Od staroveku sa filozofi a vedci snažili porozumieť svetlu. Okrem pokusu rozlíšiť jeho základné vlastnosti (t. J. Z čoho sa skladá - častica alebo vlna, atď.), Sa tiež snažili vykonať konečné merania rýchlosti, akou prechádzajú. Od konca 17. storočia vedci robia presne toto a so zvýšenou presnosťou.
Získali tak lepšie pochopenie mechaniky svetla a dôležitú úlohu, ktorú zohráva vo fyzike, astronómii a kozmológii. Jednoducho povedané, svetlo sa pohybuje neuveriteľnou rýchlosťou a je to najrýchlejšie sa pohybujúca vec vo vesmíre. Jeho rýchlosť sa považuje za konštantnú a nerozbitnú bariéru a používa sa ako prostriedok na meranie vzdialenosti. Ale ako rýchlo to ide?
Rýchlosť svetla (C):
Svetlo cestuje konštantnou rýchlosťou 1 079 252 848,8 (1,07 miliardy) km za hodinu. To pracuje na 299 792 458 m / s, alebo asi 670,616,629 mph (míľ za hodinu). Aby som to uviedol do perspektívy, keby ste mohli cestovať rýchlosťou svetla, mohli by ste obísť zemeguľu približne sedem a pol krát za sekundu. Medzitým by človek lietajúci priemernou rýchlosťou asi 800 km / h (500 mph) musel krúžiť planétu iba raz za 50 hodín.
Priemerná vzdialenosť od Zeme k Mesiacu je 384 398,25 km (238 854 míľ). Svetlo teda prekročí túto vzdialenosť asi za sekundu. Medzitým je priemerná vzdialenosť od Slnka k Zemi ~ 149 597 886 km (92 955 817 míľ), čo znamená, že na túto cestu trvá iba 8 minút.
Nie je divu, prečo je rýchlosť svetla metrikou používanou na určovanie astronomických vzdialeností. Keď hovoríme, že hviezda, ako je Proxima Centauri, je vzdialená 4,25 svetelných rokov, hovoríme, že by sa to trvalo - cestovalo konštantnou rýchlosťou 1,07 miliárd km za hodinu (670,616,629 mph) - približne 4 roky a 3 mesiace. Ale ako sme dospeli k tomuto vysoko špecifickému meraniu „rýchlosti svetla“?
Dejiny štúdia:
Až do 17. storočia si vedci neboli istí, či svetlo cestuje konečnou rýchlosťou alebo okamžite. Od čias starovekých Grékov po stredovekých islamských vedcov a vedcov raného novoveku sa debata rozbiehala tam a späť. Až kvantitatívne meranie sa uskutočnilo až dánskym astronómom Øle Rømerom (1644 - 1710).
V roku 1676 Rømer poznamenal, že periódy jupiterovho najvnútornejšieho mesiaca Io sa zdali byť kratšie, keď sa Zem priblížila k Jupiteru, ako keď z nej ustupovala. Z toho vyvodil záver, že svetlo prechádza konečnou rýchlosťou a odhaduje, že prekročenie priemeru zemskej obežnej dráhy trvá približne 22 minút.
Christiaan Huygens použil tento odhad a skombinoval ho s odhadom priemeru obežnej dráhy Zeme, aby získal odhad 220 000 km / s. Isaac Newton tiež hovoril o výpočtoch Rømera vo svojej kľúčovej práci optika (1706). Keď upravil vzdialenosť medzi Zemou a Slnkom, vypočítal, že cestovanie z jednej na druhú bude trvať sedem alebo osem minút. V obidvoch prípadoch boli preč s relatívne malou rezervou.
Neskoršie merania, ktoré vykonali francúzski fyzici Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) a Léon Foucault (1819 - 1868), tieto merania ďalej zdokonalili - výsledkom bola hodnota 315 000 km / s (192 625 mi / s). A v druhej polovici 19. storočia si vedci uvedomili súvislosť medzi svetlom a elektromagnetizmom.
Toto bolo dosiahnuté fyzikmi merajúcimi elektromagnetické a elektrostatické náboje, ktorí potom zistili, že numerická hodnota bola veľmi blízko rýchlosti svetla (meraná Fizeauom). Nemecký fyzik Wilhelm Eduard Weber na základe svojej práce, ktorá preukázala šírenie elektromagnetických vĺn v prázdnom priestore, navrhol, aby bolo svetlo elektromagnetickou vlnou.
Ďalší veľký prielom prišiel na začiatku 20. storočia / Vo svojom dokumente z roku 1905 s názvom „O elektrodynamike pohybujúcich sa orgánov “, Albert Einstein tvrdil, že rýchlosť svetla vo vákuu meraná nezrýchľujúcim sa pozorovateľom je rovnaká vo všetkých inerciálnych referenčných rámcoch a je nezávislá od pohybu zdroja alebo pozorovateľa.
Na základe tohto a Galileovho princípu relativity odvodil Einstein teóriu špeciálnej relativity, v ktorej rýchlosť svetla vo vákuu (C) bola základná konštanta. Pred týmto pracovným konsenzom vedcov sa domnievalo, že priestor bol naplnený „svetelným éterom“, ktorý bol zodpovedný za jeho šírenie - t. J. Svetlo prechádzajúce pohybujúcim sa médiom by bolo médiom ťahané.
To zase znamenalo, že nameraná rýchlosť svetla by bola jednoduchým súčtom jeho rýchlosti skrz stredná plus rýchlosť z to médium. Einsteinova teória však účinne urobila koncepciu stacionárneho éteru zbytočným a revolucionizovala koncepty priestoru a času.
