbitnya (angka modern adalah 10.066 kali lebih cepat) atau, setara, bahwa cahaya membutuhkan waktu 8 menit 12 detik untuk melakukan perjalanan dari Matahari ke Bumi.

Modern

Saat ini, "waktu cahaya untuk jarak satuan" - kebalikan dari c (1/c), dinyatakan dalam detik per unit astronomi - diukur dengan membandingkan waktu sinyal radio untuk mencapai pesawat ruang angkasa yang berbeda di Tata Surya. Posisi pesawat ruang angkasa dihitung dari efek gravitasi Matahari dan berbagai planet. Dengan menggabungkan banyak pengukuran semacam itu, diperoleh nilai kecocokan terbaik untuk waktu cahaya per satuan jarak. Pada tahun 2009^[update], perkiraan terbaik, seperti yang disetujui oleh International Astronomical Union (IAU), adalah:

waktu cahaya untuk satuan jarak: 499.004783836(10) s

c = 0,00200398880410(4) AU/s

c = 173,144632674(3) AU/hari.

Ketidakpastian relatif dalam pengukuran ini adalah 0,02 bagian per miliar (2×10⁻¹¹ ), setara dengan ketidakpastian dalam pengukuran panjang berbasis Bumi dengan interferometri. Karena meter didefinisikan sebagai panjang yang ditempuh oleh cahaya dalam interval waktu tertentu, maka pengukuran waktu cahaya untuk satuan jarak juga dapat diartikan sebagai pengukuran panjang AU dalam meter. Meter dianggap sebagai satuan panjang yang tepat, sedangkan AU sering digunakan sebagai satuan panjang yang diamati dalam kerangka acuan tertentu.

Kecepatan cahaya yang terbatas merupakan kendala utama dalam perjalanan ruang angkasa jarak jauh. Misalkan perjalanan ke sisi lain Bima Sakti, total waktu untuk pesan dan balasannya adalah sekitar 200.000 tahun. Bahkan lebih serius lagi, tidak ada pesawat ruang angkasa yang dapat melakukan perjalanan lebih cepat dari cahaya, sehingga semua transportasi skala galaksi akan secara efektif satu arah, dan akan memakan waktu lebih lama daripada peradaban modern yang telah ada.

Kecepatan cahaya juga bisa menjadi perhatian pada jarak yang sangat pendek. Dalam superkomputer, kecepatan cahaya memberikan batas pada seberapa cepat data dapat dikirim antar prosesor. Jika sebuah prosesor beroperasi pada 1 gigahertz, sinyal hanya dapat menempuh jarak maksimum sekitar 30 sentimeter (1 kaki) dalam satu siklus. Oleh karena itu, prosesor harus ditempatkan berdekatan satu sama lain untuk meminimalkan latensi komunikasi; hal ini dapat menyebabkan kesulitan dengan pendinginan. Jika frekuensi clock terus meningkat, kecepatan cahaya pada akhirnya akan menjadi faktor pembatas untuk desain internal chip tunggal.

• Eksperimen Michelson-Morley