سرعت نور در خلأ

یک ثابت جهانی و دقیقاً برابر با ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ متر بر ثانیه است. علت دقت این است که تعریف متر بر اساس سرعت نور و تعریف ثانیه بنا شده‌است.

سرعت نور در خلا

نور خورشید به‌طور میانگین ۸ دقیقه و ۲۰ ثانیه طول می‌کشد تا به زمین برسد.
مقدارهای دقیق
متر بر ثانیه	۲۹۹۷۹۲۴۵۸
واحدهای پلانک	۱
مقدارهای تقریبی
کیلومتر بر ثانیه	۳۰۰٬۰۰۰
کیلومتر بر ساعت	۱٬۰۸۰٬۰۰۰٬۰۰۰
مایل بر ثانیه	۱۸۶٬۰۰۰
مایل بر ساعت	۶۷۱ میلیون
واحد نجومی بر روز	۱۷۳
زمان‌های تقریبی که نور طول می‌کشد طی کند
فاصله	زمان
یک پا	۱٫۰ ns
یک متر	۳٫۳ ns
یک کیلومتر	۳٫۳ μs
یک مایل	۵٫۴ μs
از مدار زمین‌ایست‌ور تا زمین	۱۱۹ ms
یک دور طول استوای زمین	۱۳۴ ms
از ماه تا زمین	۱٫۳ s
از خورشید تا زمین (یک واحد نجومی)	۸٫۳ دقیقه
از ویجر ۱ تا زمین	۱۸٫۱۳ ساعت
یک پارسک	۳٫۲۶ سال
از پروکسیما قنطورس تا زمین	۴٫۲۴ سال
از آلفا قنطورس تا زمین	۴٫۳۷ سال
از نزدیک‌ترین کهکشان تا زمین (کهکشان سگ کوچک)	۲۵٬۰۰۰ سال
طول راه شیری	۱۰۰٬۰۰۰ سال
از کهکشان آندرومدا	۲٫۵ میلیون سال
از دورترین کهکشان یافت شده تا زمین	۱۳ میلیارد سال

این کمیت را در فیزیک و دیگر علوم با حرف c نشان می‌دهند. در محاسبات عادی که دقت زیادی مورد نیاز نیست، سرعت نور را برابر با ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه (۳‎×۱۰^۸ متر بر ثانیه) در نظر می‌گیرند. مقدار آن تقریباً برابر با ۱۸۶٬۲۸۲ مایل بر ثانیه است. سرعت نور بیشینه سرعتی است که انرژی، ماده و اطلاعات در جهان می‌تواند مسافرت کند. این سرعت همچنان سرعت تمام ذرات بدون جرم و میدان‌های فیزیکی — شامل تابش الکترومغناطیسی که نور نیز جزو آن می‌شود — نیز هست. ذراتی که ذکر شد سرعتشان مستقل چارچوب مرجع است که گسترش این اصل به نسبیت خاص می‌انجامد. همچنین این سرعت در فرمول مشهور هم‌ارزی جرم و انرژی یعنی E = mc² ظاهر می‌شود.

سرعت نور در اجسام شفاف کمتر از سرعت نور در خلأ است. سرعت نور در خلأ تقسیم بر سرعت نور در آن ماده شفاف (مانند شیشه یا هوا) به عددی بزرگ‌تر از یک می‌انجامد که به آن ضریب شکست (با نماد n نشان می‌دهند) می‌گویند و در فرمول‌های نور هندسی کاربرد دارد. برای مثال ضریب شکست نور مرئی برای شیشه معمولی حدود ۱٫۵ است و بدین معنی است که سرعت نور در شیشه، c / ۱٫۵ ≈ ۲۰۰۰۰۰ km/s است. ضریب شکست نور برای هوا ۱٫۰۰۰۳ (۱٫۰۰۰۳) است که نشان می‌دهد نور در هوا حدود ۹۰ km/s کندتر از c حرکت می‌کند.

برای بسیاری از کاربردها، نور و دیگر امواج الکترومغناطیسی بدون تأخیر جابجا می‌شوند اما برای فواصل زیاد و اندازه‌گیری‌هایی بسیار حساس، سرعت محدود نور اثرات ملموسی دارد. در ارتباطات با کاوشگران فضایی دور ممکن است بین دقایق تا ساعت‌ها طول بکشید تا یک پیام از زمین به کاوشگر برسد یا برگردد. نور ستارگان از سال‌های بسیار گذشته به زمین می‌رسد که اجازه می‌دهد تاریخچه جهان را با بررسی اجسام دور مطالعه کرد. سرعت محدود نور همچنین نظریات حد سرعت رایانه را نیز محدود می‌کند برای اینکه اطلاعاتی که داخل یک کامپیوتر از یک پردازنده به پردازنده دیگر منتقل می‌شود سرعت محدودی خواهد شد.

