Cahaya merambat lebih cepat lebih lambat di medium udara daripada dalam zat padat atau cair

Laju cahaya atau kecepatan cahaya disimbolkan dengan c adalah sebuah konstanta fisika universal yang penting dalam banyak bidang fisika. Nilai presisinya adalah 299.792.458 meter per detik [kira-kira 3,00×108 m/s], karena panjang meter didefinisikan berdasarkan konstanta ini dan standar internasional waktu.[1] Kelajuan ini merupakan kelajuan maksimum yang dapat dilajui oleh segala bentuk energi, materi, dan informasi dalam alam semesta. Kelajuan ini merupakan kelajuan segala partikel tak bermassa dan medan fisika, termasuk radiasi elektromagnetik dalam vakum. Kelajuan ini pula menurut teori modern adalah kelajuan gravitasi [kelajuan dari gelombang gravitasi]. Partikel-partikel maupun gelombang-gelombang ini bergerak pada kelajuan c tanpa tergantung pada sumber gerak maupun kerangka acuan inersial pengamat. Dalam teori relativitas, c saling berkaitan dengan ruang waktu. Konstanta ini muncul pula pada persamaan fisika kesetaraan massa-energi E = mc2.[2]

Sinar matahari memerlukan sekitar 8 menit 17 detik untuk melalui jarak rata-rata dari permukaan Matahari ke Bumi.

Kelajuan cahaya yang merambat melalui bahan-bahan transparan seperti gelas ataupun udara lebih lambat dari c. Rasio antara c dengan kelajuan v [kelajuan rambat cahaya dalam suatu materi] disebut sebagai indeks bias n material tersebut [n = c / v]. Sebagai contohnya, indeks refraksi gelas umumnya berkisar sekitar 1,5, berarti bahwa cahaya dalam gelas bergerak pada kelajuan c / 1,5 ≈ 200.000 km/s; indeks refraksi udara untuk cahaya tampak adalah sekitar 1,0003, sehingga kelajuan cahaya dalam udara adalah sekitar 299.700 km/s [sekitar 90 km/s lebih lambat daripada c].

Untuk berbagai tujuan praktis, cahaya dan gelombang elektromagnetik lainnya akan tampak untuk menyebar secara seketika, tetapi untuk jarak jauh dan pengukuran yang sangat sensitif, kelajuan terbatasnya memiliki efek yang nyata. Hal inilah yang menimbulkan dilatasi waktu dalam pengamatan. Seperti dalam berkomunikasi dengan wahana antariksa yang jauh, dapat dibutuhkan bermenit-menit sampai berjam-jam agar pesan dari Bumi dapat mencapai pesawat ruang angkasa, atau sebaliknya. Cahaya yang dilihat dari bintang, galaksi dan benda - benda angkasa meninggalkan sumbernya tersebut bertahun-tahun yang lalu, bahkan untuk benda terjauh yang dapat kita lihat dalam alam semesta teramati, apa yang kita lihat di bumi sekarang adalah apa yang terjadi saat ledakan dahsyat terjadi [13,8 miliar tahun yang lalu]. Hal ini yang memungkinkan studi tentang sejarah alam semesta dengan melihat objek yang jauh. Kelajuan terbatas cahaya juga membatasi kecepatan maksimum teoretis komputer, karena informasi harus dikirim dalam komputer dari chip ke chip. Kecepatan cahaya dapat digunakan dengan pengukuran waktu terbang untuk mengukur jarak besar dengan presisi tinggi.

Ole Rømer pertama menunjukkan pada 1676 bahwa cahaya berjalan pada kecepatan yang terbatas [bukannya seketika] dengan mempelajari gerakan yang tampak dari bulan Jupiter Io. Pada tahun 1865, James Clerk Maxwell mengusulkan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik, dan karena itu bergerak dengan kecepatan c yang muncul dalam teori elektromagnetismenya.[3] Pada tahun 1905, Albert Einstein mendalilkan bahwa laju cahaya sehubungan dengan kerangka inersia independen dari gerakan sumber cahaya,[4] dan menjelajahi konsekuensi postulat dengan menurunkan teori relativitas khusus dan menunjukkan bahwa parameter c memiliki relevansi di luar konteks cahaya dan elektromagnetisme.

Setelah berabad-abad pengukuran semakin tepat, pada tahun 1975 kecepatan cahaya diketahui sebagai 299.792.458 m/s dengan ketidakpastian pengukuran 4 bagian per miliar. Pada tahun 1983, meter didefinisikan kembali dalam Sistem Satuan Internasional [SI] sebagai jarak yang ditempuh oleh cahaya dalam ruang hampa di 1/299.792.458 detik. Akibatnya, nilai numerik dari c dalam meter per detik sekarang tetap persis dengan definisi meter.[5]

Laju cahaya dalam ruang hampa biasanya dilambangkan dengan huruf kecil c, untuk "constant" atau bahasa Latin celeritas [yang berarti "kecepatan"]. Secara historis, simbol V pernah digunakan sebagai simbol alternatif untuk laju cahaya, yang diperkenalkan oleh James Clerk Maxwell pada tahun 1865. Pada tahun 1856, Wilhelm Eduard Weber dan Rudolf Kohlrausch telah menggunakan c untuk konstanta yang berbeda yang kemudian terbukti sama dengan √2 dikalikan laju cahaya dalam ruang hampa. Pada tahun 1894, Paul Drude mendefinisikan ulang c dengan makna modern. Einstein menggunakan V di makalah aslinya yang berbahasa Jerman tentang relativitas khusus pada tahun 1905, namun pada tahun 1907 ia beralih ke c, yang saat itu telah menjadi simbol standar untuk laju cahaya.[6][7]

Kadang-kadang c digunakan untuk laju gelombang di medium bahan apapun, dan c0 untuk laju cahaya dalam ruang hampa.[8] Notasi subscript ini, yang didukung dalam literatur SI resmi,[5] memiliki bentuk yang sama sebagai konstanta terkait lainnya: yaitu, μ0 untuk permeabilitas vakum atau konstanta magnetik, ε0 untuk permitivitas vakum atau konstanta listrik, dan Z0 untuk impedansi ruang hampa. Artikel ini menggunakan c eksklusif untuk kecepatan cahaya dalam ruang hampa.

