Že od antičnih časov so si filozofi in učenjaki prizadevali razumeti svetlobo. Poleg tega, da so poskušali ugotoviti njegove osnovne lastnosti (tj. iz česa je narejen – delec ali val itd.), so poskušali narediti tudi končne meritve, kako hitro potuje. Od poznega 17. stoletja znanstveniki počnejo prav to, in to z vse večjo natančnostjo.
S tem so bolje razumeli mehaniko svetlobe in pomembno vlogo, ki jo ima v fiziki, astronomiji in kozmologiji. Preprosto povedano, svetloba se premika z neverjetno hitrostjo in je najhitrejša stvar v vesolju. Njegova hitrost velja za konstantno in nepremagljivo oviro ter se uporablja kot sredstvo za merjenje razdalje. Toda kako hitro potuje?
Hitrost svetlobe (c):
Svetloba potuje s konstantno hitrostjo 1.079.252.848,8 (1,07 milijarde) km na uro. To deluje na 299.792.458 m/s ali približno 670.616.629 mph (milj na uro). Če bi to predstavili v perspektivi, če bi lahko potovali s svetlobno hitrostjo, bi lahko obkrožili svet približno sedemkrat in pol v eni sekundi. Medtem bi oseba, ki leti s povprečno hitrostjo približno 800 km/h (500 mph), potrebovala več kot 50 ur, da bi samo enkrat obkrožila planet.
Ilustracija, ki prikazuje razdaljo, ki jo prepotuje svetloba med Zemljo in Soncem. Zasluge: LucasVB/javna domena
Če to postavimo v astronomsko perspektivo, je povprečna razdalja od Zemlje do Lune 384.398,25 km (238.854 milj). Torej svetloba prečka to razdaljo v približno sekundi. Medtem je povprečna razdalja od Sonca do Zemlje ~149.597.886 km (92.955.817 milj), kar pomeni, da svetloba potrebuje le približno 8 minut, da opravi to pot.
Nič čudnega torej, zakaj je hitrost svetlobe metrika, ki se uporablja za določanje astronomskih razdalj. Ko rečemo, da je zvezda, kot je Proxima Centauri, oddaljena 4,25 svetlobnih let, pravimo, da bi potrebovali – potovanje s konstantno hitrostjo 1,07 milijarde km na uro (670,616,629 mph) – približno 4 leta in 3 mesece, da pridemo tja. Toda kako smo prišli do te zelo specifične meritve za 'hitrost svetlobe'?
Zgodovina študija:
Do 17. stoletja znanstveniki niso bili prepričani, ali svetloba potuje s končno hitrostjo ali v trenutku. Od časov starih Grkov do srednjeveških islamskih učenjakov in znanstvenikov zgodnjega modernega obdobja je razprava potekala naprej in nazaj. Šele z delom danskega astronoma Ølea Rømerja (1644-1710) je bila opravljena prva kvantitativna meritev.
Leta 1676 je Rømer opazil, da se zdi, da so obdobja Jupitrove najbolj notranje lune Io krajša, ko se Zemlja približuje Jupitru kot takrat, ko se ta od njega umika. Iz tega je zaključil, da svetloba potuje s končno hitrostjo, in ocenil, da potrebuje približno 22 minut, da prečka premer Zemljine orbite.
Profesor Albert Einstein je imel 11. predavanje Josiaha Willarda Gibbsa na Carnegiejevem inštitutu za tehnologijo 28. decembra 1934, kjer je razložil svojo teorijo o tem, kako sta snov in energija ista stvar v različnih oblikah. Zasluge: AP Photo
Christiaan Huygens uporabil to oceno in jo združil z oceno premera Zemljine orbite, da je dobil oceno 220.000 km/s. Isaac Newton govoril tudi o Rømerjevih izračunih v svojem temeljnem delu Optike (1706). Ko je prilagodil razdaljo med Zemljo in Soncem, je izračunal, da bi svetloba potrebovala sedem ali osem minut, da potuje od enega do drugega. V obeh primerih so zaostajali za relativno majhno razliko.
Kasnejše meritve, ki sta jih opravila francoska fizika Hippolyte Fizeau (1819 – 1896) in Léon Foucault (1819 – 1868), so te meritve dodatno izboljšala – kar je povzročilo vrednost 315.000 km/s (192.625 milj/s). V drugi polovici 19. stoletja so se znanstveniki zavedali povezave med svetlobo in elektromagnetizmom.
To so dosegli fiziki, ki so merili elektromagnetne in elektrostatične naboje, ki so nato ugotovili, da je številčna vrednost zelo blizu svetlobni hitrosti (kot jo je izmeril Fizeau). Na podlagi lastnega dela, ki je pokazalo, da se elektromagnetno valovanje širi v praznem prostoru, je nemški fizik Wilhelm Eduard Weber predlagal, da je svetloba elektromagnetno valovanje.
Naslednji velik preboj se je zgodil v zgodnjem 20. stoletju/v svojem prispevku iz leta 1905 z naslovom »O elektrodinamiki gibljivih teles', Albert Einstein trdil, da je hitrost svetlobe v vakuumu, ki jo meri opazovalec brez pospeševanja, enaka v vseh inercialnih referenčnih okvirih in neodvisna od gibanja vira ali opazovalca.
Laser, ki sije skozi kozarec vode, dokazuje, koliko sprememb v hitrosti (v mph) doživi, ko prehaja iz zraka, v steklo, vodo in nazaj. Zasluge: Bob King
Z uporabo tega in Galilejevo načelo relativnosti kot osnovo je Einstein izpeljal Teorija posebne relativnosti , pri katerem je hitrost svetlobe v vakuumu (c) je bila temeljna konstanta. Pred tem je delovno soglasje med znanstveniki menilo, da je prostor napolnjen s 'svetlečim etrom', ki je odgovoren za njegovo širjenje - to pomeni, da bi medij vlekel svetlobo, ki potuje skozi premikajoči se medij.
To je posledično pomenilo, da bi bila izmerjena hitrost svetlobe preprosta vsota njene hitrostiskozimedij plus hitrostodtisti medij. Vendar je Einsteinova teorija dejansko naredila koncept stacionarnega etra neuporabnega in revolucionirala koncepte prostora in časa.
Ne samo, da je spodbudil idejo, da je hitrost svetlobe enaka v vseh inercialnih referenčnih okvirih, uvedel je tudi idejo, da se velike spremembe zgodijo, ko se stvari premikajo blizu svetlobne hitrosti. Ti vključujejo časovno-prostorski okvir gibajočega se telesa, ki se zdi, da se upočasni in skrči v smeri gibanja, če ga merimo v okviru opazovalca (tj. časovna dilatacija, kjer se čas upočasni, ko se hitrost svetlobe približuje).
Njegova opažanja so tudi uskladila Maxwellove enačbe za elektriko in magnetizem z zakoni mehanike, poenostavila matematične izračune z odpravo tujih razlag, ki so jih uporabljali drugi znanstveniki, in uskladila z neposredno opazovano hitrostjo svetlobe.
V drugi polovici 20. stoletja bi vse natančnejše meritve z laserskimi inferometri in tehnikami resonančne votline dodatno izboljšale ocene svetlobne hitrosti. Do leta 1972 je skupina pri ameriškem nacionalnem uradu za standarde v Boulderju v Koloradu uporabila tehniko laserskega inferometra, da je dobila trenutno priznano vrednost 299.792.458 m/s.
Vloga v sodobni astrofiziki:
Einsteinovo teorijo, da je hitrost svetlobe v vakuumu neodvisna od gibanja vira in inercialnega referenčnega okvirja opazovalca, je bila od takrat dosledno potrjena s številnimi poskusi. Prav tako določa zgornjo mejo hitrosti, s katero lahko vsi brezmasni delci in valovi (kar vključuje svetlobo) potujejo v vakuumu.
Eden od izrastkov tega je, da kozmologi zdaj obravnavajo prostor in čas kot eno samo enotno strukturo, znano kot prostor-čas – v kateri se lahko svetlobna hitrost uporablja za opredelitev vrednosti za oba (tj. »svetlobna leta«, »svetlobne minute« in 'svetlobne sekunde'). Merjenje svetlobne hitrosti je postalo tudi pomemben dejavnik pri določanju hitrosti kozmičnega širjenja.
Začetek v dvajsetih letih prejšnjega stoletja z opazovanji Lemaitra in Hubbla so se znanstveniki in astronomi zavedali, da se vesolje širi od izvorne točke. Hubble je tudi opazil, da dlje kot je galaksija, zdi se, da se hitreje premika. V tem, kar se zdaj imenuje Hubblov parameter , hitrost, s katero se vesolje širi, je izračunana na 68 km/s na megaparsec.
Ta pojav, za katerega je bilo teoretizirano, da pomeni, da nekateri galaksije bi se dejansko lahko premikale hitreje od svetlobne hitrosti , lahko omeji tisto, kar je opazno v našem vesolju. V bistvu bi galaksije, ki potujejo hitreje od svetlobne hitrosti, prečkale »kozmološko obzorje dogodkov«, kjer nam niso več vidne.
Prav tako so do devetdesetih let prejšnjega stoletja meritve rdečega premika oddaljenih galaksij pokazale, da se širitev vesolja v zadnjih nekaj milijardah let pospešuje. To je privedlo do teorij, kot je ' Temna energija “, kjer nevidna sila poganja širjenje samega prostora namesto predmetov, ki se premikajo skozi njega (s čimer ne omejuje hitrosti svetlobe ali krši relativnosti).
Skupaj s posebno in splošno relativnostjo je sodobna vrednost svetlobne hitrosti v vakuumu posredovala kozmologijo, kvantno fiziko in standardni model fizike delcev. Ostaja stalnica, ko govorimo o zgornji meji, pri kateri lahko potujejo brezmasni delci, in ostaja nedosegljiva ovira za delce, ki imajo maso.
Morda bomo nekega dne našli način, kako preseči svetlobno hitrost. Čeprav nimamo praktičnih idej o tem, kako bi se to lahko zgodilo, se zdi, da je pametni denar na tehnologijah, ki nam bodo omogočile, da zaobidemo zakone vesolja in časa, bodisi z ustvarjanjem warp mehurčkov (aka. Alcubierre Warp Drive ) ali tuneliranje skozi njo (oz. črvine ).
Do takrat se bomo morali zadovoljiti le z vesoljem, ki ga lahko vidimo, in vztrajati pri raziskovanju tistega dela, ki je dosegljiv z običajnimi metodami.
Za Universe Today smo napisali veliko člankov o svetlobni hitrosti. tukaj Kako hitra je svetlobna hitrost? , Kako se galaksije odmikajo hitreje od svetlobe? , Kako lahko vesolje potuje hitreje od svetlobne hitrosti? , in Prekinitev hitrosti svetlobe .
Tukaj je kul kalkulator, ki vam omogoča pretvorbo številnih različne enote za svetlobno hitrost , in tukaj je a relativnostni kalkulator , če bi želeli potovati s hitrostjo svetlobe.
Astronomy Cast ima tudi epizodo, ki obravnava vprašanja o hitrosti svetlobe - Vprašanja kažejo: Relativnost, Relativnost in še več Relativnost .
Viri:
