Швидкість світла у вакуумі зазвичай позначається як й дорівнює точно 299792458 м/с. Відповідно до спеціальної теорії відносності Ейнштейна, — це верхня межа швидкості, з якою можуть рухатись частинки або передаватись будь-який сигнал. Швидкість світла в речовині менша за швидкість світла у вакуумі в разів, де — показник заломлення речовини.
Усі форми електромагнітного випромінювання у вакуумі поширюються зі швидкістю світла. Для багатьох практичних цілей світло та інші електромагнітні хвилі поширюються миттєво, але для великих відстаней і дуже чутливих вимірювань скінченність їхньої швидкості має помітний ефект. Світло зір приходить на Землю із запізненням в багато років, що дозволяє вивчати давнє минуле Всесвіту, спостерігаючи далекі об'єкти. Під час зв'язку з далекими космічними апаратами передача сигналу може тривати багато хвилин або навіть кілька годин. В обчислювальній техніці швидкість світла задає мінімально можливу затримку зв'язку. Запізнення прибуття світлового сигналу можна використовувати для визначення відстаней об'єктів, — наприклад, в радарах або в системах GPS.
У 1676 році Оле Ремер вперше , вивчаючи видимий рух Іо, супутника Юпітера. Протягом наступних століть з'являлися точніші вимірювання. У , опублікованій у 1865 році, Джеймс Клерк Максвелл припустив, що світло є електромагнітною хвилею і, отже, поширюється зі швидкістю . У 1905 році Альберт Ейнштейн постулював, що швидкість світла відносно будь-якої інерціальної системи відліку є сталою і не залежить від руху джерела світла. З цього постулату він вивів теорію відносності, показавши таким чином, що константа стосується не тільки світла та електромагнетизму.
Безмасові частинки та поля, такі як гравітаційні хвилі, також рухаються у вакуумі зі швидкістю . Частинки з відмінною від нуля масою спокою можуть наближатись до швидкості , але не в змозі досягти її. У спеціальній і загальній теоріях відносності пов'язує простір і час, а також фігурує у відомому рівнянні еквівалентності маси та енергії See, for example:.
У деяких випадках може здаватися, що об'єкти або хвилі рухаються швидше за світло (наприклад, фазові швидкості хвиль, вигляд певних високошвидкісних астрономічних об'єктів, окремі квантові ефекти). Розширення Всесвіту на певній відстані від спостерігача досягає швидкості світла.
Швидкість, з якою світло поширюється крізь прозорі матеріали, такі як скло або повітря, менша за . Аналогічно, швидкість електромагнітних хвиль у дротяних кабелях менша за . Співвідношення між та швидкістю , з якою світло поширюється в речовині, називається показником заломлення матеріалу (). Наприклад, для видимого світла показник заломлення скла зазвичай становить близько 1,5, тобто світло в склі поширюється зі швидкістю c/1,5 ≈ 200 000 км/с. Показник заломлення повітря для видимого світла становить близько 1,0003, тому швидкість світла в повітрі приблизно на 90 км/с менша, ніж .
Позначення Швидкість світла у вакуумі зазвичай позначають малою літерою , від «константа» або від латинського (що значить «швидкість, стрімкість»). У 1856 році Вільгельм Вебер і Рудольф Кольрауш використали для іншої сталої, яка, як виявилося пізніше, дорівнює швидкостям світла. Історично як альтернативне позначення для швидкості світла вживався символ V, введений Джеймсом Клерком Максвеллом 1865 року. В 1903 році Макс Абрагам використав в сучасному значенні в своїй дуже популярній книзі з електромагнетизму. Альберт Ейнштейн використовував V у своїх оригінальних німецькомовних статтях 1905 року зі спеціальної теорії відносності, однак 1907 року він перейшов на , яке до того часу вже стало стандартним позначенням для швидкості світла«The origins of the letter c being used for the speed of light can be traced back to a paper of 1856 by Weber and Kohlrausch […] Weber apparently meant c to stand for 'constant' in his force law, but there is evidence that physicists such as Lorentz and Einstein were accustomed to a common convention that c could be used as a variable for velocity. This usage can be traced back to the classic Latin texts in which c stood for 'celeritas' meaning 'speed'.».
Інколи вживають для швидкості хвиль у будь-якій речовині, а 0 для швидкості світла у вакууміДив. наприклад:
. Це позначення з індексом, схвалене в офіційній літературі системи SI, має таку саму форму, як і відповідні електромагнітні константи: μ0 для магнітної сталої, ε0 для електричної сталої, Z0 для хвильового опору вакууму. У цій статті позначає виключно швидкість світла у вакуумі.
З 1983 року константа була визначена в Міжнародній системі одиниць рівною точно . Вона була використана для визначення метра як відстані, яку світло проходить у вакуумі рівно за секунди. Таким чином, використовуючи значення , а також точне вимірювання секунди, можна встановити стандарт для метраSee, for example:.
У галузях фізики, де часто зустрічається, наприклад, у теорії відносності, зазвичай використовують природні системи одиниць, в яких .
Швидкість світла як фундаментальна фізична стала
Фундаментальна фізична стала швидкість світла в Міжнародній системі одиниць SI її визначено резолюцією 1 17-ї Генеральної конференції мір і ваг:
c = 299 792 458 м/с.
Це єдина фізична стала в основних рівняннях електродинаміки. Вона не залежить від системи відліку, тобто однакова для будь-якого спостерігача незалежно від швидкості, з якою цей спостерігач рухається. Це твердження є основним постулатом теорії відносності Ейнштейна.
Відповідно до теорії відносності, ніяка інформація не може бути передана зі швидкістю, яка перевищувала б швидкість світла. Якщо це не так, то існуватиме така система відліку, в якій інформацію буде отримано раніше, ніж вона надіслана.
