Od dávných dob se filozofové a učenci snažili porozumět světlu. Kromě snahy rozeznat její základní vlastnosti (tj. Z čeho se skládá - částice nebo vlna atd.), Se také snažili provést konečná měření rychlosti, kterou prochází. Od konce 17. století to vědci dělají jen s rostoucí přesností.
Získali tak lepší porozumění mechanice světla a důležitou roli, kterou hraje ve fyzice, astronomii a kosmologii. Jednoduše řečeno, světlo se pohybuje neuvěřitelnou rychlostí a je to nejrychleji se pohybující věc ve vesmíru. Jeho rychlost je považována za konstantní a nerozbitnou bariéru a používá se jako prostředek k měření vzdálenosti. Ale jak rychle to jde?
Rychlost světla (C):
Světlo cestuje konstantní rychlostí 1 079 252 848,8 (1,07 miliardy) km za hodinu. To pracuje na 299 792 458 m / s, nebo asi 670,616,629 mph (mil za hodinu). Abych to řekl v perspektivě, pokud byste mohli cestovat rychlostí světla, mohli byste obíhat kolem zeměkoule přibližně sedm a půlkrát za sekundu. Mezitím by osoba létající průměrnou rychlostí asi 800 km / h (500 mph) trvala více než 50 hodin, než by planetu obtočila jen jednou.
Abychom to uvedli do astronomické perspektivy, průměrná vzdálenost od Země k Měsíci je 384 398,25 km (238 854 mil). Takže světlo prochází touto vzdáleností asi za sekundu. Mezitím je průměrná vzdálenost od Slunce k Zemi ~ 149 597 886 km (92 955 817 mil), což znamená, že k této cestě trvá jen asi 8 minut.
Není divu, proč je rychlost světla metrikou používanou k určení astronomických vzdáleností. Když říkáme, že hvězda jako Proxima Centauri je vzdálená 4,25 světelných let, říkáme, že by to trvalo - cestování konstantní rychlostí 1,07 miliardy km / h (670,616,629 mph) - asi 4 roky a 3 měsíce, než se tam dostalo. Ale jak jsme dospěli k tomuto vysoce specifickému měření „rychlosti světla“?
Dějiny studia:
Až do 17. století si vědci nebyli jisti, zda světlo cestuje konečnou rychlostí nebo okamžitě. Od dob starověkých Řeků po středověké islámské učence a vědce raného novověku probíhala debata tam a zpět. Teprve kvantitativní měření bylo provedeno dánským astronomem Øle Rømerem (1644-1710).
V roce 1676 Rømer poznamenal, že období nejvnitřnějšího měsíce Io Jupitera se zdálo být kratší, když se Země blížila k Jupiteru, než když z něj ustupovala. Z toho dospěl k závěru, že světlo cestuje konečnou rychlostí a odhaduje, že k překročení průměru oběžné dráhy Země trvá asi 22 minut.
Christiaan Huygens použil tento odhad a kombinoval ho s odhadem průměru oběžné dráhy Země, aby získal odhad 220 000 km / s. Isaac Newton také hovořil o Rømerových výpočtech v jeho klíčové práci Opticks (1706). Když upravil vzdálenost mezi Zemí a Sluncem, vypočítal, že cestování z jedné na druhou bude trvat sedm nebo osm minut. V obou případech byli pryč s relativně malým rozpětím.
Pozdější měření prováděná francouzskými fyziky Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) a Léon Foucault (1819 - 1868) tato měření dále zpřesňovala - výsledkem byla hodnota 315 000 km / s (192 625 mi / s). A v druhé polovině 19. století si vědci uvědomili souvislost mezi světlem a elektromagnetismem.
Toho bylo dosaženo pomocí fyziků měřících elektromagnetické a elektrostatické náboje, kteří pak zjistili, že numerická hodnota byla velmi blízko rychlosti světla (měřeno Fizeauem). Německý fyzik Wilhelm Eduard Weber na základě své vlastní práce, která ukázala, že se elektromagnetické vlny šíří v prázdném prostoru, navrhl, aby světlo bylo elektromagnetickou vlnou.
Další velký průlom nastal na počátku 20. století / Ve svém příspěvku z roku 1905 s názvem „O elektrodynamice pohybujících se těles “, Albert Einstein tvrdil, že rychlost světla ve vakuu, měřená nezrychlujícím pozorovatelem, je ve všech inerciálních referenčních rámcích stejná a nezávislá na pohybu zdroje nebo pozorovatele.
Použitím tohoto a Galileova principu relativity jako základu, Einstein odvodil Teorii speciální relativity, ve které rychlost světla ve vakuu (C) byla základní konstanta. Před tím pracovní konsenzus mezi vědci usoudil, že prostor byl naplněn „světelným éterem“, který byl zodpovědný za jeho šíření - tj. Světlo, které prochází pohybujícím se médiem, bude tímto médiem taženo.