نخستین بار گالیلئو گالیله سرعت نور را اندازه گرفت. اما مقداری که او به دست آورد بسیار متفاوت‌تر از مقدار واقعی بود. بعدها ستاره‌شناس دانمارکی اوله رومر به کمک گرفت‌های مشتری سرعت نور را تا حد دقیقی اندازه گرفت.

سرعت نور مستقل از سرعت ناظر و منبع است. این ثبات سرعت نور در سال ۱۹۰۵ توسط آلبرت انیشتین بیان شد. که توسط آزمایش‌های بسیاری صحت آن تأیید شده‌است. اگرچه در اول مهر ماه ۱۳۹۰ محققان مرکز تحقیقاتی سرن اعلام کردند که حرکت ذرات بنیادی نوترینو با سرعتی بالاتر از سرعت نور را مشاهده کرده‌اند. اما پس از مدت کوتاهی مشخص شد این تضاد به دلیل خطا در آزمایش بوده‌است.

نسبیت خاص در واقع بررسی قوانین فیزیک برای ناظر و مرجع است برای زمانی که فرض شود سرعت نور وابسته به سرعت منبع یا ناظر نیست. یکی از این قوانین این است که سرعت تمام ذرات بدون جرم برابر سرعت نور در خلأ است.

نسبیت خاص اثبات‌های بسیار زیاد آزمایشگاهی دارد. این شامل هم‌ارزی جرم و انرژی (E = mc²)، انقباض لورنتزی (کوتاه‌شدن اجسام در راستای حرکت)، اتساع زمان (کندتر شدن زمان) و افزایش جرم نیز هست. همه این موارد از فاکتور لورنتز به‌دست می‌آیند γ = (۱ − v²/c²)^−1/2، که در آن v سرعت جسم است.
تفاوت γ از یک در سرعت‌های کم نسبت به c یعنی تقریباً تمام حرکت‌های روزانه انسان ناچیز است. اما در سرعت‌های نزدیک به نور به مقادیر بسیار بزرگ میل می‌کند. طول جسمی که انقباض لورنتزی دارد و زمانی که در یک متحرک می‌گذرد از تقسیم طول در حالت سکون و زمان در حالت سکون بر فاکتور لورنتز به‌دست می‌آید. اما جرم یک شی متحرک از ضرب فاکتور لورنتز در جرم سکون آن جسم به‌دست می‌آید.

بنابر نسبیت خاص، انرژی یک جسم با سرعت v و جرم سکون m با γmc² به‌دست می‌آید که در آن γ فاکتور لورنتز است. هنگامی که سرعت برابر صفر است فاکتور لورنتز برابر یک بوده و انرژی جسم برابر با E = mc² است که همان هم‌ارزی جرم و انرژی است. اما هنگامی که سرعت جسم به سرعت نور نزدیک می‌شود این مقدار به سمت بی‌نهایت می‌رود بنابرین برای رساندن سرعت جسمی که جرم غیرصفر دارد به سرعت نور؛ نیاز به بی‌نهایت انرژی است. به همین دلیل سرعت نور، حد بالای سرعت در طبیعت است. این موضوع در تعداد زیادی پژوهش و آزمایش به اثبات رسیده‌است.

در فیزیک کلاسیک، نور به عنوان نوعی موج الکترومغناطیسی توصیف می‌شود. از آنجاکه رفتار میدان الکترومغناطیسی توسط معادلات ماکسول تشریح شده‌است، این معادلات پیش‌بینی می‌کنند که سرعت c با انتشار امواج الکترومغناطیسی (مانند نور) در خلأ را می‌توان با ظرفیت خازنی و القایی خلاء بیان کرد. به بیان دیگر سرعت انتشار نور با ریشه ثابت تراوایی خلأ در ثابت گذردهی خلأ رابطه عکس دارد که در رابطه زیر نمایش داده شده‌است.

c=1ε0μ0

در فیزیک نوین، میدان الکترومغناطیسی توسط نظریه الکترودینامیک کوانتومی توصیف می‌شود. در این نظریه، نور توسط تحریک بنیادی (یا کوانتای) میدان الکترومغناطیسی، که فوتون نامیده می‌شود، توصیف می‌شود. در نظریه الکترودینامیک کوانتومی، فوتون‌ها ذرات بدون جرمی هستند که بنابر نسبیت خاص، با سرعت نور در خلأ حرکت می‌کنند.