Оскільки швидкість світла — фундаментальна і незалежна від спостерігача величина, то її значення можна застосувати для побудови системи фізичних одиниць. Наприклад, можна обрати систему одиниць так, щоб швидкість світла в ній дорівнювала одиниці. Такі системи одиниць називають природними і їх застосовують у теоретичній фізиці. Проте природні системи дуже незручні на практиці. Тому, оскільки швидкість має розмірність довжини, поділеної на час, можна вважати її рівною певному значенню, близькому до експериментально виміряного з застосуванням традиційних одиниць довжини й часу — метра й секунди, а потім зафіксувати це значення. Таким чином швидкість світла отримала подане вище значення. Надалі вона не буде визначатись з експерименту. Її фіксоване значення тепер слугуватиме для дослідного визначення одиниць довжини.
Фундаментальна роль у фізиці
Швидкість, із якою світлові хвилі поширюються у вакуумі, не залежить ні від руху джерела хвиль, ні від системи відліку спостерігачаОднак, частота світла залежить від руху джерела світла відносно спостерігача, завдяки Ефекту Доплера. Ейнштейн постулював таку інваріантність швидкості світла 1905 року<ref name="stachel"></ref>. Він дійшов цього висновку виходячи з теорії електромагнетизму Максвелла та відсутності доказів існування світлоносного ефіру English translation: . Відтоді інваріантність швидкості світла незмінно підтверджується безліччю експериментів. Існує можливість перевірити експериментально лише те, що швидкість світла в «двосторонньому» експерименті (наприклад, від джерела до дзеркала і назад) є незалежною від системи відліку, оскільки неможливо виміряти швидкість світла в один бік (наприклад, від джерела до віддаленого приймача) без додаткових домовленостей щодо того, як синхронізувати годинники джерела та приймача. Однак, якщо застосувати для цього синхронізацію Ейнштейна, одностороння швидкість світла стає рівною двосторонній за визначенням. Спеціальна теорія відносності досліджує наслідки цієї інваріантності с у припущенні, що закони фізики однакові в усіх інерційних системах відліку. Одним із наслідків є те, що c — це та швидкість, з якою мають рухатись у вакуумі всі безмасові частинки та хвилі (зокрема, і світло).
Спеціальна теорія відносності має багато експериментально перевірених наслідків, які суперечать інтуїції. Такі наслідки включають: еквівалентність маси та енергії (), скорочення довжини (скорочення об'єктів під час руху) та уповільнення часу (рухомий годинник іде повільніше). Коефіцієнт γ, на який скорочується довжина та уповільнюється час, відомий як фактор Лоренца (Лоренц-фактор) , де V — швидкість об'єкта. Для швидкостей набагато менших, ніж c (наприклад, для швидкостей, з якими ми маємо справу повсякдень) різниця між γ та 1 настільки мала, що нею можна знехтувати. У цьому випадку спеціальна теорія відносності добре апроксимується відносністю Галілея. Однак на релятивістських швидкостях різниця збільшується та наближається до нескінченності з наближенням V до с.
Об'єднання результатів спеціальної теорії відносності потребує виконання двох умов: (1) простір і час є єдиною структурою, відомою як простір-час (де c пов'язує одиниці вимірювання простору та часу), та (2) фізичні закони задовольняють вимогам особливої симетрії, яка має назву інваріантність Лоренца (Лоренц-інваріантність), формула якої містить параметр с. Інваріантність Лоренца є майже універсальним припущенням сучасних фізичних теорій, таких як квантова електродинаміка, квантова хромодинаміка, стандартна модель фізики елементарних частинок і загальна теорія відносності. Отже, параметр с наявний повсюди в сучасній фізиці та з'являється в багатьох контекстах, які не мають стосунку власне до світла. Наприклад, загальна теорія відносності передбачає, що гравітація та гравітаційні хвилі розповсюджуються зі швидкістю cThe interpretation of observations on binary systems used to determine the speed of gravity is considered doubtful by some authors, leaving the experimental situation uncertain; see. У неінерційних системах відліку (у гравітаційно викривленому просторі або в системах відліку, що рухаються з прискоренням), локальна швидкість світла також є постійною та дорівнює c, проте швидкість світла вздовж траєкторії скінченної довжини може відрізнятись від c залежно від того, як визначено простір і час.
Вважається, що фундаментальні константи, такі як c, мають однакове значення в усьому просторі-часі, тобто, вони не залежать від місця та не змінюються з часом. Однак, деякі теорії припускають, що швидкість світла може змінюватись із часомAn overview can be found in the dissertation of . Наразі немає переконливих доказів таких змін, одначе вони надалі є предметом досліджень.
Крім того, вважається, що швидкість світла ізотропна, тобто не залежить він напрямку його поширення. Спостереження за випромінюванням ядерних енергетичних переходів як функції від орієнтації ядер у магнітному полі (), а також обертових оптичних резонаторів (експеримент Майкельсона — Морлі), наклали жорсткі обмеження на можливість існування двосторонньої анізотропії.
Верхня межа швидкості
Згідно зі спеціальною теорією відносності, енергія об'єкту з масою спокою m та швидкістю v дорівнює , де γ — визначений вище фактор Лоренца. Коли v дорівнює нулю γ дорівнює одиниці, що призводить до відомої формули еквівалентності маси та енергії . Оскільки фактор γ наближається до нескінченності із наближенням v до c, прискорення масивного об'єкта до швидкості світла потребуватиме нескінченної енергії. Швидкість світла — це верхня межа швидкості для об'єктів із масою спокою. Це експериментально встановлено в багатьох тестах релятивістської енергії та імпульсу.