Sejak tahun 1983, meter telah didefinisikan dalam Sistem Satuan Internasional [SI] sebagai jarak perjalanan cahaya dalam ruang hampa dalam ​1⁄299.792.458 detik. Definisi ini menetapkan laju cahaya dalam ruang hampa di persis 299.792.458 m/s.[9][10][11] Sebagai sebuah konstanta fisika berdimensi, nilai numerik dari c berbeda untuk sistem unit yang berbeda.[catatan 3] Dalam cabang fisika di mana c sering muncul, seperti dalam relativitas, biasa digunakan sistem pengukuran satuan natural atau sistem satuan tergeometrisasi dengan c = 1.[13][14] Menggunakan unit-unit ini, c tidak muncul secara eksplisit karena perkalian atau pembagian dengan 1 tidak memengaruhi hasil.

Lihat pula: Relativitas khusus dan Laju cahaya satu arah

Kelajuan dari gelombang cahaya yang merambat dalam ruang hampa tidak bergantung pada gerakan sumber gelombang ataupun kerangka acuan inersial pengamat.[catatan 4] Invariansi dari kecepatan cahaya ini didalilkan oleh Einstein pada tahun 1905,[4] setelah termotivasi oleh teori elektromagnetisme Maxwell dan kurangnya bukti keberadaan eter yang sebelumnya diduga sebagai medium cahaya;[15] invariansi tersebut sejak saat itu telah secara konsisten dikonfirmasi oleh banyak percobaan. Verifikasi secara eksperimental bahwa laju cahaya tidak bergantung pada kerangka acuan hanya bisa dilakukan untuk laju cahaya dua arah [misalnya, dari sumber ke cermin dan kembali lagi], karena tidak mungkin untuk mengukur laju cahaya satu arah [misalnya, dari sumber ke detektor yang jauh] tanpa beberapa konvensi mengenai bagaimana jam pada sumber dan pada detektor harus disinkronkan. Namun, dengan mengadopsi sinkronisasi Einstein untuk jam, kecepatan satu arah cahaya menjadi sama dengan kecepatan dua arah cahaya secara definisi.[16][17] Teori relativitas khusus mengeksplorasi konsekuensi dari invariansi c dengan asumsi bahwa hukum fisika adalah sama dalam semua kerangka acuan inersial.[18][19] Salah satu konsekuensinya adalah semua gelombang dan partikel tak bermassa, termasuk cahaya, harus berjalan dengan kelajuan c dalam ruang hampa.

Relativitas khusus memiliki banyak implikasi yang berlawanan dengan intuisi dan telah diverifikasi lewat berbagai percobaan.[20] Ini termasuk kesetaraan massa dan energi [E = mc2], kontraksi panjang [benda bergerak menjadi lebih pendek],[catatan 5] dan dilatasi waktu [jam bergerak berjalan lebih lambat]. Faktor γ yang menentukan besar kontraksi panjang dan dilatasi waktu dikenal sebagai faktor Lorentz dan diberikan oleh γ = [1 − v2/c2]−1/2, di mana v adalah kelajuan benda. Selisih antara γ dengan 1 dapat diabaikan untuk kelajuan yang jauh lebih lambat dari c, seperti kebanyakan kecepatan sehari-hari—di mana relativitas khusus didekati oleh relativitas Galileo—tetapi meningkat pada kecepatan relativistik dan menyimpang hingga tak terbatas ketika v mendekati c.

Hasil dari relativitas khusus dapat diringkas dengan memperlakukan ruang dan waktu sebagai struktur terpadu yang dikenal sebagai ruang waktu [dengan c mengaitkan satuan ruang dan waktu], dan mengharuskan teori fisika memenuhi suatu simetri khusus yang disebut invariansi Lorentz, yaitu formulasi matematis yang berisi parameter c.[23] Invariansi Lorentz diasumsikan berlaku oleh hampir seluruh teori-teori fisika modern, seperti elektrodinamika kuantum, kromodinamika kuantum, Model Standar fisika partikel, dan relativitas umum. Dengan demikian, parameter c ada di mana-mana dalam fisika modern, muncul dalam banyak konteks yang tidak berhubungan dengan cahaya. Misalnya, relativitas umum memprediksi bahwa c juga merupakan kelajuan gravitasi dan gelombang gravitasi.[24][25] Pada kerangka acuan non-inersial [ruang waktu yang dilengkungkan oleh gravitasi atau kerangka acuan dipercepat], laju lokal cahaya adalah konstan dan sama dengan c, tetapi laju cahaya di sepanjang lintasan panjang yang terbatas dapat berbeda dari c, tergantung pada bagaimana jarak dan waktu ditentukan.[26]

Secara umum diasumsikan bahwa konstanta fundamental seperti c memiliki nilai yang sama di seluruh ruang waktu, yang berarti bahwa mereka tidak bergantung pada lokasi dan tidak berubah seiring waktu. Namun, telah diusulkan dalam berbagai teori bahwa laju cahaya mungkin telah berubah dari waktu ke waktu.[27][28] Tidak ada bukti konklusif untuk perubahan tersebut yang telah ditemukan, tetapi hal itu tetap menjadi subjek penelitian yang sedang berlangsung.[29][30]

Umumnya juga diasumsikan bahwa kecepatan cahaya bersifat isotropik, yang berarti bahwa ia memiliki nilai yang sama tidak bergantung arah di mana itu diukur. Pengamatan dari emisi dari tingkat energi nuklir sebagai fungsi orientasi inti atom yang memancarkan emisi dalam medan magnet [lihat percobaan Hughes-Drever], dan resonator optik berputar [lihat percobaan resonator] telah memberi batas ketat pada kemungkinan isotropi dua arah.[31][32]

Batas atas kelajuan

Menurut relativitas khusus, energi dari suatu objek dengan massa diam m dan kelajuan v diberikan oleh γmc2, di mana γ adalah faktor Lorentz yang didefinisikan di atas. Ketika v adalah nol, γ sama dengan satu, sehingga menimbulkan rumus terkenal E = mc2 untuk kesetaraan massa-energi. Faktor γ mendekati tak terhingga ketika v mendekati c, jadi diperlukan energi dengan jumlah tak terbatas untuk mempercepat objek bermassa ke laju cahaya. Laju cahaya adalah batas atas untuk kelajuan benda dengan massa diam positif, dan foton individu tidak dapat melakukan perjalanan lebih cepat dari laju cahaya.[33][34] Ini telah dibuktikan secara eksperimental dalam berbagai uji energi dan momentum relativistik.[35]

Secara lebih umum, tidak mungkin informasi atau energi bisa melakukan perjalanan lebih cepat dari c. Salah satu argumen untuk ini mengikuti dari implikasi tidak intuitif relativitas khusus yang dikenal sebagai relativitas simultanitas. Jika jarak spasial antara dua peristiwa A dan B lebih besar dari interval waktu antara mereka dikalikan dengan c maka ada kerangka acuan di mana A mendahului B, yang lain di mana B mendahului A, dan yang lain di mana mereka terjadi bersamaan. Akibatnya, jika sesuatu bepergian lebih cepat dari c relatif terhadap sebuah kerangka acuan inersial, maka benda tersebut akan berjalan mundur dalam waktu relatif terhadap bingkai lain, dan kausalitas akan dilanggar.[catatan 6][37] Dalam kerangka acuan ini, sebuah "akibat" bisa diamati sebelum "penyebab"-nya. Pelanggaran kausalitas seperti itu tidak pernah direkam,[17] dan akan menyebabkan paradoks seperti antitelepon takion.[38]

Artikel utama: Lebih cepat dari cahaya

Informasi lebih lanjut: Gerakan superluminal

Ada situasi di mana mungkin tampak bahwa materi, energi, atau informasi bergerak dengan laju lebih besar dari c, tetapi sebenarnya tidak. Misalnya, seperti yang dibahas dalam bagian perambatan cahaya di sebuah medium di bawah, banyak kecepatan gelombang dapat melebihi c. Misalnya, kecepatan fase sinar-X melalui sebagian besar kaca secara rutin dapat melebihi c,[39] tetapi kecepatan fase tidak menentukan kecepatan di mana gelombang menyampaikan informasi.[40]

Jika sinar laser menyapu cepat sebuah objek yang jauh, titik cahayanya dapat bergerak lebih cepat dari c, meskipun gerakan awal titik tersebut tertunda karena waktu yang dibutuhkan cahaya untuk sampai ke objek yang jauh dengan kelajuan c. Namun, satu-satunya entitas fisik yang bergerak adalah laser dan cahaya yang dipancarkan, yang bergerak dengan kelajuan c dari laser ke berbagai posisi tempat titik terlihat. Demikian pula, bayangan yang diproyeksikan ke sebuah objek yang jauh dapat dibuat untuk bergerak lebih cepat dari c, setelah penundaan dalam waktu.[41] Dalam kedua kasus tersebut tidak ada materi, energi, atau informasi yang bergerak lebih cepat dari cahaya.[42]

Tingkat perubahan dalam jarak antara dua objek dalam suatu kerangka acuan terhadap yang keduanya bergerak [kelajuan penutupan mereka] mungkin memiliki nilai lebih dari c. Namun, ini tidak mewakili kecepatan dari setiap objek tunggal yang diukur dalam kerangka inersia tunggal.[42]

Efek kuantum tertentu tampaknya dikirimkan secara instan dan lebih cepat dari c, seperti dalam paradoks EPR. Sebuah contoh melibatkan keadaan kuantum dari dua partikel yang dapat terjerat. Sampai salah satu partikel diamati, mereka berada dalam superposisi dari dua keadaan kuantum. Jika partikel dipisahkan dan keadaan kuantum satu partikel diamati, keadaan kuantum partikel lain ditentukan seketika [lebih cepat dari cahaya yang pergi dari satu partikel ke yang lain]. Namun, tidak mungkin untuk mengontrol keadaan kuantum apa yang partikel pertama akan ambil ketika diamati, sehingga informasi tidak dapat dikirimkan dengan cara ini.[42][43]

Efek kuantum lain yang memprediksi terjadinya kelajuan lebih cepat dari cahaya disebut efek Hartman; dalam kondisi tertentu waktu yang diperlukan untuk sebuah partikel virtual untuk menerowong melalui penghalang adalah konstan, terlepas dari ketebalan penghalang.[44][45] Hal ini dapat mengakibatkan partikel virtual melintasi jarak yang besar lebih cepat dari cahaya. Namun, tidak ada informasi yang dapat dikirim dengan efek ini.[46]

