Od czasów starożytnych filozofowie i uczeni starali się zrozumieć światło. Oprócz próby rozpoznania jego podstawowych właściwości (tj. Z czego jest wykonany - cząstki lub fale itp.), Starali się również dokonać skończonych pomiarów prędkości poruszania się. Od końca XVII wieku naukowcy robią to właśnie z coraz większą dokładnością.
W ten sposób lepiej zrozumieli mechanikę światła i ważną rolę, jaką odgrywa on w fizyce, astronomii i kosmologii. Mówiąc prosto, światło porusza się z niewiarygodną prędkością i jest najszybciej poruszającą się rzeczą we Wszechświecie. Jego prędkość jest uważana za stałą i niezniszczalną barierę i jest używana jako środek pomiaru odległości. Ale jak szybko się porusza?
Prędkość światła (do):
Światło porusza się ze stałą prędkością 1.079.252.888,8 (1,07 miliarda) km na godzinę. Działa to z prędkością 299 792 458 m / s, czyli około 670,616,629 mil na godzinę (mil na godzinę). Mówiąc z perspektywy, gdybyś mógł podróżować z prędkością światła, byłbyś w stanie okrążyć kulę ziemską około siedem i pół razy w ciągu jednej sekundy. Tymczasem osoba lecąca ze średnią prędkością około 800 km / h (500 mil na godzinę) zajęłaby ponad 50 godzin okrążenie planety tylko raz.
Aby spojrzeć na to z astronomicznej perspektywy, średnia odległość od Ziemi do Księżyca wynosi 384,398,25 km (238 854 mil). Tak więc światło przekracza tę odległość w około sekundę. Tymczasem średnia odległość od Słońca do Ziemi wynosi ~ 149 597 886 km (92 955 817 mil), co oznacza, że podróż światła zajmuje tylko około 8 minut.
Nic dziwnego więc, dlaczego prędkość światła jest miarą używaną do określania odległości astronomicznych. Kiedy mówimy, że gwiazda taka jak Proxima Centauri znajduje się w odległości 4,25 lat świetlnych, mówimy, że dotarcie tam zajęłoby - podróżowanie ze stałą prędkością 1,07 miliarda km na godzinę (666 616 629 mil na godzinę) - około 4 lat i 3 miesięcy. Ale jak doszliśmy do tego bardzo konkretnego pomiaru „prędkości światła”?
Historia studiów:
Do XVII wieku uczeni nie byli pewni, czy światło porusza się z określoną prędkością, czy natychmiast. Od czasów starożytnych Greków po średniowiecznych islamskich uczonych i naukowców z wczesnego okresu nowożytnego debata trwała w kółko. Dopiero prace duńskiego astronoma Øle Rømera (1644-1710) zostały wykonane po raz pierwszy.
W 1676 r. Rømer zauważył, że okresy najbardziej wewnętrznego księżyca Jowisza Io wydawały się krótsze, gdy Ziemia zbliżała się do Jowisza, niż gdy oddalał się od niego. Na tej podstawie doszedł do wniosku, że światło porusza się ze skończoną prędkością i oszacował, że pokonanie średnicy orbity ziemskiej zajmuje około 22 minut.
Christiaan Huygens wykorzystał to oszacowanie i połączył je z oszacowaniem średnicy orbity Ziemi, aby uzyskać oszacowanie na 220 000 km / s. Isaac Newton mówił także o obliczeniach Rømera w swojej przełomowej pracy Opticks (1706). Dostosowując się do odległości między Ziemią a Słońcem, obliczył, że podróż z jednego do drugiego zajmie siedem lub osiem minut. W obu przypadkach były one stosunkowo niewielkie.
Późniejsze pomiary wykonane przez francuskich fizyków Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) i Léona Foucaulta (1819 - 1868) doprecyzowały te pomiary - osiągając wartość 315 000 km / s (192 225 mil na sekundę). W drugiej połowie XIX wieku naukowcy uświadomili sobie związek między światłem a elektromagnetyzmem.
Dokonali tego fizycy mierzący ładunki elektromagnetyczne i elektrostatyczne, którzy następnie stwierdzili, że wartość liczbowa była bardzo zbliżona do prędkości światła (mierzonej przez Fizeau). Opierając się na własnej pracy, która wykazała, że fale elektromagnetyczne rozprzestrzeniają się w pustej przestrzeni, niemiecki fizyk Wilhelm Eduard Weber zaproponował, że światło jest falą elektromagnetyczną.
Kolejny wielki przełom nastąpił na początku XX wieku / W artykule z 1905 r. Zatytułowanym „O elektrodynamice ruchomych ciał ”, Albert Einstein stwierdził, że prędkość światła w próżni, mierzona przez nie przyspieszającego obserwatora, jest taka sama we wszystkich bezwładnych ramach odniesienia i niezależna od ruchu źródła lub obserwatora.
Korzystając z tego i zasady względności Galileusza jako podstawy, Einstein wyprowadził Teorię specjalnej teorii względności, w której prędkość światła w próżni (do) była podstawową stałą. Wcześniej pracujący konsensus wśród naukowców utrzymywał, że przestrzeń wypełniona jest „świecącym eterem” odpowiedzialnym za jej rozprzestrzenianie się - tj. Że światło przemieszczające się przez poruszające się medium będzie ciągnięte przez medium.
To z kolei oznaczało, że zmierzona prędkość światła byłaby prostą sumą jego prędkości przez średni plus prędkość z to medium. Jednak teoria Einsteina skutecznie uczyniła koncepcję stacjonarnego eteru bezużyteczną i zrewolucjonizowała koncepcje przestrzeni i czasu.
Nie tylko rozwinął ideę, że prędkość światła jest taka sama we wszystkich bezwładnych ramkach odniesienia, ale także wprowadził ideę, że główne zmiany zachodzą, gdy rzeczy zbliżają się do prędkości światła. Obejmują one ramkę czasoprzestrzenną poruszającego się ciała, która wydaje się zwalniać i kurczyć się w kierunku ruchu, gdy jest mierzona w ramce obserwatora (tj. Dylatacja czasu, gdzie czas zwalnia wraz ze zbliżaniem się prędkości światła).
Jego obserwacje pogodziły również równania Maxwella dla elektryczności i magnetyzmu z prawami mechaniki, uprościły obliczenia matematyczne, eliminując obce wyjaśnienia używane przez innych naukowców, i zgadzały się z bezpośrednio obserwowaną prędkością światła.
W drugiej połowie XX wieku coraz dokładniejsze pomiary z wykorzystaniem laserowych inferometrów i technik rezonansu wnęki dodatkowo poprawiłyby oszacowania prędkości światła. Do 1972 r. Grupa w amerykańskim Narodowym Biurze Standardów w Boulder w Kolorado zastosowała technikę laserowego inferometru, aby uzyskać obecnie uznawaną wartość 299 792 458 m / s.
Rola w nowoczesnej astrofizyce:
Teoria Einsteina, że prędkość światła w próżni jest niezależna od ruchu źródła i bezwładnościowej ramy odniesienia obserwatora została konsekwentnie potwierdzona w wielu eksperymentach. Określa również górną granicę prędkości, z jaką wszystkie bezmasowe cząstki i fale (w tym światło) mogą przemieszczać się w próżni.
Jednym z następstw tego jest to, że kosmolodzy traktują teraz przestrzeń i czas jako pojedynczą, zunifikowaną strukturę znaną jako czasoprzestrzeń - w której prędkość światła może być wykorzystana do zdefiniowania wartości dla obu (tj. „Lat świetlnych”, „minut świetlnych” i „Sekund świetlnych”). Pomiar prędkości światła stał się również ważnym czynnikiem przy określaniu szybkości ekspansji kosmicznej.
Począwszy od lat dwudziestych XX wieku, obserwacje Lemaitre i Hubble'a, naukowcy i astronomowie uświadomili sobie, że Wszechświat rozwija się od punktu początkowego. Hubble zauważył również, że im dalej jest galaktyka, tym szybciej wydaje się ona poruszać. W tak zwanym obecnie parametrze Hubble'a prędkość, z jaką Wszechświat się rozszerza, jest obliczana na 68 km / s na megaparsek.
Zjawisko to, które zgodnie z teorią teoretyczną oznacza, że niektóre galaktyki mogą faktycznie poruszać się szybciej niż prędkość światła, może ograniczać to, co można zaobserwować w naszym Wszechświecie. Zasadniczo galaktyki poruszające się szybciej niż prędkość światła przekroczyłyby „horyzont zdarzeń kosmologicznych”, gdzie nie są już dla nas widoczne.
Ponadto w latach 90. pomiary przesunięcia ku czerwieni odległych galaktyk wykazały, że ekspansja Wszechświata przyspiesza od kilku miliardów lat. Doprowadziło to do teorii takich jak „Ciemna energia”, w których niewidoczna siła napędza ekspansję samej przestrzeni zamiast poruszających się przez nią obiektów (nie nakładając ograniczeń na prędkość światła ani naruszając względność).
Wraz ze szczególną i ogólną teorią względności, współczesna wartość prędkości światła w próżni wpłynęła na rozwój kosmologii, fizyki kwantowej i standardowego modelu fizyki cząstek. Pozostaje stała, mówiąc o górnej granicy, po której mogą poruszać się cząstki bez masy, i pozostaje nieosiągalną barierą dla cząstek, które mają masę.
Być może kiedyś znajdziemy sposób na przekroczenie prędkości światła. Chociaż nie mamy praktycznych pomysłów na to, jak to się może stać, wydaje się, że inteligentne pieniądze dotyczą technologii, które pozwolą nam ominąć prawa czasoprzestrzeni, albo tworząc bąbelki warp (aka Alcubierre Warp Drive), albo tunelując je ( alias. tunele czasoprzestrzenne).
Do tego czasu będziemy musieli zadowolić się Wszechświatem, który widzimy, i trzymać się jego części, która jest osiągalna konwencjonalnymi metodami.
Napisaliśmy wiele artykułów o prędkości światła do czasopisma Space Magazine. Oto jak szybka jest prędkość światła ?, w jaki sposób galaktyki oddalają się szybciej niż światło ?, jak podróż kosmiczna może być szybsza niż prędkość światła? I przełamywanie prędkości światła.
Oto fajny kalkulator, który pozwala konwertować wiele różnych jednostek prędkości światła, a oto kalkulator względności, na wypadek gdybyś chciał podróżować prawie z prędkością światła.
Astronomy Cast ma także odcinek, który dotyczy pytań o prędkość światła - Pytania pokazują: Względność, Względność i więcej Względność.
Źródła:
- Wikipedia - Prędkość światła
- Fizyka wszechświata - prędkość światła i zasada względności
- NASA - jaka jest prędkość światła?
- Galileo i Einstein - Prędkość światła
