Szinte mindenki tudja, hogy az értéke megközelítőleg 300 000 kilométer másodpercenként. Általában azt gondoljuk, hogy egyszerűen ez az a sebesség, amellyel a fény terjed. A valóságban azonban ez a dolog sokkal mélyebb és érdekesebb.
Ez a mennyiség valójában nem is a megszokott értelemben vett fényről szól. Ez egy fundamentális határa annak, hogy a Világegyetemben milyen maximális sebességgel terjedhetnek az ok-okozati összefüggések. A fény itt csupán egy speciális eset.
A történet jóval Einstein előtt kezdődik. 1632-ben Galileo Galilei megfogalmazta a relativitás elvét: egyetlen sebesség sem kiváltságos, és a fizika törvényei minden inerciarendszerben azonosak.
Később Isaac Newton beépítette ezt az elvet a mechanikájába. A newtoni világképben a sebességek egyszerűen összeadódnak. Ha egy mozgó vonaton sétálsz, akkor a földhöz viszonyított sebességed egyenlő a vonat sebességének és a vagonhoz viszonyított saját sebességednek az összegével. A teret és az időt eközben abszolútnak és a mozgástól függetlennek tekintjük.
A 19. században a helyzet drasztikusan megbonyolódott. James Clerk Maxwell egyetlen egyenletrendszerben egyesítette az elektromosságot és a mágnesességet. Ezekből az egyenletekből következett az elektromágneses hullámok létezése, amelyek egy meghatározott, alapvető elektromos és mágneses állandókkal kifejezhető sebességgel terjednek.
És ez a sebesség mindig ugyanakkorának adódott – függetlenül a forrás mozgásától.
A newtoni mechanika keretein belül ez szinte hibának tűnt: ha a sebességek összeadódnak, akkor a különbözőképpen mozgó megfigyelőknek különböző értékeket kellene mérniük. Maxwell egyenletei azonban ezt nem engedték meg. Azt követelték, hogy létezzen egy univerzális sebesség.
A probléma nem Maxwell elméletében, hanem a térről és időről alkotott elképzeléseinkben rejlett.
Egy holland fizikus, Hendrik Lorentz talált egy matematikai transzformációt, amely révén az elektrodinamika egyenletei megőrzik formájukat a mozgó vonatkoztatási rendszerek közötti átmenet során. Később Albert Einstein ismerte fel ennek a transzformációnak a fizikai jelentését.
A tér és az idő nem független és abszolút mennyiségek. Egyetlen közös struktúrába, a téridőbe fonódnak össze. Magában a transzformációs képletben pedig megjelenik a c paraméter – a határsebesség.
Ezt a paramétert nem „a fény kedvéért” vezették be. Az egész felhajtás kimondottan a fénysebesség körül csupán egy logikai fogás, hogy egy ilyen bonyolult mennyiséget valami rendkívül egyszerűhöz kössünk. És a fény korántsem a legfontosabb ebben a történetben.
Ez a határ a szimmetria és a világ logikai ellentmondásmentességének követelményeiből fakad.
Ha a fizika törvényei minden megfigyelő számára azonosak, ha nincs kitüntetett vonatkoztatási rendszer, és ha a rendszerek közötti átmeneteknek belsőleg ellentmondásmentesnek kell lenniük, akkor a koordináták összekapcsolásának egyetlen lehetséges módja a Lorentz-transzformáció. Ezzel együtt pedig felbukkan az univerzális sebességhatár is.
Érdekes, hogy Newton Galilei-transzformációi csupán a Lorentz-transzformációk speciális esetének bizonyulnak – méghozzá akkor, amikor a c a végtelenhez tart. Ha a sebességhatár végtelen lenne, a jelek azonnal terjednének. Az oknak és az okozatnak nem lenne sorrendje, minden esemény azonnal hatással lenne egymásra. A tér elveszítené a távolság, az idő pedig a sorrendiség jelentését.
Sőt, a tömeg létezése is problémává válna – egy ilyen elméletben végtelen energiára lenne szükség ahhoz, hogy egy testet tömeggel ruházzunk fel. A Világegyetem egy furcsa, struktúra nélküli „itt és most”-tá válna. Már az a puszta tény, hogy az eseményeknek sorrendje van, egy véges határsebesség létezését bizonyítja.
Amikor az elektrodinamikát a Lorentz-transzformációval összhangban lévő formában írják fel, megdöbbentő dolog derül ki. Ugyanaz a c paraméter, amely a téridő szerkezetét meghatározza, megegyezik az elektromágneses hullámok terjedési sebességével. Vagyis a fénysebesség nem azért egyezik meg az okozatiság sebességével, mert a fény „különleges”, hanem azért, mert a fénynek nincs tömege.
A speciális relativitáselméletben mindennek, aminek nincs tömege, kötelezően a határsebességgel kell mozognia. Minden, aminek van tömege, mindig lassabban mozog. Egy test felgyorsításához a c sebességre végtelen energiára lenne szükség – innen ered a híres összefüggés: E=mc².
Tehát a fénysebesség nem csupán a fotonok jellemzője. Ez egy fundamentális geometriai állandó, amely meghatározza, hogyan kapcsolódik össze a tér és az idő. Ez az a maximális sebesség, amellyel bármilyen kölcsönhatás és információ terjedhet. A fény csak az első általunk megismert jelenség volt, amely ezen a határon mozog.
A valódi neve – az okozatiság sebessége. És pont annak köszönhetően, hogy ez véges, létezhet a Világegyetemben struktúra, anyag, eseménysorrend, és maga a fizikai valóság is az általunk megszokott formában.
