ความเร็วแสง อัตราเร็วของแสง ความเป็นมาของการวัดความเร็วแสง

ความเร็วแสง อัตราเร็วของแสง 

ในสุญญากาศ มีนิยามว่าเท่ากับ 299,792,458 เมตรต่อวินาที (หรือ 1,079,252,848.8 กิโลเมตรต่อชั่วโมง หรือประมาณ 186,282.397 ไมล์ต่อวินาที หรือ 670,616,629.4 ไมล์ต่อชั่วโมง) ค่านี้เขียนแทนด้วยตัว c ซึ่งมาจากภาษาละตินคำว่า celeritas (แปลว่า อัตราเร็ว) และเรียกว่าเป็นค่าคงที่ของไอน์สไตน์ แสงเป็นสิ่งที่แปลกประหลาดนั่นคือไม่ว่าผู้สังเกตจะเคลื่อนที่หรือหยุดนิ่ง ไม่ว่จะอยู่ในสถานที่ใด ด้วยเงื่อนไขใด อัตราเร็วของแสงที่ผู้สังเกตคนนั้นวัดได้ จะเท่าเดิมเสมอ ซึ่งขัดกับความรู้สึกของคนทั่วไป  สังเกตว่าอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ เป็น นิยาม ไม่ใช่ การวัด ในหน่วยเอสไอกำหนดให้ เมตร

มีนิยามว่าเป็นระยะทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศในเวลา 1/299,792,458 วินาที แสงที่เดินทางผ่านตัวกลางโปร่งแสง (คือไม่เป็นสุญญากาศ) จะมีอัตราเร็วต่ำกว่า c อัตราส่วนของ c ต่ออัตราเร็วของแสงที่เดินทางผ่านในตัวกลาง เรียกว่า ดรรชนีหักเหของตัวกลางนั้น

จากทฤษฎีทางฟิสิกส์ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดรวมทั้งแสง จะแพร่ออกไป(เคลื่อนที่)ในสุญญากาศ ด้วยอัตราเร็วคงที่ค่าหนึ่ง เรียกว่า อัตราเร็วของแสง ซึ่งเป็นค่าคงที่เชิงกายภาค เขียนแทนด้วยตัว c ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ความโน้มถ่วงยังแพร่ออกไปในอัตราเร็ว c ด้วย

จากกฎของแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น สมการของแมกซ์เวลล์) อัตราเร็ว c ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า จะไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของวัตถุที่ปล่อยรังสี เช่น แสงที่ปล่อยออกมาจากวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง จะมีอัตราเร็วเดียวกับ แสงที่ปล่อยออกมาจากวัตถุที่อยู่นิ่ง (แม้ว่า สี, ความถี่, พลังงาน, และโมเมนตัมของแสงจะไม่เท่ากัน เรียกว่า ปรากฏการณ์ Relativistic Doppler)

อัตราเร็วของแสงมีผลต่อการสื่อสารมากทีเดียว ตัวอย่างเช่น การสื่อสารจากโลกอีกด้านหนึ่ง ไปยังอีกด้านหนึ่ง ตามทฤษฎี ต้องใช้เวลาไม่น้อยไปกว่า 0.67 วินาที เพราะว่าโลกมีเส้นศูนย์สูตรหรือเส้นรอบวงยาว 40,075 กิโลเมตร

ในความเป็นจริง อาจต้องใช้เวลามากกว่านั้น เพราะว่าแสงที่เดินทางในใยแก้วนำแสงจะเดินทางช้าลงถึง 30% และไม่บ่อยนักที่เส้นทางการสื่อสารจะเป็นเส้นตรง นอกจากนี้ ยังมีความล่าช้า ที่เกิดจากสัญญาณเดินทางผ่านสวิตซ์อิเล็กทรอนิกส์ หรือเครื่องกำเนิดสัญญาณอีกด้วย เช่น ในปี ค.ศ. 2004 การสื่อสารจากออสเตรเลียหรือจากญี่ปุ่น ถึงสหรัฐอเมริกา นั้นต้องใช้เวลาถึง 0.18 วินาที

อัตราเร็วของแสง (speed of light) ในสุญญากาศ มีนิยามว่าเท่ากับ 299,792,458 เมตรต่อวินาที (หรือ 1,080,000,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง หรือประมาณ 186,000.000 ไมล์ต่อวินาที หรือ 671,000,000 ไมล์ต่อชั่วโมง) ค่านี้เขียนแทนด้วยตัว c ซึ่งมาจากภาษาละตินคำว่า celeritas (แปลว่า อัตราเร็ว) และเรียกว่าเป็นค่าคงที่ของไอน์สไตน์ แสงเป็นสิ่งที่แปลกประหลาดนั่นคือไม่ว่าผู้สังเกตจะเคลื่อนที่หรือหยุดนิ่ง ไม่ว่าจะอยู่ในสถานที่ใด ด้วยเงื่อนไขใด อัตราเร็วของแสงที่ผู้สังเกตคนนั้นวัดได้ จะเท่าเดิมเสมอ ซึ่งขัดกับความรู้สึกของคนทั่วไป แต่เป็นไปตาม ทฤษฎีสัมพัทธภาพ ของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

