Kolika je brzina svjetlosti?

Brzina svjetlosti je ograničenje brzine za sve u našem svemiru. Ili je?

Brzina svjetlosti je ograničenje brzine za sve u našem svemiru. Ili je? (Kredit za sliku: Getty / Yuichiro Chino)





Skoči na:

Svjetlost koja putuje kroz vakuum kreće se točno 299.792.458 metara (983.571.056 stopa) u sekundi. To je otprilike 186.282 milje u sekundi - univerzalna konstanta poznata u jednadžbama i skraćeno kao 'c', ili brzina svjetlosti.

Prema teoriji posebne relativnosti fizičara Alberta Einsteina, na kojoj se temelji veći dio moderne fizike, ništa u svemiru ne može putovati brže od svjetlosti. Teorija kaže da kako se materija približava brzini svjetlosti, masa te tvari postaje beskonačna. To znači da brzina svjetlosti funkcionira kao ograničenje brzine u cijelom svemiru. Brzina svjetlosti toliko je nepromjenjiva da, prema U.S. Nacionalni institut za standarde i tehnologiju , koristi se za definiranje međunarodnih standardnih mjerenja poput mjerača (i prema proširenju, milja, stopa i inča). Kroz neke lukave jednadžbe, također pomaže u definiranju kilograma i Kelvin .

No, unatoč brzini ugleda svjetlosti kao univerzalne konstante, znanstvenici i pisci znanstvene fantastike provode vrijeme razmišljajući o putovanjima bržim od svjetlosti. Do sada nitko nije mogao shvatiti kako putovati takvom brzinom. No, to nije usporilo naš kolektivni jur prema novim pričama, novim izumima i novim područjima fizike.



Povezano: Posebna relativnost drži do testa visoke energije

Što je svjetlosna godina?

Svemirski teleskop Hubble snimio je ovu sliku spiralne galaksije NGC 3972. Galaksija je udaljena 65 milijuna svjetlosnih godina od Zemlje (tj.

Svemirski teleskop Hubble snimio je ovu sliku spiralne galaksije NGC 3972. Galaksija je udaljena 65 milijuna svjetlosnih godina od Zemlje (to je 382 kvintilijuna milja!) I može se pronaći u sazviježđu Ursa Major.(Snimka: NASA/ESA,/A. Riess (STScI/JHU))



DO svjetlosna godina je udaljenost koju svjetlost može prijeći u jednoj godini - oko 6 bilijuna kilometara (10 bilijuna kilometara). To je jedan od načina na koji astronomi i fizičari mjere ogromne udaljenosti po našem svemiru.

Svjetlost putuje od Mjeseca do naših očiju za otprilike 1 sekundu, što znači da je Mjesec udaljen oko 1 svjetlosnu sekundu. Sunčevoj svjetlosti treba oko 8 minuta da dođe do naših očiju, pa je sunce udaljeno oko 8 svjetlosnih minuta. Svjetlu iz Alpha Centauri, koji je najbliži zvjezdani sustav našem, potrebno je otprilike 4,3 godine da dođe ovamo, pa je Alpha Centauri udaljen 4,3 svjetlosne godine.

'Da biste stekli predodžbu o veličini svjetlosne godine, uzmite opseg Zemlje (24 900 milja), položite je u ravnu liniju, pomnožite duljinu crte sa 7,5 (odgovarajuća udaljenost je jedna svjetlosna sekunda ), zatim postavite 31,6 milijuna sličnih redaka s kraja na kraj ', rekao je NASA -in istraživački centar Glenn . 'Rezultirajuća udaljenost je gotovo 6 bilijuna (6.000.000.000.000) milja!'



Zvijezde i drugi objekti izvan našeg Sunčevog sustava leže bilo gdje od nekoliko svjetlosnih godina do nekoliko milijardi svjetlosnih godina. A sve što astronomi 'vide' u dalekom svemiru doslovno je povijest. Kad astronomi proučavaju udaljene objekte, oni se pojavljuju onakvima kakvi su postojali u vrijeme kad ih je svjetlost napustila.

Povezano: Zašto je svemir cijela povijest

Ovo načelo omogućuje astronomima da vide svemir kakav je izgledao nakon Velikog praska, koji se dogodio prije otprilike 13,8 milijardi godina. Objekti koji su udaljeni 10 milijardi svjetlosnih godina astronomima izgledaju onako kako su izgledali prije 10 milijardi godina-relativno brzo nakon početka svemira-a ne onako kako se pojavljuju danas.

Kako smo naučili brzinu svjetlosti?

Galileo Galilei zaslužan je za otkrivanje prva četiri Jupiterova mjeseca.

Aristotel, Empedocles, Galileo (ovdje prikazano), Ole Rømer i bezbroj drugih filozofa i fizičara u povijesti razmišljali su o brzini svjetlosti.(Slika zasluga: NASA)

Još u 5. stoljeću grčki filozofi poput Empedokla i Aristotela nisu se složili oko prirode brzine svjetlosti. Empedokle je smatrao da svjetlost, od čega god da je napravljena, mora putovati i stoga mora imati brzinu putovanja. Aristotel je u svojoj raspravi napisao pobijanje Empedoklovog stava, O razumu i razumnom , tvrdeći da je svjetlo, za razliku od zvuka i mirisa, trenutno. Aristotel je, naravno, pogriješio, ali bilo bi potrebno stotine godina da to netko dokaže.

Sredinom 1600 -ih, prepričava PBS NOVO , talijanski astronom Galileo Galilei stajalo je dvoje ljudi na brdima udaljenim manje od kilometra. Svaka je osoba držala oklopljeni fenjer. Jedan je otkrio svoj fenjer; kad je druga osoba vidjela bljesak, otkrila je i svoju. No Galilejeva eksperimentalna udaljenost nije bila dovoljna da njegovi sudionici zabilježe brzinu svjetlosti. Mogao je samo zaključiti da je svjetlost putovala najmanje 10 puta brže od zvuka.

1670 -ih, danski astronom Ole Rømer pokušao je stvoriti pouzdan raspored za pomorce na moru, a prema NASA , slučajno je došao do nove najbolje procjene brzine svjetlosti. Kako bi stvorio astronomski sat, zabilježio je točno vrijeme pomrčina Jupiterova mjeseca Io iz Zemlja . S vremenom je Rømer primijetio da Ioine pomrčine često variraju od njegovih proračuna. Primijetio je da se čini da pomrčine najviše zaostaju kada Jupiter i Zemlja su se udaljavali jedan od drugog, pojavili su se prije vremena kada su se planete približavali i dogodili su se prema rasporedu kada su planeti bili u najbližim ili najudaljenijim točkama - gruba verzija Dopplerovog efekta ili crveni pomak . U skoku intuicije, utvrdio je da svjetlu treba mjerljivo vrijeme za putovanje od Io do Zemlje.

Rømer je svojim opažanjima procijenio brzinu svjetlosti. Budući da veličina Sunčevog sustava i Zemljina orbita još nisu bili točno poznati, tvrdi se u članku iz 1998. godine Američki časopis za fiziku , bio je pomalo isključen. No, napokon su znanstvenici morali raditi s brojkama. Rømerov proračun postavio je brzinu svjetlosti na oko 124 000 milja u sekundi (200 000 km/s).

1728. engleski fizičar James Bradley utemeljio je novi skup proračuna o promjeni prividnog položaja zvijezda zbog Zemljinog putovanja oko Sunca. On je procijenio brzinu svjetlosti na 185 000 milja u sekundi (301 000 km/s) - točno s oko 1% stvarne vrijednosti, prema Američko fizičko društvo .

Dva nova pokušaja sredinom 1800-ih vratila su problem na Zemlju. Francuski fizičar Hippolyte Fizeau postavio je snop svjetlosti na brzo rotirajući nazubljeni kotač, s ogledalom postavljenim 8 milja daleko da ga reflektira natrag do izvora. Promjenjiva brzina kotača omogućila je Fizeauu da izračuna koliko je vremena trebalo svjetlu da izađe iz rupe, do susjednog ogledala i natrag kroz otvor. Drugi francuski fizičar, Leon Foucault, koristio je rotirajuće ogledalo umjesto kotača za izvođenje u biti istog pokusa. Dvije neovisne metode došle su unutar 1.609 km/s od brzine svjetlosti.

15. kolovoza 1930. u Santa Ani, CA, dr. Albert A. Michelson stajao je uz milju dugu vakuumsku cijev koja će se koristiti u njegovom posljednjem i najpreciznijem mjerenju brzine svjetlosti.

15. kolovoza 1930. u Santa Ani, CA, dr. Albert A. Michelson stajao je uz milju dugu vakuumsku cijev koja će se koristiti u njegovom posljednjem i najpreciznijem mjerenju brzine svjetlosti.(Kredit za sliku: Getty/Bettman)

Još jedan znanstvenik koji se uhvatio u koštac s brzinom svjetlosnog misterija bio je Poljak, rođeni Albert A. Michelson, koji je odrastao u Kaliforniji tijekom razdoblja zlatne groznice te je usavršio interes za fiziku dok je pohađao Američku pomorsku akademiju, prema Sveučilište Virginia . 1879. pokušao je ponoviti Foucaultovu metodu određivanja brzine svjetlosti, ali Michelson je povećao udaljenost između ogledala i koristio izuzetno kvalitetna ogledala i leće. Michelsonov rezultat od 186.355 milja u sekundi (299.910 km/s) prihvaćen je kao najpreciznije mjerenje brzine svjetlosti u posljednjih 40 godina, sve dok ga Michelson sam nije ponovno izmjerio. U svom drugom krugu eksperimenata Michelson je bljesnuo svjetlima između dva vrha planina s pažljivo izmjerenim udaljenostima kako bi dobio precizniju procjenu. I u svom trećem pokušaju neposredno prije smrti 1931., prema Smithsonianovom Zrak i svemir magazinu, izgradio je milju dugu cijev pod tlakom od valovite čelične cijevi. Cijev je simulirala gotovo vakuum koji bi uklonio svaki utjecaj zraka na brzinu svjetlosti za još finije mjerenje, samo nešto niže od prihvaćene vrijednosti brzine svjetlosti danas.

Michelson je također proučavao prirodu same svjetlosti, napisao je astrofizičar Ethan Siegal na znanstvenom blogu Forbes, Počinje praskom . Najbolji umovi u fizici u vrijeme Michelsonovih pokusa bili su podijeljeni: Je li svjetlost bila val ili čestica?

Michelson je zajedno sa svojim kolegom Edwardom Morleyjem radio pod pretpostavkom da se svjetlost giba kao val, baš kao i zvuk. I baš kao što su zvuku potrebne čestice za kretanje, obrazlagali su Michelson i Morley i drugi fizičari tog vremena, svjetlost mora imati neku vrstu medija za kretanje. Ova nevidljiva, neotkrivena stvar nazvana je 'svjetlosni eter' (također poznat i kao 'eter').

Iako su Michelson i Morley izgradili sofisticirani interferometar (vrlo osnovnu verziju instrumenta koji se danas koristi u LIGO objektima), Michelson nije mogao pronaći dokaze o bilo kakvoj svjetlosnoj eteri. Utvrdio je da svjetlo može i putuje kroz vakuum.

'Eksperiment-i Michelsonovo djelo-bio je toliko revolucionaran da je postao jedina osoba u povijesti koja je dobila Nobelovu nagradu za vrlo precizno neotkrivanje bilo čega', napisao je Siegal. 'Sam eksperiment mogao je biti potpuni neuspjeh, ali ono što smo iz njega naučili bila je veća blagodat za čovječanstvo i naše razumijevanje svemira nego što bi to bio bilo kakav uspjeh!'

Posebna relativnost i brzina svjetlosti

Albert Einstein na ploči.

Albert Einstein na ploči.(Slika zasluga: NASA)

Einsteinova teorija posebne relativnosti ujedinila je energiju, materiju i brzinu svjetlosti u poznatoj jednadžbi: E = mc^2. Jednadžba opisuje odnos između mase i energije - male količine mase (m) sadrže ili su sastavljene od inherentno ogromne količine energije (E). (To je ono što nuklearne bombe čini tako snažnim: pretvaraju masu u naboje energije.) Budući da je energija jednaka masi puta brzina svjetlosti na kvadrat, brzina svjetlosti služi kao faktor pretvorbe, objašnjavajući točno koliko energije mora biti unutar materije. A budući da je brzina svjetlosti tako velik broj, čak i male količine mase moraju se izjednačiti s ogromnim količinama energije.