To zase znamenalo, že změřená rychlost světla by byla jednoduchým součtem jeho rychlosti přes střední plus rychlost z to médium. Einsteinova teorie však účinně učinila koncept stacionárního éteru zbytečným a revolucionizovala koncepty prostoru a času.
Nejenže to posílilo myšlenku, že rychlost světla je stejná ve všech inerciálních referenčních rámcích, ale také představila myšlenku, že k významným změnám dochází, když se věci pohybují blízko rychlosti světla. Patří mezi ně časový a časový rámec pohybujícího se tělesa, které se zdánlivě zpomaluje a smršťuje ve směru pohybu, když se měří v rámci pozorovatele (tj. Časová dilatace, kde čas se zpomaluje, jak se rychlost světla blíží).
Jeho postřehy také sladily Maxwellovy rovnice pro elektřinu a magnetismus se zákony mechaniky, zjednodušily matematické výpočty tím, že odstranily cizí vysvětlení použitá jinými vědci a odpovídaly přímo pozorované rychlosti světla.
Během druhé poloviny 20. století by stále přesnější měření pomocí laserových inferometrů a technik rezonance dutin dále zpřesňovala odhady rychlosti světla. V roce 1972 skupina na americkém National Bureau of Standards v Boulderu v Coloradu použila techniku laserového inferometru k získání aktuálně uznávané hodnoty 299 792 458 m / s.
Role v moderní astrofyzice:
Einsteinova teorie, že rychlost světla ve vakuu je nezávislá na pohybu zdroje a na inerciálním referenčním rámci pozorovatele, byla od té doby opakovaně potvrzována mnoha experimenty. Stanovuje také horní mez rychlosti, při které mohou všechny bezmasé částice a vlny (včetně světla) cestovat ve vakuu.
Jedním z jeho následků je to, že kosmologové nyní považují prostor a čas za jednu sjednocenou strukturu známou jako spacetime - v níž lze rychlost světla použít k definování hodnot pro obě (tj. „Světelné roky“, „světelné minuty“ a „Světelné sekundy“). Měření rychlosti světla se také stalo hlavním faktorem při určování rychlosti kosmické expanze.
Na začátku 20. let s pozorováním Lemaitre a Hubbleho si vědci a astronomové uvědomili, že vesmír se rozšiřuje z místa původu. Hubble také pozoroval, že čím dál je galaxie, tím rychleji se zdá být v pohybu. V tom, co se nyní označuje jako Hubbleův parametr, se rychlost, kterou se vesmír rozšiřuje, počítá na 68 km / s na megaparsec.
Tento jev, který byl teoretizován, což znamená, že některé galaxie by se mohly ve skutečnosti pohybovat rychleji než rychlost světla, může omezit to, co je v našem vesmíru pozorovatelné. V zásadě by galaxie, které cestují rychleji, než je rychlost světla, překročily „horizont kosmologické události“, kde pro nás již nejsou vidět.
Také v devadesátých letech měření červeného posunu vzdálených galaxií ukázaly, že expanze vesmíru se v posledních několika miliardách let zrychluje. To vedlo k teoriím, jako je „temná energie“, kde neviditelná síla řídí expanzi samotného prostoru namísto objektů, které se jím pohybují (čímž se nekladou omezení rychlosti světla ani naruší relativitu).
Spolu se zvláštní a obecnou relativitou, moderní hodnota rychlosti světla ve vakuu pokračovala informovat kosmologii, kvantovou fyziku a standardní model fyziky částic. Zůstává konstantní, když mluvíme o horní hranici, po které mohou bezmasé částice cestovat, a zůstává nedosažitelnou bariérou pro částice, které mají hmotu.
Možná jednoho dne najdeme způsob, jak překročit rychlost světla. I když nemáme žádné praktické nápady, jak by se to mohlo stát, inteligentní peníze se zdají být na technologiích, které nám umožní obejít zákony časoprostoru, a to buď vytvořením warp bublin (aka. Alcubierre Warp Drive), nebo tunelováním ( červí díry).
Až do té doby budeme muset být spokojeni s vesmírem, který vidíme, a držet se prozkoumávání té části, která je dosažitelná pomocí konvenčních metod.
Napsali jsme mnoho článků o rychlosti světla pro časopis Space. Zde je Jak rychlá je rychlost světla ?, Jak se galaxie pohybují rychleji než světlo ?, Jak může vesmír cestovat rychleji než rychlost světla? A rozbít rychlost světla.
Zde je skvělá kalkulačka, která vám umožňuje převádět mnoho různých jednotek pro rychlost světla, a zde je kalkulačka relativity, pro případ, že byste chtěli cestovat téměř rychlostí světla.
Astronomie Cast má také epizodu, která se zabývá otázkami o rychlosti světla - Otázky ukazují: relativita, relativita a více relativita.
Zdroje:
- Wikipedia - Rychlost světla
- Fyzika vesmíru - rychlost světla a princip relativity
- NASA - Jaká je rychlost světla?
- Galileo a Einstein - rychlost světla