สังเกตว่าอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ เป็น นิยาม ไม่ใช่ การวัด ในหน่วยเอสไอกำหนดให้ เมตร มีนิยามว่าเป็นระยะทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศในเวลา 299,792,458 วินาที แสงที่เดินทางผ่านตัวกลางโปร่งแสง (คือไม่เป็นสุญญากาศ) จะมีอัตราเร็วต่ำกว่า c อัตราส่วนของ c ต่ออัตราเร็วของแสงที่เดินทางผ่านในตัวกลาง เรียกว่า ดรรชนีหักเหของตัวกลางนั้น โดยเมื่อผ่านแก้ว จะมีดรรชนีหักเห 1.5-1.9 ผ่านน้ำจะมีดรรชีนีหักเห 1.3330 ผ่านเบนซินจะมีดรรชนีหักเห 1.5012 ผ่านคาร์บอนไดซัลไฟต์จะมีดรรชนีหักเห 1.6276 ผ่านเพชรจะมีดรรชนีหักเห 2.417 ผ่านน้ำแข็งจะมีดรรชนีหักเห 1.309

แสงเคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยอัตราเร็ว 3 x 108 m/s ส่วนในตัวกลางอื่น ๆ อัตราเร็วของแสงจะเปลี่ยนไป โดยมีค่าขึ้นกับดัชนีหักเหของแสงในตัวกลางนั้น ๆ ถ้าให้

n แทนดัชนีหักเห(Refractive Index) ของตัวกลางใด ๆ จะได้

n = c / v

โดย c แทนอัตราเร็วแสงในสุญญากาศหรืออากาศ (m/s)
v แทนอัตราเร็วแสงในตัวกลางใด ๆ (m/s)
ดังนั้นอัตราเร็วแสงในตัวกลางใด ๆ มีค่าดังนี้

v= c / n

 

อัตราเร็ว

     นักฟิสิกส์หลายคนได้พยายามทำการวัดความเร็วของแสง การวัดแรกสุดที่มีความแม่นยำนั้นเป็นการวัดของ นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Ole Rømer ในปี ค.ศ. 1676 เขาได้ทำการคำนวณจากการสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวพฤหัสบดี และ ดวงจันทร์ไอโอ ของดาวพฤหัสบดี โดยใช้กล้องดูดาว เขาได้สังเกตความแตกต่างของช่วงการมองเห็นรอบของการโคจรของดวงจันทร์ไอโอ และได้คำนวณค่าความเร็วแสง 227,000 กิโลเมตร ต่อ วินาที (ประมาณ 141,050 ไมล์ ต่อ วินาที)

     การวัดความเร็วของแสงบนโลกนั้นกระทำสำเร็จเป็นครั้งแรกโดย Hippolyte Fizeau ในปี ค.ศ. 1849 เขาทำการทดลองโดยส่องลำของแสงไปยังกระจกเงาซึ่งอยู่ห่างออกไปหลายพันเมตรผ่านซี่ล้อ ในขณะที่ล้อนั้นหมุนด้วยความเร็วคงที่ ลำแสงพุ่งผ่านช่องระหว่างซี่ล้อออกไปกระทบกระจกเงา และพุ่งกลับมาผ่านซี่ล้ออีกซี่หนึ่ง จากระยะทางไปยังกระจกเงา จำนวนช่องของซี่ล้อ และความเร็วรอบของการหมุน เขาสามารถทำการคำนวณความเร็วของแสงได้ 313,000 กิโลเมตร ต่อ วินาที

     Albert A. Michelson ได้ทำการพัฒนาการทดลองในปี ค.ศ. 1926 โดยใช้กระจกเงาหมุน ในการวัดช่วงเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางไปกลับจาก ยอด Mt. Wilson ถึง Mt. San Antonio ในรัฐแคลิฟอร์เนีย ซึ่งการวัดนั้นได้ 186,285 ไมล์/วินาที (299,796 กิโลเมตร/วินาที) ค่าความเร็วแสงประมาณหรือค่าปัดเศษที่เราใช้กันในทุกวันนี้คือ 300,000 km/s 186,000 mile/s

ความจ้า (brightness) หรือ อุณหภูมิของแสง (temperature)
ความสว่าง (illuminance หรือ illumination) (หน่วยSI: ลักซ์ (lux))
ฟลักซ์ส่องสว่าง (luminous flux) (หน่วย SI: ลูเมน (lumen))
ความเข้มของการส่องสว่าง (luminous intensity) (หน่วย SI: แคนเดลา (candela))ความสุกใสของแสง (brilliance) หรือ แอมปลิจูด (amplitude)
สี (color) หรือ ความถี่ (frequency)
โพลาไรเซชั่น (polarization) หรือ มุมการแกว่งของคลื่น (angle of vibration)หน่วย SI ของการวัดแสง
หน่วย SI ของแสง
ปริมาณ หน่วย SI ตัวย่อ หมายเหตุ
พลังงานของการส่องสว่าง จูล (joule) J
ฟลักซ์ส่องสว่าง (Luminous flux) ลูเมน (lumen) หรือ แคนเดลา ? สเตอเรเดียน (candela ? steradian) lm อาจเรียกว่า กำลังของความสว่าง (Luminous power)
ความเข้มของการส่องสว่าง (Luminous intensity) แคนเดลา (candela) cd
ความเข้มของความสว่าง (Luminance) แคนเดลา/ตารางเมตร (candela/square metre) cd/m2 อาจเรียกว่า ความหนาแน่นของความเข้มการส่องสว่าง
ความสว่าง (Illuminance) ลักซ์ (lux) หรือ ลูเมน/ตารางเมตร lx
ประสิทธิภาพการส่องสว่าง (Luminous efficiency) ลูเมน ต่อ วัตต์ (lumens per watt) lm/W