Kako bi točno opisala svemir, Einsteinova elegantna jednadžba zahtijeva da brzina svjetlosti bude nepromjenjiva konstanta. Einstein je ustvrdio da se svjetlost kretala kroz vakuum, a ne kroz bilo koji svjetlosni eter, i to na način da se kretala istom brzinom bez obzira na brzinu promatrača.

Zamislite to ovako: Promatrači koji sjede u vlaku mogli bi gledati vlak koji se kreće po paralelnoj pruzi i misliti na njegovo relativno kretanje prema sebi kao na nulu. No, promatrači koji se kreću gotovo brzinom svjetlosti i dalje bi percipirali svjetlost kao da se udaljavaju od sebe brzinom većom od 670 milijuna km / h. (To je zato što je kretanje stvarno, jako brzo jedna od jedinih potvrđenih metoda putovanja kroz vrijeme - vrijeme se zapravo usporava za one promatrače, koji će stariti sporije i opažati manje trenutaka od promatrača koji se kreće sporo.)

Drugim riječima, Einstein je predložio da brzina svjetlosti ne ovisi o vremenu ili mjestu na kojem je mjerite, niti o tome koliko se brzo sami krećete.

Prema teoriji, objekti s masom nikada ne mogu doseći brzinu svjetlosti. Kad bi objekt ikada postigao brzinu svjetlosti, njegova bi masa postala beskonačna. Kao rezultat toga, energija potrebna za pomicanje objekta također bi postala beskonačna.

To znači da ako svoje razumijevanje fizike temeljimo na posebnoj relativnosti, brzina svjetlosti je nepromjenjivo ograničenje brzine našeg svemira - najbrže što može putovati.

Što ide brže od brzine svjetlosti?

Iako se brzina svjetlosti često naziva ograničenje brzine svemira, svemir se zapravo širi još brže. Svemir se širi nešto više od 68 kilometara (68 kilometara) u sekundi za svaki megaparsek udaljenosti od promatrača, napisao je astrofizičar Paul Sutter u prethodnom članku za guesswhozoo.com . (Megaparsek je 3,26 milijuna svjetlosnih godina-zaista dug put.)

Drugim riječima, čini se da se galaksija udaljena 1 megaparsek udaljava od Mliječnog puta brzinom od 42 milje u sekundi (68 km/s), dok se galaksija udaljena dva megaparseka udaljava od skoro 86 milja u sekundi (136 km/s) s) itd.

'U nekom trenutku, na nepristojnoj udaljenosti, brzina se prevrće preko vage i premašuje brzinu svjetlosti, a sve to zbog prirodnog, redovitog širenja prostora', objasnio je Sutter. 'Čini se da bi to trebalo biti protuzakonito, zar ne?'

Posebna relativnost pruža apsolutno ograničenje brzine unutar svemira, prema Sutteru, ali Einsteinova teorija o općoj relativnosti iz 1915. dopušta drugačije ponašanje kada fizika koju ispitujete više nije 'lokalna'.

'Galaksija na drugoj strani svemira? To je domen opće relativnosti, a opća relativnost kaže: Koga briga! Ta galaksija može imati bilo koju brzinu koju želi, sve dok ostaje daleko, a ne uz vaše lice ', napisao je Sutter. 'Posebna relativnost ne mari za brzinu - superluminalnu ili na neki drugi način - udaljene galaksije. A ni vi ne biste trebali. '

Usporava li se svjetlo ikada?

Svjetlost se sporije kreće kroz dijamant nego zrak. No svjetlost se kreće zrakom nešto sporije nego što putuje u vakuumu.

Svjetlost se tijekom putovanja kroz dijamant kreće sporije nego pri kretanju zrakom, a kreće se zrakom nešto sporije nego što može putovati u vakuumu.(Kredit za sliku: Shutterstock)

Svjetlost u vakuumu općenito se smatra da putuje apsolutnom brzinom, ali svjetlost koja putuje kroz bilo koji materijal može se usporiti. Količina materijala usporava svjetlost naziva se njezin indeks loma. Svjetlost se savija pri dolasku u čestice, što rezultira smanjenjem brzine, prema članku objašnjavača iz Akademija Khan .

