(Image credits: Vsauce)Brzina svjetlosti iznosi 299 792 458 m/s. No, što je s brzinom mraka? Mrak je zaista samo odsutnost fotona, no tamne sjene mogu imati neka poprilično nevjerojatna svojstva.
Strogo govoreći, mrak ne može imati brzinu. Ne kreće se niti na jedan način. Međutim, ako držimo da je mrak odsustvo svjetlosti, te nestaje kad se ono pojavi, mrak nestaje istom brzinom kojom svjetlost nastaje. Prema tome, brzina mraka je jednaka brzini svjetlosti.
A odgovor na pitanje koja je brzina svjetlosti promijenio je naše razumijevanje prirode svemira.
Bazirajući se na radu Michaela Faradayja o fenomenu elektriciteta i magnetizma iz 1830-ih, škotski fizičar James Clark Maxwell prvi je objedinio sve prethodne opise načina na koje nastaju električna i magnetska polja i duboke povezanosti između njih. Njegov rad kulminirao je u četiri formule koje opisuju sve što se treba znati o elektricitetu i magnetizmu. Maxwellove formule jedne su od najvažnijih otkrića u povijesti znanosti.
Jedna od mnogih stvari koje opisuju Maxwellove formule jest postojanje putujućeg vala sagrađenog od električnih i magnetskih polja. U Maxwellovo vrijeme takav elektromagnetski val još nije bio poznat, no njegove su formule ne samo predvidjele te valove, već su predvidjele i brzinu kojom bi se ti valovi kretali slobodnim prostorom – 300 000 km/s! Maxwell je znao da je ta predviđena brzina vrlo blizu izmjerenoj brzini svjetlosti. Povezao je to dvoje i shvatio da je svjetlost oblik elektromagnetske smetnje. Tako je nastao koncept svjetlosti kao elektromagnetskog vala.
Tijekom svojih pokusa Faraday je pokazao da bi pomicanje žice u magnetskom polju izazvalo električnu struju koja teče kroz žicu, te da to generira magnetno polje ovisno u kojem smjeru teče. Maxwellove formule objašnjavaju kako elektromagnetski valovi šire kroz prostor. Promjena električnog polja stvara promijenjeno magnetsko polje koje zauzvrat stvara promijenjeno električno polje. Taj krug se nastavlja, proizvodi promijenjene petlje električnog i magnetskog polja koje formiraju elektromagnetski val koji se kreće brzinom svjetlosti. Za razliku od vodenih ili zvučnih valova kojima je potreban medij u kojem će opstati, elekromagnetski valovi su samoodrživi i slobodno putuju vakuumom svemira.
Danas znamo da je vidljivo svijetlo samo jedan od mnogih oblika elektromagnetske radijacije koja formira raznolik spektar, od radiovalova pa do gama-zraka (vidljiva svjetlost je negdje u sredini spektra).
Svaki val od prethodnog se razlikuje po svojoj valnoj duljini, gama-zrake imaju valnu duljinu barem milijardu puta manju od radiovalova, no svi oblici elektromagnetske radijacije omogućavaju joj da se kreće konstantno istom brzinom, otprilike 300 000 km/s, baš kao što je Maxwell predvidio.
Maxwellove formule odgovaraju na naše pitanje – brzina svjetlosti je oko 300 000 km/s. No, samo to predviđanje je zagonetno. Formule ne spominju kako bi mogli izmjeriti brzinu svjetlosti. Mjerenje brzine bilo kojeg objekta jest bilježenje vremena u kojem objektu treba da prođe određenu udaljenost. U našem svakodnevnom životu brzine su relativne. Npr. auto se u srednjoj traci kreće 110 km/h, zapravo se kreće relativnom brzinom od 20 km/h dok pretječe vozilo koje se kreće 90 km/h. Maxwellove formule nam ne govore kako bi trebali izmjeriti brzinu svjetlosti, nego da je većina brzina relativna, no ne i brzina svjetlosti.
Albert Einstein je razriješio tu zagonetku. Einstein je smatrao da je brzina svjetlosti osnovna konstanta prirode. Bez obzira na stanje kretanja, izvor svjetlosti ili promatrača, sva mjerenja svjetlosti su ista. Kad bismo upalili farove auta koji se kreće polovinu brzine svjetlosti, 150 000 km/s, brzina svjetlosti bi i dalje bila ista. Trak svjetlosti bi se opet kretao brzinom od 300 000 km/s. Netko tko bi promatrao taj auto kako prolazi također bi mogao vidjeti da se trak svjetlosti kreće točno brzinom svjetlosti. To je upravo ono što nam Maxwellove formule pokazuju, svjetlost se kreće istom brzinom za sve. To je ono što čini svjetlost svjetlošću!
To razumijevanje Maxwellovih formula Einsteina je dovelo je do njegove slavne teorije posebne relativnosti, koju je objavio 1905. godine. U toj teoriji brzina kojom se svi oblici elektromagnetske radijacije, kao i vidljiva svjetlost, kreću kroz prazan prostor je osnovna fizička konstanta i određuje gornju granicu brzine kojom se tvar može kretati. Posebna relativnost sagledava prostor i vrijeme koji su povezani brzinom svjetlosti (oznaka c) koja veže i masu i energiju uz prostor i vrijeme, od čega proizlazi slavna formula E=mc².
Teorija posebne relativnosti stavlja brzinu svjetlosti u vakuum kao kozmičku granicu brzine, ništa u svemiru ne može putovati brže od svjetlosti u praznom prostoru. Zašto? Svjetlost je posebna po tome što ne posjeduje „preostalu” masu. Ako ulovimo lopticu, nestaje energija i kretanje, no ostala nam je loptica koja ima masu, to je „preostala” masa loptice. Ako prinesete ruku žarulji kako bi ulovili svjetlost, ruka će apsorbirati dio topline i bit će sve toplija, no i toplina prestaje i ništa ne preostaje od svjetlosti, nema „preostale mase”.
Jedna od posljedica Einsteinove teorije je da ako se poveća brzina objekta s „preostalom” masom, masa se tog objekta isto povećava. Povećanje brzine u našoj svakidašnjici je zamarivo, no pri brzini svjetlosti masa se počinje vrlo naglo povećavati prema beskonačnosti. Prema tome, sila koja traži povećanje brzine također uzrokuje povećanje mase. Stoga, nemoguće je ubrzati bilo koji objekt s „preostalom” masom većom od nule do brzine svjetlosti. Brzina svjetlosti zaista je krajnja granica za običnu tvar u svemiru.
Napokon, zanimljivo je spomenuti da postoji tzv. crno svjetlo (ultraljubičasto svjetlo). Ultraljubičaste svjetiljke proizvode svoju svjetlost u ultraljubičastom dijelu spektra elektromagnetske radijacije. Ultraljubičasta svjetla imaju široku primjenu u medicini, te s ekoriste i kako bi se promotrili i detektirali objekti koji svijetle pod ultraljubičastim svjetlom, te se još koriste kao umjetnička rasvjeta. U ovom slučaju brzina „mraka” ista je kao i brzina svjetlosti.
Pogledajte ovaj video koji istražuje brzinu svjetlosti, sjene, faze sumraka i koji će vam pokazati trud u prikupljenju znanja nakon shvaćanja koliko je naše neznanje još uvijek duboko:
