Nuo seniausių laikų filosofai ir mokslininkai siekė suprasti šviesą. Jie ne tik bandė išsiaiškinti pagrindines jo savybes (t. y. iš ko jis pagamintas – iš dalelės ar bangos ir t. t.), jie taip pat siekė atlikti baigtinius jo sklidimo greičio matavimus. Nuo XVII amžiaus pabaigos mokslininkai tai daro ir vis didesniu tikslumu.
Tai darydami jie geriau suprato šviesos mechaniką ir svarbų jos vaidmenį fizikoje, astronomijoje ir kosmologijoje. Paprasčiau tariant, šviesa juda neįtikėtinu greičiu ir yra greičiausiai judantis dalykas Visatoje. Jo greitis laikomas pastoviu ir nepertraukiamu barjeru ir naudojamas kaip atstumo matavimo priemonė. Bet kaip greitai jis keliauja?
Šviesos greitis (c):
Šviesa sklinda pastoviu 1 079 252 848,8 (1,07 mlrd.) km per valandą greičiu. Tai pasiekia 299 792 458 m/s arba maždaug 670 616 629 mylių per valandą (mylių per valandą). Žvelgiant į perspektyvą, jei galėtumėte keliauti šviesos greičiu, per vieną sekundę galėtumėte apiplaukti aplink Žemės rutulį maždaug septynis su puse karto. Tuo tarpu žmogui, skrendančiam vidutiniu maždaug 800 km/h (500 mylių per valandą) greičiu, prireiktų daugiau nei 50 valandų, kad apsuktų planetą tik vieną kartą.
Iliustracija, rodanti atstumą, kurį šviesa nukeliauja tarp Žemės ir Saulės. Kreditas: LucasVB / viešasis domenas
Kalbant apie astronominę perspektyvą, vidutinis atstumas nuo Žemės iki Mėnulio yra 384 398,25 km (238 854 mylių). Taigi šviesa tą atstumą įveikia maždaug per sekundę. Tuo tarpu vidutinis atstumas nuo Saulės iki Žemės yra ~149 597 886 km (92 955 817 mylių), o tai reiškia, kad šviesa šiai kelionei užtrunka tik apie 8 minutes.
Nenuostabu, kodėl šviesos greitis yra metrika, naudojama astronominiams atstumams nustatyti. Kai sakome, kad tokia žvaigždė kaip Proxima Centauri yra nutolusi 4,25 šviesmečio, mes sakome, kad norint ten patekti prireiktų maždaug 4 metų ir 3 mėnesių – keliaujant pastoviu 1,07 milijardo km per valandą (670 616 629 mylių per valandą) greičiu. Bet kaip mes pasiekėme šį labai specifinį „šviesos greičio“ matavimą?
Studijų istorija:
Iki XVII amžiaus mokslininkai nebuvo tikri, ar šviesa sklinda ribotu greičiu, ar akimirksniu. Nuo senovės graikų laikų iki viduramžių islamo mokslininkų ir ankstyvųjų naujųjų laikų mokslininkų diskusijos vyko pirmyn ir atgal. Tik danų astronomo Øle Rømer (1644-1710) darbas buvo atliktas pirmasis kiekybinis matavimas.
1676 m. Rømeris pastebėjo, kad Jupiterio vidinio palydovo Io periodai atrodė trumpesni, kai Žemė artėjo prie Jupiterio, nei tada, kai ji tolsta nuo jo. Iš to jis padarė išvadą, kad šviesa sklinda ribotu greičiu, ir apskaičiavo, kad Žemės orbitos skersmenį kirsti reikia maždaug 22 minutes.
Prof. Albertas Einsteinas skaitė 11-ąją Josiah Willardo Gibbso paskaitą Carnegie technologijos institute 1934 m. gruodžio 28 d., kur jis išdėstė savo teoriją, kaip materija ir energija yra tas pats dalykas įvairiomis formomis. Kreditas: AP nuotr
Kristianas Huygensas panaudojo šį įvertinimą ir sujungė jį su Žemės orbitos skersmens įvertinimu, kad gautų 220 000 km/s įvertinimą. Izaokas Niutonas taip pat kalbėjo apie Rømerio skaičiavimus savo pagrindiniame darbe Optika (1706). Koreguodamas atstumą tarp Žemės ir Saulės, jis apskaičiavo, kad šviesa nukeliauti nuo vienos iki kitos užtruks septynias ar aštuonias minutes. Abiem atvejais jų skirtumas buvo palyginti nedidelis.
Vėlesni prancūzų fizikų Hippolyte'o Fizeau (1819–1896) ir Léon Foucault (1819–1868) atlikti matavimai šiuos matavimus dar patobulino – gauta 315 000 km/s (192 625 mylių/s). Ir iki antrosios XIX amžiaus pusės mokslininkai suprato ryšį tarp šviesos ir elektromagnetizmo.
Tai padarė fizikai matuojantys elektromagnetinius ir elektrostatinius krūvius, kurie vėliau nustatė, kad skaitinė vertė buvo labai artima šviesos greičiui (matuota Fizeau). Remdamasis savo darbu, kuris parodė, kad elektromagnetinės bangos sklinda tuščioje erdvėje, vokiečių fizikas Wilhelmas Eduardas Weberis pasiūlė, kad šviesa yra elektromagnetinė banga.
Kitas didelis lūžis įvyko XX amžiaus pradžioje/ Jo 1905 m. straipsnyje, pavadintame „Apie judančių kūnų elektrodinamiką“, Albertas Einšteinas tvirtino, kad šviesos greitis vakuume, matuojamas nespartėjančio stebėtojo, yra vienodas visose inercinėse atskaitos sistemose ir nepriklauso nuo šaltinio ar stebėtojo judėjimo.
Lazeris, šviečiantis per stiklinę vandens, parodo, kiek greičio pokyčių (myliomis per valandą) jis patiria pereinant iš oro į stiklą, į vandenį ir atgal. Kreditas: Bobas Kingas
Naudojant šį ir Galilėjaus reliatyvumo principas kaip pagrindą Einšteinas išvedė Specialiosios reliatyvumo teorija , kurioje šviesos greitis vakuume (c) buvo pagrindinė konstanta. Prieš tai mokslininkai sutarė, kad erdvė užpildyta „šviečiančiu eteriu“, kuris yra atsakingas už jo sklidimą, t.
Tai savo ruožtu reiškė, kad išmatuotas šviesos greitis bus paprasta jo greičio sumapervidutinė plius greitisapieta terpė. Tačiau Einšteino teorija veiksmingai padarė nejudančio eterio sąvoką nenaudingą ir pakeitė erdvės ir laiko sąvokas.
Tai ne tik paskatino idėją, kad šviesos greitis yra vienodas visose inercinėse atskaitos sistemose, bet ir pristatė idėją, kad dideli pokyčiai įvyksta, kai viskas juda artimesniam šviesos greičiui. Tai apima judančio kūno laiko ir erdvės rėmą, kuris, matuojant stebėtojo kadre, sulėtėja ir susitraukia judėjimo kryptimi (t. y. laiko išsiplėtimas, kai laikas lėtėja artėjant šviesos greičiui).
Jo stebėjimai taip pat suderino Maksvelo elektros ir magnetizmo lygtis su mechanikos dėsniais, supaprastino matematinius skaičiavimus, atsisakydama pašalinių paaiškinimų, kuriuos naudojo kiti mokslininkai, ir atitiko tiesiogiai stebimą šviesos greitį.
XX amžiaus antroje pusėje vis tikslesni matavimai naudojant lazerinius inferometrus ir ertmės rezonanso metodus dar labiau patikslintų šviesos greičio įvertinimus. Iki 1972 m. JAV nacionalinio standartų biuro grupė Boulderyje, Kolorado valstijoje, naudojo lazerinio inferometro techniką, kad gautų šiuo metu pripažįstamą 299 792 458 m/s vertę.
Vaidmuo šiuolaikinėje astrofizikoje:
Einšteino teorija, kad šviesos greitis vakuume nepriklauso nuo šaltinio judėjimo ir stebėtojo inercinės atskaitos sistemos, buvo nuosekliai patvirtinta daugelio eksperimentų. Ji taip pat nustato viršutinę greičio, kuriuo visos bemasės dalelės ir bangos (įskaitant šviesą) gali judėti vakuume, ribą.
Viena iš to pasekmių yra ta, kad kosmologai dabar erdvę ir laiką traktuoja kaip vieną vieningą struktūrą, žinomą kaip erdvėlaikis, kurioje šviesos greitis gali būti naudojamas nustatant abiejų vertes (ty „šviesmečius“, „šviesos minutes“ ir „šviesos sekundės“). Šviesos greičio matavimas taip pat tapo pagrindiniu veiksniu nustatant kosminio plėtimosi greitį.
Nuo XX amžiaus trečiojo dešimtmečio, kai buvo stebimi Lemaitre'o ir Hablo, mokslininkai ir astronomai suprato, kad Visata plečiasi nuo pradinio taško. Hablas taip pat pastebėjo, kad kuo toliau galaktika, tuo greičiau ji juda. Tai, kas dabar vadinama Hablo parametras , greitis, kuriuo Visata plečiasi, yra 68 km/s per megaparseką.
Šis reiškinys, kuris teoriškai reiškia, kad kai kurie Galaktikos iš tikrųjų gali judėti greičiau nei šviesos greitis , gali apriboti tai, ką galima stebėti mūsų Visatoje. Iš esmės galaktikos, skriejančios greičiau nei šviesos greitis, peržengtų „kosmologinių įvykių horizontą“, kur jos mums nebematomos.
Be to, praėjusio amžiaus dešimtajame dešimtmetyje tolimų galaktikų raudonojo poslinkio matavimai parodė, kad Visatos plėtimasis spartėjo pastaruosius kelis milijardus metų. Tai paskatino tokias teorijas kaip „ Tamsioji energija “, kur nematoma jėga skatina pačios erdvės plėtimąsi, o ne per ją judančius objektus (taip neribodama šviesos greičio ir nepažeisdama reliatyvumo).
Kartu su specialiuoju ir bendruoju reliatyvumo teorija, šiuolaikinė šviesos greičio vakuume reikšmė tapo kosmologijos, kvantinės fizikos ir standartinio dalelių fizikos modelio informacija. Jis išlieka pastovus kalbant apie viršutinę ribą, per kurią gali keliauti bemasės dalelės, ir išlieka nepasiekiama kliūtis dalelėms, turinčioms masę.
Galbūt kada nors rasime būdą, kaip viršyti šviesos greitį. Nors neturime praktinių idėjų, kaip tai galėtų nutikti, atrodo, kad protingi pinigai yra skirti technologijoms, kurios leis mums apeiti erdvėlaikio dėsnius, sukuriant deformacinius burbulus (dar žinomas kaip Alcubierre Warp Drive ) arba tuneliu per jį (dar žinomas kaip. kirmgraužos ).
Iki to laiko mes tiesiog turėsime pasitenkinti matoma Visata ir tyrinėti tą jos dalį, kurią galima pasiekti įprastais metodais.
Esame parašę daug straipsnių apie šviesos greitį „Universe Today“. Štai Koks greitas yra šviesos greitis? , Kaip galaktikos tolsta greičiau nei šviesa? , Kaip kosmosas gali keliauti greičiau nei šviesos greitis? , ir Šviesos greičio sulaužymas .
Štai puikus skaičiuotuvas, leidžiantis konvertuoti daugelį skirtingi šviesos greičio vienetai , o štai a reliatyvumo skaičiuoklė , jei norėtumėte keliauti beveik šviesos greičiu.
„Astronomy Cast“ taip pat turi epizodą, kuriame sprendžiami klausimai apie šviesos greitį – Klausimai rodo: reliatyvumas, reliatyvumas ir dar daugiau reliatyvumo .
Šaltiniai: