(Razele solare au nevoie de aproximativ 8 minute și 17 secunde pentru a traversa distanța medie de la suprafața Soarelui la Pământ.)
Orice sarcină electrică care accelerează sau orice câmp magnetic în schimbare produce radiații electromagnetice. Informațiile electromagnetice despre sarcină se deplasează cu viteza luminii. Precizia tratamentului încorporează astfel un concept cunoscut ca timp întârziat, care se adaugă expresiilor câmpului electric și câmpului magnetic electrodinamic. Acești termeni suplimentari sunt responsabili pentru radiațiile electromagnetice.
Atunci când orice fir (sau alt obiect conducător, cum ar fi o antenă) produce curent alternativ, radiația electromagnetică este propagată la aceeași frecvență ca și curentul. În multe astfel de situații este posibil să se identifice un moment dipol electric care rezultă din separarea sarcinilor datorită potențialului electric excitant, iar acest moment dipol oscilează în timp, pe măsură ce sarcinile se mișcă înainte și înapoi. Această oscilație la o anumită frecvență dă naștere la schimbarea câmpurilor electrice și magnetice, care apoi determină radiația electromagnetică în mișcare.
La nivelul cuantic, radiația electromagnetică este produsă atunci când pachetul de unde al unei particule încărcate oscilează sau accelerează în alt mod. Particulele încărcate într-o stare staționară nu se mișcă, însă o suprapunere a unor astfel de stări poate duce la o stare de tranziție care are un moment dipol electric care oscilează în timp. Acest moment dipol oscilant este responsabil pentru fenomenul tranziției radiative între stările cuantice ale unei particule încărcate. Astfel de stări apar (de exemplu) în atomi atunci când fotonii sunt radiați pe măsură ce atomul se schimbă de la o stare staționară la alta.
Ca undă, lumina este caracterizată de o viteză (viteza luminii), lungimea de undă și frecvența. Ca particulă, lumina este un flux de fotoni. Fiecare are o energie legată de frecvența undelor date de relația lui Planck E = hf, unde E este energia fotonului, h = 6,626×10-34 J·s este constanta lui Planck și f este frecvența undelor .
O regulă este respectată indiferent de circumstanțe: radiația electromagnetică în vid se deplasează la viteza luminii, în raport cu observatorul, indiferent de viteza observatorului. (Această observație a dus la dezvoltarea de către Einstein a teoriei relativității speciale.)
Într-un mediu (altul decât vid), factorul de viteză sau indicele de refracție sunt luate în considerare, în funcție de frecvență și de aplicație. Ambele sunt raporturi ale vitezei într-un mediu la viteza în vid.
Viteza luminii
Viteza luminii în vid, notată în mod obișnuit c, este o constantă fizică universală importantă în multe domenii ale fizicii. Valoarea sa exactă este de 299.792.458 metri pe secundă (aproximativ 3,00×108 m/s sau 300.000 km/s). Este exactă deoarece unitatea de lungime, metru, este definită de această constantă și de standardul internațional pentru timp. Conform relativității speciale, c este viteza maximă la care toate materialele convenționale și, prin urmare, toate formele cunoscute de informații din univers pot călători. Deși această viteză este cel mai frecvent asociată cu lumina, este de fapt viteza cu care toate particulele fără masă și schimbările câmpurilor asociate se deplasează în vid (inclusiv radiația electromagnetică și undele gravitaționale). Astfel de particule și unde se deplasează cu c, indiferent de mișcarea sursei sau de cadrul de referință inerțial al observatorului. În teoria relativității, c interconectează spațiul și timpul și, de asemenea, apare în faimoasa ecuație de echivalență energetică în masă E = mc2.
Viteza la care lumina se propagă prin materiale transparente, cum ar fi sticla sau aerul, este mai mică decât c; în mod similar, viteza undelor electromagnetice în cablurile de sârmă este mai lentă decât c. Raportul dintre c și viteza v la care lumina se deplasează într-un material se numește indicele de refracție n al materialului (n = c/v). De exemplu, pentru lumina vizibilă, indicele de refracție al sticlei este în mod obișnuit de aproximativ 1,5, ceea ce înseamnă că lumina în sticlă se deplasează la c/1,5 ≈ 200,000 km/s; indicele de refracție al aerului pentru lumina vizibilă este de aproximativ 1.0003, astfel încât viteza luminii în aer este de aproximativ 299.700 km/s (cu circa 90 km/s mai mică decât c).
În multe scopuri practice, undele luminoase și alte unde electromagnetice se vor propaga instantaneu, dar pentru distanțe lungi și măsurători foarte sensibile, viteza lor finită are efecte vizibile. În comunicarea cu sonde spațioase îndepărtate, poate dura câteva minute până la ore pentru ca un mesaj să ajungă de la Pământ la nava spațială sau invers. Lumina văzută de la stele a fost emisă cu mulți ani în urmă, permițând studiul istoriei universului, uitându-ne la obiecte îndepărtate. Viteza finită a luminii limitează, de asemenea, viteza teoretică maximă a calculatoarelor, deoarece informațiile trebuie trimise în interiorul computerului de la cip la cip. Viteza luminii poate fi utilizată cu măsurătorile timpului de zbor pentru a măsura distanțele mari la o mare precizie.
Ole Rømer a demonstrat pentru prima dată în 1676 că lumina călătorește la o viteză finită (nu instantaneu), studiind mișcarea aparentă a lunii lui Jupiter, Io. În 1865, James Clerk Maxwell a propus ca lumina să fie o undp electromagnetică și, prin urmare, se deplasează la viteza c care apare în teoria sa de electromagnetism. În 1905, Albert Einstein a afirmat că viteza luminii c în raport cu orice cadru inerțial este o constantă și este independentă de mișcarea sursei de lumină. El a explorat consecințele acestui postulat derivând teoria relativității și făcând astfel să demonstreze că parametrul c are relevanță în afara contextului luminii și electromagnetismului.
După secole de măsurători din ce în ce mai precise, în 1975 viteza luminii era cunoscută ca fiind 299792458 m/s, cu o incertitudine de măsurare de 4 părți per miliard. În 1983, metrul a fost redefinit în Sistemul Internațional de Unități (SI) ca distanța parcursă de lumină în vid în 1/299792458 din o secundă. Ca rezultat, valoarea numerică a lui c în metri pe secundă este fixată exact prin definiția metrului.
Lasă un răspuns