Каква е скоростта на светлината?

Скоростта на светлината е ограничение на скоростта на всичко в нашата вселена. Или е така?

Скоростта на светлината е ограничение на скоростта на всичко в нашата вселена. Или е така? (Изображение кредит: Гети / Юичиро Чино)

Преминете към:



Светлината, пътуваща през вакуум, се движи с точно 299 792 458 метра (983 571 056 фута) в секунда. Това е около 186 282 мили в секунда - универсална константа, известна в уравнения и стенография като „c“, или скоростта на светлината.



Според теорията за специалната относителност на физика Алберт Айнщайн, на която се основава голяма част от съвременната физика, нищо във Вселената не може да пътува по -бързо от светлината. Теорията твърди, че с приближаването на материята към скоростта на светлината, масата на тази материя става безкрайна. Това означава, че скоростта на светлината функционира като ограничение на скоростта за цялата Вселена. Скоростта на светлината е толкова неизменна, че според САЩ Национален институт по стандарти и технологии , той се използва за определяне на международни стандартни измервания като измервателния уред (и като разширение, мили, стъпало и инч). Чрез някои хитри уравнения, той също помага да се дефинират килограмите и Келвин .

Но въпреки скоростта на репутацията на светлината като универсална константа, учените и писателите на научна фантастика прекарват времето си в съзерцание на пътувания по-бързи от светлината. Досега никой не успя да разбере как да пътува с такава скорост. Но това не забави колективния ни набег към нови истории, нови изобретения и нови области на физиката.



Свързани: Специалната относителност издържа на високоенергиен тест

Какво е светлинна година?

Космическият телескоп Хъбъл направи това изображение на спиралната галактика NGC 3972. Галактиката е на 65 милиона светлинни години от Земята (това

Космическият телескоп Хъбъл направи това изображение на спиралната галактика NGC 3972. Галактиката е на 65 милиона светлинни години от Земята (това е 382 квинтилиона мили!) И може да се намери в съзвездието Голяма мечка.(Изображение: НАСА/ESA,/А. Риес (STScI/JHU))



ДА СЕ светлинна година е разстоянието, което светлината може да измине за една година - около 6 трилиона километра. Това е един от начините, по които астрономите и физиците измерват огромни разстояния в нашата Вселена.

Светлината пътува от Луната до очите ни за около 1 секунда, което означава, че Луната е на около 1 светлинна секунда. Слънчевата светлина отнема около 8 минути, за да достигне очите ни, така че слънцето е на около 8 светлинни минути от нас. Светлината от Алфа Кентавър, която е най-близката звездна система до нашата, изисква приблизително 4,3 години, за да стигне до тук, така че Алфа Кентавър е на 4,3 светлинни години от нас.

„За да добиете представа за размера на светлинна година, вземете обиколката на Земята (24 900 мили), поставете я по права линия, умножете дължината на линията със 7,5 (съответното разстояние е една светлинна секунда ), след това поставете 31,6 милиона подобни линии от край до край “, каза той Изследователският център на НАСА Глен . „Полученото разстояние е почти 6 трилиона (6 000 000 000 000) мили!“



Звездите и други обекти извън нашата Слънчева система се намират навсякъде от няколко светлинни години до няколко милиарда светлинни години. И всичко, което астрономите „виждат“ в далечната вселена, е буквално история. Когато астрономите изучават обекти, които са далеч, те изглеждат такива, каквито са съществували по времето, когато светлината ги е напуснала.

Свързани: Защо Вселената е цялата история

Този принцип позволява на астрономите да видят Вселената така, както е изглеждала след Големия взрив, който се е случил преди около 13,8 милиарда години. Обектите, които са на 10 милиарда светлинни години от нас, изглеждат на астрономите така, както са изглеждали преди 10 милиарда години-сравнително скоро след началото на Вселената-а не както изглеждат днес.

Как научихме скоростта на светлината?

Галилео Галилей е приписван на откриването на първите четири луни на Юпитер.

Аристотел, Емпедокъл, Галилей (илюстриран тук), Оле Рьомер и безброй други философи и физици в историята са обмисляли скоростта на светлината.(Изображение кредит: НАСА)

Още през V век гръцки философи като Емпедокъл и Аристотел се разминават относно естеството на скоростта на светлината. Емпедокъл смята, че светлината, от която и да е направена, трябва да пътува и следователно трябва да има скорост на движение. Аристотел написа опровержение на мнението на Емпедокъл в собствения си трактат, За Разума и разумното , като твърди, че светлината, за разлика от звука и миризмата, е мигновена. Аристотел греши, разбира се, но ще отнеме стотици години, за да го докаже всеки.

В средата на 1600 -те, разказва PBS НОВ , италианският астроном Галилео Галилей стояха двама души на хълмове на по -малко от миля една от друга. Всеки човек държеше екраниран фенер. Един разкри своя фенер; когато другият човек видя светкавицата, той откри и неговата. Експерименталното разстояние на Галилей не беше достатъчно далеч, за да могат участниците да запишат скоростта на светлината. Можеше само да заключи, че светлината пътува поне 10 пъти по -бързо от звука.

През 1670 -те години датският астроном Оле Ремер се опитва да създаде надежден график за моряците в морето и според НАСА , случайно излезе с нова най -добра оценка за скоростта на светлината. За да създаде астрономически часовник, той записва точното време на затъмненията на луната на Юпитер, Йо, от Земята . С течение на времето Рьомер забеляза, че затъмненията на Йо често се различават от неговите изчисления. Той забеляза, че затъмненията изглеждат най -много, когато Юпитер и Земята се отдалечаваха една от друга, появиха се преди време, когато планетите се приближаваха и се случиха по график, когато планетите бяха в най -близките или най -отдалечените си точки - груба версия на ефекта на Доплер или червено отместване . В скок на интуицията той установи, че светлината отнема измеримо време, за да пътува от Йо до Земята.

Rømer използва наблюденията си, за да оцени скоростта на светлината. Тъй като размерът на Слънчевата система и орбитата на Земята все още не са били точно известни, твърди документ от 1998 г. Американски вестник по физика , той беше малко на разстояние. Но най -сетне учените имаха с какво да работят. Изчислението на Rømer поставя скоростта на светлината на около 124 000 мили в секунда (200 000 км/с).

През 1728 г. английският физик Джеймс Брадли основава нов набор от изчисления върху промяната на видимото положение на звездите, дължащо се на пътуванията на Земята около Слънцето. Той изчисли скоростта на светлината на 185 000 мили в секунда (301 000 км/с) - с точност до около 1% от реалната стойност, според Американското физическо дружество .

Два нови опита в средата на 1800-те години върнаха проблема на Земята. Френският физик Иполит Физо постави лъч светлина върху бързо въртящо се зъбно колело, с огледало, разположено на 5 мили (8 км), за да го отрази обратно до източника му. Промяната на скоростта на колелото позволи на Fizeau да изчисли колко време е необходимо на светлината да излезе от дупката, до съседното огледало и обратно през пролуката. Друг френски физик, Леон Фуко, използва въртящо се огледало, а не колело, за да извърши по същество същия експеримент. Двата независими метода се движат в рамките на около 1000 мили в секунда (1609 км/сек) от скоростта на светлината.

На 15 август 1930 г. в Санта Ана, Калифорния, д-р Алберт А. Майкълсън застана до милиметровата вакуумна тръба, която щеше да бъде използвана при последното и най-точно измерване на скоростта на светлината.

На 15 август 1930 г. в Санта Ана, Калифорния, д-р Алберт А. Майкълсън застана до милиметровата вакуумна тръба, която щеше да бъде използвана при последното и най-точно измерване на скоростта на светлината.(Изображение кредит: Гети/Бетман)

Друг учен, който се бори със скоростта на светлинната мистерия, е роденият в Полша Алберт А. Майкълсън, който е израснал в Калифорния по време на периода на златната треска на щата и усъвършенства интереса си към физиката, докато посещава Военноморската академия на САЩ, според Университет на Вирджиния . През 1879 г. той се опитва да възпроизведе метода на Фуко за определяне на скоростта на светлината, но Майкълсън увеличава разстоянието между огледалата и използва изключително висококачествени огледала и лещи. Резултатът на Майкълсън от 186 355 мили в секунда (299 910 км/с) е приет като най-точното измерване на скоростта на светлината за 40 години, докато Майкълсън не я измерва отново. Във втория си кръг от експерименти Майкълсън проблясва светлини между два планински върха с внимателно измерени разстояния, за да получи по -точна оценка. И в третия си опит точно преди смъртта му през 1931 г., според Смитсониан Въздух и Космос списание, той построи една километрова тръба под налягане от гофрирана стоманена тръба. Тръбата симулира почти вакуум, който би премахнал всеки ефект на въздуха върху скоростта на светлината за още по-фино измерване, малко по-ниско от приетата стойност на скоростта на светлината днес.

Майкълсън също изучава природата на самата светлина, пише астрофизикът Итън Зигал в научния блог на Forbes, Започва с взрив . Най -добрите умове във физиката по време на експериментите на Майкълсън бяха разделени: светлината вълна ли беше или частица?

Майкълсън, заедно с колегата си Едуард Морли, работи при предположението, че светлината се движи като вълна, точно като звук. И точно както звукът се нуждае от частици, за да се движи, разсъждават Майкълсън и Морли и други физици от онова време, светлината трябва да има някакъв вид среда за преминаване. Това невидимо, неоткриваемо вещество се нарича „светещ етер“ (известен също като „етер“).

Въпреки че Майкълсън и Морли създадоха сложен интерферометър (много основна версия на инструмента, използван днес в съоръженията на LIGO), Майкълсън не можа да намери доказателства за какъвто и да е вид светещ етер. Той определи, че светлината може и пътува през вакуум.

„Експериментът-и работата на Майкълсън-беше толкова революционен, че той стана единственият човек в историята, спечелил Нобелова награда за много точно неоткриване на нищо“, пише Зигал. 'Самият експеримент може да се е оказал пълен провал, но това, което научихме от него, беше по -голяма полза за човечеството и нашето разбиране за Вселената, отколкото всеки успех би бил!'

Специална относителност и скоростта на светлината

Алберт Айнщайн на дъската.

Алберт Айнщайн на дъската.(Изображение кредит: НАСА)

Теорията на Айнщайн за специална относителност обединява енергията, материята и скоростта на светлината в известно уравнение: E = mc^2. Уравнението описва връзката между маса и енергия - малки количества маса (m) съдържат или са съставени от присъщо огромно количество енергия (E). (Това прави ядрените бомби толкова мощни: Те превръщат масата в енергийни изблици.) ​​Тъй като енергията е равна на масата по скоростта на светлината на квадрат, скоростта на светлината служи като коефициент на преобразуване, обяснявайки точно колко енергия трябва да бъде в материята. И тъй като скоростта на светлината е толкова голям брой, дори малки количества маса трябва да се равняват на огромни количества енергия.

За да опише точно Вселената, елегантното уравнение на Айнщайн изисква скоростта на светлината да бъде неизменна константа. Айнщайн твърди, че светлината се движи през вакуум, а не какъвто и да е светлинен етер, и по такъв начин, че да се движи със същата скорост, независимо от скоростта на наблюдателя.

Мислете за това така: Наблюдателите, седнали на влак, биха могли да гледат влак, движещ се по паралелна релса, и да мислят за относителното му движение към себе си като нула. Но наблюдателите, движещи се почти със скоростта на светлината, все пак ще възприемат светлината като отдалечена от себе си със скорост над 670 милиона мили / ч. (Това е така, защото движението наистина, много бързо е един от единствените потвърдени методи за пътуване във времето - времето всъщност се забавя за онези наблюдатели, които остаряват по -бавно и възприемат по -малко моменти от наблюдателя, който се движи бавно.)

С други думи, Айнщайн предлага скоростта на светлината да не варира в зависимост от времето или мястото, на което я измервате, или колко бързо се движите.

Според теорията обектите с маса никога не могат да достигнат скоростта на светлината. Ако обект някога е достигнал скоростта на светлината, масата му ще стане безкрайна. В резултат на това енергията, необходима за преместване на обекта, също ще стане безкрайна.

Това означава, че ако основаваме разбирането си за физиката на специална относителност, скоростта на светлината е неизменната граница на скоростта на нашата вселена - най -бързата, която може да пътува.

Какво става по -бързо от скоростта на светлината?

Въпреки че скоростта на светлината често се нарича ограничение на скоростта на Вселената, вселената всъщност се разширява още по -бързо. Вселената се разширява с малко повече от 42 мили (68 километра) в секунда за всеки мегапарсек от разстояние от наблюдателя, пише астрофизикът Пол Сътър в предишна статия за demokratija.eu . (Мегапарсекът е 3,26 милиона светлинни години-наистина дълъг път.)

С други думи, изглежда, че галактика на 1 мегапарсек далеч се отдалечава от Млечния път със скорост от 42 мили в секунда (68 км/сек), докато галактика на две мегапарсеци далеч се отдалечава с почти 86 мили в секунда (136 км/сек) s) и т.н.

„В един момент, на някакво неприлично разстояние, скоростта се преобръща над везните и надвишава скоростта на светлината, всичко това от естественото, редовно разширяване на пространството“, обясни Сатър. 'Изглежда, че трябва да е незаконно, нали?'

Специалната теория на относителността осигурява абсолютно ограничение на скоростта във Вселената, според Сътър, но теорията на Айнщайн от 1915 г. относно общата теория на относителността позволява различно поведение, когато физиката, която изследвате, вече не е „локална“.

„Галактика в далечната страна на Вселената? Това е областта на общата теория на относителността и общата теория на относителността казва: Кой го интересува! Тази галактика може да има каквато и скорост да иска, стига да стои далеч, а не до лицето ви “, пише Сътър. „Специалната относителност не се интересува от скоростта - свръхсветла или по друг начин - на далечна галактика. И вие също не трябва.

Забавя ли се някога светлината?

Светлината се движи по -бавно през диаманта, отколкото въздуха. Но светлината се движи във въздуха малко по -бавно, отколкото във вакуум.

Светлината се движи по -бавно, когато се движи през диаманта, отколкото когато се движи през въздуха, и се движи по въздуха малко по -бавно, отколкото може да пътува във вакуум.(Изображение кредит: Shutterstock)

Светлината във вакуум обикновено се държи да пътува с абсолютна скорост, но светлината, преминаваща през всеки материал, може да бъде забавена. Количеството, което даден материал забавя светлината, се нарича негов показател на пречупване. Светлината се огъва при контакт с частици, което води до намаляване на скоростта, според статия на обяснителя от Академия Хан .

Свързани: Ето как изглежда скоростта на светлината при забавено движение

Например, светлината, пътуваща през земната атмосфера, се движи почти толкова бързо, колкото светлината във вакуум, забавяйки се само с три десетхилядни от скоростта на светлината. Но светлината, преминаваща през диамант, се забавя до по -малко от половината от типичната си скорост, PBS НОВ докладвани. Въпреки това, той пътува през скъпоценния камък със скорост над 277 милиона мили/ч (почти 124 000 км/сек) - достатъчно, за да направи разлика, но все пак невероятно бърз.

Светлината може да бъде уловена-и дори спряна-в ултра студени облаци от атоми, според проучване от 2001 г., публикувано в списанието Природата . Съвсем наскоро проучване от 2018 г., публикувано в списанието Писма за физически преглед предложи нов начин за спиране на светлината в нейните следи в „изключителни точки“ или места, където две отделни светлинни емисии се пресичат и се сливат в едно.

Изследователите също се опитват да забавят светлината, дори когато тя пътува през вакуум. Екип от шотландски учени успешно забави един фотон или частица светлина, дори когато тя се движи през вакуум, както е описано в тяхното проучване от 2015 г., публикувано в списанието Наука . При техните измервания разликата между забавения фотон и „обикновения“ фотон е само няколко милионни от метър, но демонстрира, че светлината във вакуум може да бъде по -бавна от официалната скорост на светлината.

Защо все още обичаме идеята за пътуване по-бързо от светлината

Научната фантастика обича идеята за „скорост на изкривяване“. По-бързото от светлината пътуване прави възможни безброй научнофантастични франчайзи, съкращавайки необятните пространства на пространството и позволявайки на героите да изскачат напред-назад между звездни системи с лекота.

Но докато пътуването по-бързо от светлината не е гарантирано невъзможно, ще трябва да използваме доста екзотична физика, за да го накараме да работи. За щастие както на любителите на научната фантастика, така и на физиците теоретици, има много възможности за изследване.

Всичко, което трябва да направим, е да разберем как да не се движим - тъй като специалната теория на относителността ще гарантира, че ще бъдем унищожени дълго, преди да достигнем достатъчно висока скорост - но вместо това, преместете пространството около нас. Лесно, нали?

Една от предложените идеи включва космически кораб, който може да сгъне пространствено-времевия балон около себе си. Звучи страхотно, както на теория, така и на художествена литература.

Свързани: Космическият кораб може да лети по -бързо от светлината

„Ако капитан Кърк беше принуден да се движи със скоростта на най -бързите ни ракети, ще му отнеме сто хиляди години, само за да стигне до следващата звездна система“, казва Сет Шостак, астроном от Института за търсене на извънземен разум (SETI) в Маунтин Вю, Калифорния, в интервю за 2010 г. с Сестринският сайт на demokratija.eu LiveScience . „Така че научната фантастика отдавна постулира начин за преодоляване на скоростта на светлинната бариера, така че историята да може да се движи малко по -бързо.“

Без пътуване, по-бързо от светлината, всеки „Междузвезден път“ (или „Междузвездна война“, по този въпрос) би бил невъзможен. Ако някога човечеството ще достигне най -далечните - и непрекъснато разширяващи се - кътчета на нашата вселена, от бъдещите физици ще зависи смело да отидат там, където никой не е ходил досега.

Допълнителни ресурси

Някои изследвания за тази статия от сътрудничката на demokratija.eu Нола Тейлър Ред.