Nielenže to podporilo myšlienku, že rýchlosť svetla je rovnaká vo všetkých inerciálnych referenčných rámcoch, ale tiež predstavila myšlienku, že k veľkým zmenám dochádza, keď sa veci pohybujú blízko rýchlosti svetla. Patria medzi ne časový priestorový rámec pohybujúceho sa telesa, ktoré sa javí ako spomalené a sťahujúce sa v smere pohybu, keď sa meria v rámci pozorovateľa (t. J. Časová dilatácia, kde čas klesá, keď sa rýchlosť svetla blíži).
Jeho pozorovania tiež zmierili Maxwellove rovnice pre elektrinu a magnetizmus so zákonmi mechaniky, zjednodušili matematické výpočty odstránením vonkajších vysvetlení, ktoré použili iní vedci, a zhodovali sa s priamo pozorovanou rýchlosťou svetla.
V druhej polovici 20. storočia by stále presnejšie merania pomocou laserových inferometrov a techník rezonancie dutín ďalej spresňovali odhady rýchlosti svetla. V roku 1972 skupina na Národnom úrade pre normy USA v Boulder, Colorado, použila techniku laserového inferometra na získanie v súčasnosti uznávanej hodnoty 299 792 458 m / s.
Úloha v modernej astrofyzike:
Einsteinova teória, že rýchlosť svetla vo vákuu je nezávislá od pohybu zdroja a inertného referenčného rámca pozorovateľa, bola odvtedy opakovane potvrdená mnohými experimentmi. Stanovuje tiež hornú hranicu rýchlostí, pri ktorých môžu všetky bezhmotné častice a vlny (vrátane svetla) cestovať vo vákuu.
Jedným z jeho následkov je to, že kozmológovia v súčasnosti zaobchádzajú s priestorom a časom ako s jednotnou zjednotenou štruktúrou známou ako spacetime - v ktorej sa rýchlosť svetla dá použiť na definovanie hodnôt pre obe (tj „svetelné roky“, „svetelné minúty“ a „Svetelné sekundy“). Meranie rýchlosti svetla sa tiež stalo hlavným faktorom pri určovaní rýchlosti kozmického rozpínania.
Vedci a astronómovia začali na začiatku 20. rokov 20. storočia pozorovaním Lemaitera a Hubblea vedieť, že vesmír sa rozširuje z miesta pôvodu. Hubble tiež pozoroval, že čím ďalej je galaxia, tým rýchlejšie sa javí, ako sa pohybuje. V tom, čo sa teraz nazýva Hubbleov parameter, sa rýchlosť, ktorou sa vesmír rozširuje, vypočíta na 68 km / s na megaparsec.
Tento fenomén, o ktorom sa predpokladá, že niektoré galaxie by sa mohli pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla, môže obmedzovať to, čo je v našom vesmíre pozorovateľné. V podstate by galaxie, ktoré cestujú rýchlejšie ako rýchlosť svetla, prekročili „horizont kozmologických udalostí“, kde už pre nás nie sú viditeľné.
V deväťdesiatych rokoch merania červeného posunu vzdialených galaxií tiež ukázali, že expanzia vesmíru sa za posledných niekoľko miliárd rokov zrýchľuje. To viedlo k teóriám ako „temná energia“, kde neviditeľná sila riadi expanziu samotného priestoru namiesto objektov, ktoré sa ním pohybujú (teda nekladie obmedzenia rýchlosti svetla ani nenarúša relativitu).
Spolu so špeciálnou a všeobecnou relativitou išla moderná hodnota rýchlosti svetla vo vákuu, aby informovala kozmológiu, kvantovú fyziku a štandardný model fyziky častíc. Zostáva konštantná, keď hovoríme o hornej hranici, po ktorej môžu bezhmotné častice cestovať, a zostáva nedosiahnuteľnou bariérou pre častice, ktoré majú hmotu.
Možno raz nájdeme spôsob, ako prekročiť rýchlosť svetla. Aj keď nemáme praktické nápady, ako by sa to mohlo stať, inteligentné peniaze sa zdajú byť na technológiách, ktoré nám umožnia obísť právne predpisy časopriestoru, a to buď vytvorením osnovných bublín (aka. Alcubierre Warp Drive) alebo ich tunelovaním ( červí diery).
Dovtedy budeme musieť byť spokojní s vesmírom, ktorý vidíme, a držať sa preskúmania tej časti, ktorá je dosiahnuteľná konvenčnými metódami.
Napísali sme veľa článkov o rýchlosti svetla pre časopis Space. Tu je popis, ako rýchlo je rýchlosť svetla ?, ako sa galaxie pohybujú rýchlejšie ako svetlo?, Ako môžu vesmírne cesty rýchlejšie ako rýchlosť svetla? A prerušiť rýchlosť svetla.
Toto je skvelá kalkulačka, ktorá vám umožňuje prevádzať veľa rôznych jednotiek pre rýchlosť svetla, a tu je kalkulačka relativity pre prípad, že by ste chceli cestovať takmer rýchlosťou svetla.
Astronomy Cast má tiež epizódu, ktorá sa zaoberá otázkami o rýchlosti svetla - Otázky ukazujú: relativita, relativita a viac relativita.
zdroj:
- Wikipedia - Rýchlosť svetla
- Fyzika vesmíru - rýchlosť svetla a princíp relativity
- NASA - Aká je rýchlosť svetla?
- Galileo a Einstein - rýchlosť svetla