Povezano: Evo kako brzina svjetlosti izgleda pri usporenom kretanju

Na primjer, svjetlost koja putuje kroz Zemljinu atmosferu kreće se gotovo jednako brzo kao svjetlost u vakuumu, usporavajući za samo tri deset tisućinke brzine svjetlosti. No svjetlost koja prolazi kroz dijamant usporava na manje od polovice svoje tipične brzine, PBS NOVO izvijestio. Čak i tako, putuje kroz dragulj brzinom od preko 277 milijuna km/h (gotovo 124.000 km/s) - dovoljno da napravi razliku, ali i dalje nevjerojatno brzo.

Svjetlost se može zarobiti-pa čak i zaustaviti-unutar ultrahladnih oblaka atoma, prema studiji iz 2001. objavljenoj u časopisu Priroda . Nedavno je u časopisu objavljeno istraživanje iz 2018. godine Pisma o fizičkom pregledu predložio je novi način zaustavljanja svjetla na 'iznimnim mjestima' ili mjestima gdje se dvije odvojene svjetlosne emisije sijeku i spajaju u jednu.

Istraživači su također pokušali usporiti svjetlost čak i kad putuje kroz vakuum. Tim škotskih znanstvenika uspješno je usporio jedan foton ili česticu svjetlosti, čak i dok se kretala kroz vakuum, kako je opisano u njihovoj studiji objavljenoj u časopisu iz 2015. Znanost . U njihovim mjerenjima, razlika između usporenog fotona i 'pravilnog' fotona bila je samo nekoliko milijuntinki metra, ali je pokazala da svjetlost u vakuumu može biti sporija od službene brzine svjetlosti.

Zašto i dalje volimo ideju putovanja bržih od svjetlosti

Znanstvena fantastika voli ideju 'warp speeda'. Putovanje brže od svjetlosti omogućuje bezbroj znanstvenofantastičnih franšiza, sažimajući ogromna prostranstva prostora i dopuštajući likovima da se provlače naprijed-natrag između zvjezdanih sustava.

No, iako putovanje brže od svjetlosti nije zajamčeno nemoguće, morali bismo upregnuti prilično egzotičnu fiziku da bi to funkcioniralo. Na sreću ljubitelja znanstvene fantastike i teoretskih fizičara, postoji mnogo mogućnosti za istraživanje.

Sve što moramo učiniti je smisliti kako se sami ne pomicati - budući da bi posebna relativnost osigurala da bismo bili dugo uništeni prije nego što postignemo dovoljno veliku brzinu - nego umjesto toga pomaknimo prostor oko sebe. Lako, zar ne?

Jedna od predloženih ideja uključuje svemirski brod koji bi mogao saviti prostor-vremenski mjehurić oko sebe. Zvuči sjajno, i u teoriji i u fikciji.

Povezano: Svemirski brod mogao je letjeti brže od svjetlosti

'Kad bi kapetan Kirk bio ograničen kretati se brzinom naših najbržih raketa, trebalo bi mu stotinu tisuća godina samo da dođe do sljedećeg zvjezdanog sustava', rekao je Seth Shostak, astronom iz Instituta za potragu za vanzemaljskom inteligencijom (SETI) u Mountain Viewu u Kaliforniji u intervjuu s Sestrinska stranica guesswhozoo.com LiveScience . 'Dakle, znanstvena je fantastika dugo postulirala način da se pobijedi brzina svjetlosne barijere kako bi se priča mogla kretati malo brže.'

Bez putovanja bržih od svjetlosti bilo koji 'Zvjezdani put' (ili 'Zvjezdani rat') bio bi nemoguć. Ako će čovječanstvo ikada doći do najudaljenijih - i stalno se širi - kutaka našeg svemira, na budućim će fizičarima biti da hrabro odu tamo gdje nitko prije nije išao.

Dodatna sredstva

Neka istraživanja za ovaj članak suradnice guesswhozoo.com Nole Taylor Redd.