Gerak superluminal terlihat di objek astronomi tertentu,[47] seperti jet relativistik galaksi radio dan kuasar. Namun, jet ini tidak bergerak dengan kelajuan lebih dari laju cahaya: gerakan superluminal yang tampak adalah efek proyeksi yang disebabkan oleh benda yang bergerak mendekati laju cahaya dan mendekati Bumi pada sudut kecil dengan garis pandang: karena cahaya yang dipancarkan ketika jet itu lebih jauh membutuhkan waktu lebih lama untuk mencapai Bumi, waktu antara dua pengamatan berturut-turut sesuai dengan waktu yang lebih lama antara saat sinar-sinar cahaya dipancarkan.[48]

Dalam model alam semesta yang mengembang, semakin jauh galaksi dari satu sama lain, semakin cepat mereka menjauh. Kemunduran ini bukan karena gerakan melalui ruang, melainkan karena perluasan ruang itu sendiri.[42] Misalnya, galaksi yang jauh dari Bumi tampaknya bergerak menjauh dari Bumi dengan kelajuan sebanding dengan jarak mereka. Melampaui batas yang disebut bola Hubble, tingkat di mana jarak mereka dari Bumi meningkat menjadi lebih besar dari laju cahaya.[49]

Dalam fisika klasik, cahaya dideskripsikan sebagai jenis gelombang elektromagnetik. Perilaku klasik medan elektromagnetik dijelaskan oleh persamaan Maxwell, yang memprediksi bahwa kelajuan c di mana gelombang elektromagnetik [seperti cahaya] menyebar melalui vakum terkait dengan konstanta listrik ε0 dan konstanta magnetik μ0 dengan persamaan [50]

Dalam fisika kuantum modern, medan elektromagnetik dijelaskan oleh teori elektrodinamika kuantum [quantum electrodynamics, QED]. Dalam teori ini, cahaya dideskripsikan oleh eksitasi mendasar [atau kuanta] dari medan elektromagnetik, yang disebut foton. Dalam QED, foton adalah partikel tak bermassa dan dengan demikian, menurut relativitas khusus, mereka melakukan perjalanan dengan laju cahaya dalam ruang hampa.

Ekstensi dari QED di mana foton memiliki massa telah dipertimbangkan. Dalam teori semacam itu, kecepatannya akan tergantung pada frekuensi, dan kelajuan invarian c dari relativitas khusus maka akan menjadi batas atas laju cahaya dalam ruang hampa.[26] Variasi laju cahaya yang disebabkan oleh frekuensi belum pernah diamati dalam pengujian yang ketat,[51][52][53] menempatkan batas yang ketat pada massa foton. Batas diperoleh tergantung pada model yang digunakan: jika foton masif dijelaskan menggunakan teori Proca,[54] batas atas eksperimental untuk massa adalah sekitar 10−57 gram;[55] jika massa foton dihasilkan oleh mekanisme Higgs, batas atas eksperimental kurang tajam, m ≤ 10−14 eV/c2 [54] [kira-kira 2 × 10−47 g].

Alasan lain untuk kecepatan cahaya bervariasi sesuai frekuensi adalah kegagalan relativitas khusus untuk berlaku pada skala yang kecil, seperti yang diperkirakan oleh beberapa teori yang diusulkan dari gravitasi kuantum. Pada tahun 2009, pengamatan spektrum semburan sinar gamma GRB 090510 tidak menemukan perbedaan dalam kecepatan foton dengan energi yang berbeda, membenarkan bahwa invariansi Lorentz terverifikasi setidaknya sampai ke skala panjang Planck [lP = √ħG/c3 ≈ 1,6163×10−35 m] dibagi dengan 1,2.[56]

Di sebuah medium

Lihat pula: Indeks bias

Dalam sebuah medium, cahaya biasanya tidak bergerak pada laju yang sama dengan c; berbagai jenis gelombang cahaya akan melakukan perjalanan pada kelajuan yang berbeda. Kelajuan di mana puncak-puncak individu dan palung dari gelombang bidang [gelombang mengisi seluruh ruang, dengan hanya satu frekuensi] merambat disebut kecepatan fase vp. Sinyal fisik dengan batas terbatas [pulsa cahaya] bergerak pada kelajuan yang berbeda. Bagian terbesar dari pulsa berjalan dengan kecepatan kelompok vg, dan bagian paling awal berjalan dengan kecepatan depan vf.

Kecepatan fase penting dalam menentukan bagaimana gelombang cahaya bergerak melalui materi atau dari satu materi ke materi yang lain. Hal ini sering dilambangkan menggunakan indeks bias. Indeks bias dari suatu materi didefinisikan sebagai rasio c terhadap kecepatan fase vp dalam materi: indeks bias lebih besar menunjukkan kelajuan yang lebih rendah. Indeks bias dari suatu materi mungkin tergantung pada frekuensi, intensitas, polarisasi, atau arah perambatan cahaya; tetapi dalam banyak kasus, indeks bias dapat diperlakukan sebagai konstanta yang hanya bergantung pada bahan. Indeks bias udara adalah sekitar 1,0003.[57] Media yang lebih padat, seperti air,[58] kaca,[59] dan intan,[60] memiliki indeks bias masing-masing sekitar 1,3, 1,5 dan 2,4 untuk cahaya tampak. Dalam bahan eksotis seperti kondensat Bose–Einstein di dekat nol mutlak, laju efektif cahaya mungkin hanya beberapa meter per detik. Namun, ini merupakan penundaan yang disebabkan penyerapan dan pemancaran kembali antara atom-atom, begitu pula kelajuan cahaya yang lebih lambat dari c dalam zat materi lainnya. Sebagai contoh ekstrem dari "perlambatan" cahaya dalam materi, dua tim independen dari fisikawan mengaku menjadikan cahaya "berhenti sepenuhnya" dengan melewatkannya melalui kondensat Bose–Einstein dari unsur rubidium, satu tim di Universitas Harvard dan Rowland Institute for Science di Cambridge, Mass., dan yang lainnya di Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, juga di Cambridge. Namun, deskripsi populer cahaya "berhenti" dalam percobaan ini hanya mengacu pada cahaya yang disimpan dalam keadaan tereksitasi dari atom, kemudian kembali dipancarkan pada waktu kemudian, karena dirangsang oleh pulsa laser kedua. Selama "berhenti," hal itu tidak lagi menjadi cahaya. Jenis perilaku ini umumnya benar secara mikroskopis di semua media transparan yang "memperlambat" laju cahaya.[61]

Dalam bahan transparan, indeks bias umumnya lebih besar dari 1, berarti bahwa kecepatan fase kurang dari c. Dalam bahan lain, adalah mungkin untuk indeks bias menjadi lebih kecil dari 1 untuk beberapa frekuensi; di beberapa bahan eksotis bahkan dimungkinkan untuk indeks bias menjadi negatif.[62] Persyaratan bahwa kausalitas tidak dilanggar menyiratkan bahwa bagian real dan imajiner dari konstanta dielektrik dari bahan apapun, sesuai masing-masing dengan indeks bias dan dengan koefisien atenuasi, dihubungkan oleh hubungan Kramer–Kronig.[63] Dalam bahasa praktis, ini berarti bahwa dalam bahan dengan indeks bias kurang dari 1, penyerapan gelombang terjadi sangat cepat sehingga tidak ada sinyal yang dapat dikirim lebih cepat dari c.

Sebuah pulsa dengan kecepatan kelompok dan fase yang berbeda [yang terjadi jika kecepatan fase tidak sama untuk semua frekuensi pulsa] menyebar dari waktu ke waktu, sebuah proses yang dikenal sebagai dispersi. Bahan-bahan tertentu memiliki kecepatan kelompok yang sangat rendah [atau bahkan nol] untuk gelombang cahaya, fenomena yang disebut cahaya lambat, yang telah dikonfirmasi di berbagai eksperimen.[64][65][66][67] Sebaliknya, kecepatan kelompok melebihi c, juga telah ditunjukkan dalam percobaan.[68] Bahkan mungkin untuk kecepatan kelompok menjadi tak terhingga atau negatif, dengan pulsa bepergian secara instan atau mundur dalam waktu.[69]

Tak satu pun dari pilihan ini, bagaimanapun, memungkinkan informasi dikirim lebih cepat dari c. Tidak mungkin untuk mengirimkan informasi dengan pulsa cahaya lebih cepat dari kecepatan bagian awal dari pulsa [kecepatan depan]. Bisa ditunjukkan bahwa kecepatan depan [di bawah asumsi tertentu] selalu sama dengan c.[69]

Mungkin saja sebuah partikel melakukan perjalanan melalui media lebih cepat daripada kecepatan fase cahaya dalam medium [tetapi masih lebih lambat dari c]. Ketika partikel bermuatan melakukan itu dalam bahan dielektrik, ekuivalen elektromagnetik dari gelombang kejut, dikenal sebagai radiasi Cherenkov, dipancarkan.[70]

Laju cahaya relevan dengan komunikasi: waktu tunda pulang-pergi dan satu arah pasti bernilai lebih besar dari nol. Hal ini berlaku dari skala kecil sampai astronomi. Di sisi lain, beberapa teknik bergantung pada laju terbatas cahaya, misalnya dalam pengukuran jarak.

Skala kecil

Dalam superkomputer, kecepatan cahaya memberlakukan batas pada seberapa cepat data dapat dikirim antara prosesor. Jika prosesor beroperasi pada 1 gigahertz, sinyal hanya dapat melakukan perjalanan maksimum sekitar 30 cm dalam satu siklus. Prosesor karena itu harus ditempatkan dekat satu sama lain untuk meminimalkan latensi komunikasi; ini dapat menyebabkan kesulitan dengan pendingin. Jika frekuensi jam terus meningkat, laju cahaya pada akhirnya akan menjadi faktor pembatas untuk desain internal cip tunggal.[71]

Jarak yang besar di Bumi

Karena lingkar ekuator Bumi memiliki panjang sekitar 40.075 km dan c bernilai sekitar 300.000 km/s, waktu tersingkat teoretis yang dibutuhkan sepotong informasi untuk melakukan perjalanan melintasi setengah keliling permukaan Bumi adalah sekitar 67 milidetik. Ketika cahaya berjalan di seluruh dunia dalam serat optik, waktu transit yang sebenarnya lebih panjang, sebagian karena kecepatan cahaya lebih lambat sekitar 35% dalam serat optik, tergantung pada indeks bias n-nya.[72] Selanjutnya, garis lurus jarang terjadi dalam situasi komunikasi global, dan penundaan terjadi ketika sinyal melewati sebuah switch elektronik atau regenerator sinyal.[73]

Penerbangan ruang angkasa dan astronomi

Demikian pula, komunikasi antara Bumi dan pesawat ruang angkasa tidak seketika. Ada penundaan singkat dari sumber ke penerima, yang menjadi lebih terlihat ketika jarak meningkat. Penundaan ini signifikan bagi komunikasi antara kontrol tanah dan Apollo 8 ketika menjadi pesawat ruang angkasa berawak pertama yang mengorbit Bulan: untuk setiap pertanyaan, stasiun kontrol tanah harus menunggu setidaknya tiga detik untuk jawaban tiba.[74] Penundaan komunikasi antara Bumi dan Mars bisa bervariasi antara lima dan dua puluh menit tergantung pada posisi relatif dari kedua planet tersebut. Sebagai konsekuensi dari ini, jika robot di permukaan Mars menghadapi masalah, pengendali manusia tidak akan menyadari hal itu sampai setidaknya lima menit kemudian, dan mungkin sampai dua puluh menit kemudian; kemudian akan membutuhkan lima sampai dua puluh menit bagi petunjuk untuk melakukan perjalanan dari Bumi ke Mars.

NASA harus menunggu beberapa jam untuk informasi dari pesawat ruang angkasa yang mengorbit Jupiter, dan jika perlu untuk memperbaiki kesalahan navigasi, perbaikan tidak akan sampai pada pesawat ruang angkasa untuk jumlah waktu yang sama, menciptakan risiko koreksi tidak tiba pada waktunya.

Menerima cahaya dan sinyal dari sumber astronomi jauh bahkan dapat memakan waktu lebih lama. Sebagai contoh, dibutuhkan 13 miliar [13×109] tahun bagi cahaya untuk melakukan perjalanan ke Bumi dari galaksi jauh yang dilihat dalam gambar Hubble Ultra Deep Field.[75][76] Foto-foto itu, yang diambil hari ini, menangkap gambar galaksi sebagaimana mereka tampak 13 miliar tahun yang lalu, ketika alam semesta berusia kurang dari satu miliar tahun.[75] Fakta bahwa objek yang lebih jauh tampak lebih muda, karena laju cahaya yang terbatas, memungkinkan para astronom untuk menyimpulkan evolusi bintang, galaksi, dan alam semesta itu sendiri.

Jarak astronomi kadang-kadang dinyatakan dalam tahun cahaya, terutama dalam publikasi sains populer dan media.[77] Satu tahun cahaya adalah jarak yang ditempuh cahaya dalam satu tahun, sekitar 9461 miliar kilometer, 5879 miliar mil, atau 0,3066 parsec. Dalam angka bulat, satu tahun cahaya adalah hampir 10 triliun kilometer atau hampir 6 triliun mil. Proxima Centauri, bintang terdekat dengan Bumi setelah Matahari, sekitar 4,2 tahun cahaya.[78]

Pengukuran jarak

Artikel utama: Pengukuran jarak

Sistem radar mengukur jarak ke target dengan waktu yang dibutuhkan pulsa gelombang radio untuk kembali ke antena radar setelah dipantulkan oleh target: jarak ke target adalah setengah waktu transit pulang-pergi yang dikalikan dengan laju cahaya. Sebuah penerima Global Positioning System [GPS] mengukur jarak ke satelit GPS berdasarkan berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk sinyal radio tiba dari setiap satelit, dan dari jarak ini menghitung posisi penerima. Karena cahaya bergerak sekitar 300.000 kilometer [186.000 mi] dalam satu detik, pengukuran pecahan kecil dari detik harus sangat tepat. Lunar Laser Ranging Experiment, astronomi radar dan Deep Space Network menentukan jarak ke Bulan,[79] planet[80] dan pesawat ruang angkasa,[81] secara berurutan, dengan mengukur waktu transit pulang-pergi.

Perdagangan frekuensi tinggi

Laju cahaya telah menjadi penting dalam perdagangan frekuensi tinggi, di mana para pedagang berusaha untuk mendapatkan keuntungan menit dengan memberikan perdagangan mereka untuk pertukaran pecahan detik lebih dulu dari pedagang lainnya. Misalnya, pedagang telah beralih ke komunikasi gelombang mikro antara hub perdagangan, karena keuntungan gelombang mikro bepergian di dekat laju cahaya di udara, lebih dari sinyal serat optik yang bepergian 30-40% lebih lambat dari laju cahaya melalui kaca.[82]

Ada berbagai cara untuk menentukan nilai c. Salah satu cara adalah dengan mengukur laju yang sebenarnya di mana gelombang cahaya merambat, yang dapat dilakukan dengan berbagai setup astronomi dan berbasis-bumi. Namun, juga mungkin untuk menentukan c dari hukum fisika lainnya di mana ia muncul, misalnya, dengan menentukan nilai-nilai konstanta elektromagnetik ε0 dan μ0 dan menggunakan hubungan mereka dengan c. Secara historis, hasil yang paling akurat telah diperoleh dengan secara terpisah menentukan frekuensi dan panjang gelombang sinar, dengan hasil kali mereka menyamai c.

Pada tahun 1983 meter didefinisikan sebagai "panjang jalan yang ditempuh oleh cahaya dalam ruang hampa selama selang waktu dari ​1⁄299.792.458 detik",[83] menetapkan nilai laju cahaya di 299.792.458 m/s secara definisi, seperti yang dijelaskan di bawah ini. Akibatnya, pengukuran akurat dari kecepatan cahaya menghasilkan realisasi akurat dari meter, bukannya nilai yang akurat dari c.

Pengukuran astronomis

Luar angkasa adalah tempat yang nyaman untuk mengukur laju cahaya karena skalanya yang besar dan vakumnya yang hampir sempurna. Biasanya, seseorang mengukur waktu yang dibutuhkan untuk cahaya untuk melintasi jarak referensi dalam tata surya, seperti jari-jari orbit bumi. Secara historis, pengukuran tersebut dapat dibuat cukup akurat, dibandingkan dengan seberapa akurat panjang jarak referensi dikenal di unit berbasis Bumi. Sudah menjadi kebiasaan untuk mengekspresikan hasilnya dalam satuan astronomi [SA] per hari.

Ole Christensen Rømer menggunakan pengukuran astronomis untuk membuat estimasi kuantitatif pertama dari laju cahaya.[84][85] Ketika diukur dari Bumi, periode bulan yang mengorbit sebuah planet lebih pendek saat Bumi mendekati planet tersebut daripada ketika bumi sedang menjauhinya. Jarak yang ditempuh oleh cahaya dari planet [atau bulannya] ke Bumi lebih pendek saat Bumi berada pada titik di orbitnya yang paling dekat dengan planet dibandingkan saat Bumi berada pada titik terjauh di orbitnya, perbedaan jarak adalah diameter orbit Bumi mengelilingi Matahari. Perubahan yang diamati dalam periode orbit bulan disebabkan oleh perbedaan waktu yang dibutuhkan cahaya untuk melintasi jarak yang lebih pendek atau lebih panjang. Rømer mengamati efek ini untuk bulan terdalam Jupiter Io dan menyimpulkan bahwa cahaya memerlukan 22 menit untuk menyeberangi diameter orbit bumi.

Cara lain adalah dengan menggunakan aberasi cahaya, ditemukan dan dijelaskan oleh James Bradley pada abad ke-18.[86] Efek ini dihasilkan dari penjumlahan vektor dari laju cahaya yang datang dari sumber yang jauh [seperti bintang] dan kecepatan pengamat [lihat diagram di sebelah kanan], sehingga seorang pengamat yang bergerak melihat cahaya yang datang dari arah yang sedikit berbeda dan akibatnya melihat sumber di posisi yang bergeser dari posisi semula. Karena arah kecepatan bumi berubah terus-menerus ketika Bumi mengorbit Matahari, efek ini menyebabkan posisi bintang tampak bergerak. Dari perbedaan sudut dalam posisi bintang [maksimal 20,5 detik busur][87] adalah mungkin untuk mengekspresikan laju cahaya dalam hal kecepatan Bumi mengelilingi matahari, yang dengan panjang selang waktu setahun dapat dikonversi ke waktu yang dibutuhkan untuk perjalanan dari Matahari ke Bumi. Pada 1729, Bradley menggunakan metode ini untuk mendapatkan bahwa cahaya melakukan perjalanan 10.210 kali lebih cepat dari Bumi di orbitnya [angka modern 10.066 kali lebih cepat] atau, secara setara, bahwa cahaya membutuhkan 8 menit 12 detik untuk melakukan perjalanan dari Matahari ke Bumi.[86]

Satuan astronomi

Satuan astronomi [SA] adalah kira-kira jarak rata-rata antara Bumi dan Matahari. SA didefinisikan kembali pada tahun 2012 sebagai persis 149.597.870.700 m.[88][89] Sebelumnya SA tidak didasarkan pada Sistem Satuan Internasional tetapi dalam hal gaya gravitasi yang diberikan oleh Matahari dalam mekanika klasik.[catatan 7] Definisi saat ini menggunakan nilai yang direkomendasikan dalam meter untuk definisi satuan astronomi sebelumnya, yang ditentukan oleh pengukuran.[88] Redefinisi ini analog dengan meter, dan juga memiliki efek menetapkan laju cahaya ke nilai yang tepat dalam satuan astronomi per detik [melalui laju cahaya yang tepat dalam meter per detik].

Sebelumnya, kebalikan dari c dinyatakan dalam detik per satuan astronomi diukur dengan membandingkan waktu untuk sinyal radio untuk mencapai pesawat ruang angkasa yang berbeda di Tata Surya, dengan posisi mereka dihitung dari efek gravitasi Matahari dan berbagai planet. Dengan menggabungkan banyak pengukuran tersebut, nilai terbaik untuk waktu cahaya per satuan jarak dapat diperoleh. Misalnya, pada tahun 2009, estimasi terbaik, yang disetujui oleh International Astronomical Union [IAU], adalah:[91][92]

Ketidakpastian relatif dalam pengukuran ini adalah 0,02 bagian per miliar [2×10−11], setara dengan ketidakpastian dalam pengukuran panjang berbasis Bumi dengan interferometri.[93] Karena meter didefinisikan sebagai jarak tempuh cahaya dalam interval waktu tertentu, pengukuran waktu cahaya dalam hal definisi satuan astronomi yang sebelumnya juga dapat diartikan sebagai mengukur panjang satu SA [definisi lama] dalam meter.[catatan 8]

Teknik waktu terbang

Salah satu metode pengukuran laju cahaya adalah mengukur waktu yang dibutuhkan oleh cahaya untuk melakukan perjalanan ke cermin di jarak yang diketahui dan kembali. Ini adalah prinsip yang bekerja pada aparatus Fizeau–Foucault yang dikembangkan oleh Hippolyte Fizeau dan Léon Foucault.

Pengaturan seperti yang digunakan oleh Fizeau terdiri dari seberkas cahaya diarahkan pada cermin 8 kilometer [5 mi] jauhnya. Dalam perjalanan dari sumber ke cermin, berkas cahaya melewati roda bergigi yang berputar. Pada tingkat rotasi tertentu, berkas cahaya melewati satu celah di jalan keluar dan celah lain dalam perjalanan kembali, tetapi pada tingkat sedikit lebih tinggi atau lebih rendah, berkas cahaya menghantam gigi dan tidak melewati roda. Mengetahui jarak antara roda dan cermin, jumlah gigi pada roda, dan tingkat rotasi, laju cahaya dapat dihitung.[94]

Metode Foucault menggantikan roda bergigi dengan cermin berputar. Karena cermin terus berputar sementara cahaya berjalan ke cermin jauh dan kembali, cahaya dipantulkan dari cermin berputar pada sudut yang berbeda pada jalan keluar daripada di jalan kembali. Dari perbedaan sudut ini, kelajuan rotasi dan jarak ke cermin jauh yang diketahui laju cahaya dapat dihitung.[95]

Saat ini, menggunakan osiloskop dengan resolusi waktu kurang dari satu nanodetik, laju cahaya dapat langsung diukur dengan waktu penundaan pulsa cahaya dari laser atau LED dipantulkan dari cermin. Metode ini kurang tepat [dengan kesalahan berorde 1%] daripada teknik modern lainnya, tetapi kadang-kadang digunakan sebagai percobaan laboratorium di kelas fisika perguruan tinggi.[96][97][98]

Konstanta elektromagnetik

Opsi untuk menurunkan c yang tidak secara langsung tergantung pada pengukuran perambatan gelombang elektromagnetik adalah dengan menggunakan hubungan antara c dan permitivitas vakum ε0 dan permeabilitas vakum μ0 didirikan oleh teori Maxwell: c2 = 1/[ε0μ0]. Permitivitas vakum dapat ditentukan dengan mengukur kapasitansi dan dimensi kapasitor, sedangkan nilai permeabilitas vakum adalah tetap di persis 4π×10−7 H⋅m−1 melalui definisi ampere. Rosa dan Dorsey menggunakan metode ini pada tahun 1907 untuk menemukan nilai 299.710±22 km/s.[99][100]

Resonansi rongga

Cara lain untuk mengukur laju cahaya adalah dengan secara terpisah mengukur frekuensi f dan panjang gelombang λ dari gelombang elektromagnetik dalam vakum. Nilai c kemudian didapatkan dengan hubungan c = fλ. Salah satu pilihannya adalah mengukur frekuensi resonansi dari sebuah resonator rongga. Jika dimensi rongga resonansi juga diketahui, ini dapat digunakan untuk menentukan panjang gelombang dari gelombang itu. Pada tahun 1946, Louis Essen dan A.C. Gordon-Smith menentukan frekuensi dari sebuah macam mode normal gelombang mikro dari rongga gelombang mikro dengan dimensi yang diketahui dengan teliti. Dimensi ditentukan dengan akurasi sekitar ±0,8 μm menggunakan alat ukur yang dikalibrasi dengan interferometri.[99] Karena panjang gelombang mode diketahui dari geometri rongga dan dari teori elektromagnetik, pengetahuan dari frekuensi yang terkait memungkinkan penghitungan panjang gelombang.[99][101]

Hasil Essen-Gordon-Smith, 299.792±9 km/s, secara substansial lebih tepat daripada yang ditemukan dengan teknik optik.[99] Pada tahun 1950, pengukuran ulang oleh Essen menetapkan hasil 299.792,5±3,0 km/s.[102]

Sebuah demonstrasi rumah tangga dari teknik ini adalah mungkin, menggunakan oven gelombang mikro dan makanan seperti marshmallow atau margarin: jika meja putar diambil sehingga makanan tidak bergerak, makanan akan termasak paling cepat di perut gelombang [titik-titik di mana amplitudo gelombang adalah yang terbesar], di mana ia akan mulai mencair. Jarak antara dua titik tersebut adalah setengah panjang gelombang dari gelombang mikro; dengan mengukur jarak ini dan mengalikan panjang gelombang dengan frekuensi gelombang mikro [biasanya ditampilkan di bagian belakang oven, biasanya 2450 MHz], nilai c dapat dihitung, "biasanya dengan kesalahan kurang dari 5%".[103][104]

Interferometri

Interferometri adalah metode lain untuk menemukan panjang gelombang radiasi elektromagnetik untuk menentukan laju cahaya.[105] Seberkas cahaya koheren [misalnya dari laser], dengan frekuensi yang diketahui [f], dibagi untuk mengikuti dua jalur dan kemudian digabungkan. Dengan menyesuaikan panjang jalur sambil mengamati pola interferensi dan dengan hati-hati mengukur perubahan panjang jalur, panjang gelombang cahaya [λ] dapat ditentukan. Laju cahaya kemudian dihitung menggunakan persamaan c = λf.

Sebelum munculnya teknologi laser, sumber radio yang koheren digunakan untuk pengukuran interferometri dari laju cahaya.[106] Namun penentuan interferometri dari panjang gelombang semakin kurang tepat seiring bertambahnya panjang gelombang sehingga ketepatan percobaan terbatasi oleh panjang gelombang radio yang panjang [~0,4 cm]. Presisi dapat ditingkatkan menggunakan cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek, tetapi kemudian menjadi sulit untuk langsung mengukur frekuensi cahaya. Salah satu cara mengatasi masalah ini adalah mulai dengan sinyal frekuensi rendah dari frekuensi yang dapat diukur dengan tepat, dan dari sinyal ini semakin mensintesis sinyal frekuensi yang lebih tinggi yang frekuensinya dapat dihubungkan dengan sinyal asli. Sebuah laser kemudian dapat dikunci frekuensinya, dan panjang gelombang dapat ditentukan dengan interferometri.[107] Teknik ini berasal dari sebuah kelompok di National Bureau of Standards [NBS] [yang kemudian menjadi NIST]. Mereka menggunakannya pada tahun 1972 untuk mengukur laju cahaya dalam ruang hampa dengan ketidakpastian pecahan 3,5 × 10-9.3,5×10−9.[107][108]