З давніх часів філософи та вчені прагнули зрозуміти світло. На додаток до спроб розрізнити його основні властивості (тобто з чого вона виготовлена - частинка або хвиля тощо), вони також прагнули зробити кінцеві вимірювання того, як швидко вона рухається. З кінця 17 століття вчені займаються саме цим і з більшою точністю.
Роблячи це, вони краще зрозуміли механіку світла та важливу роль, яку воно відіграє у фізиці, астрономії та космології. Простіше кажучи, світло рухається з неймовірною швидкістю і є найшвидшим рухом у Всесвіті. Його швидкість вважається постійною і непорушним бар'єром, і використовується як засіб вимірювання відстані. Але наскільки швидко він подорожує?
Швидкість світла (c):
Світло подорожує з постійною швидкістю 1,079,252,848,8 (1,07 млрд) км на годину. Це спрацьовує до 299,792,458 м / с, або приблизно 670 616 629 миль / миль (миль на годину). Якщо говорити про це в перспективі, якби ви могли подорожувати зі швидкістю світла, ви могли б обійти земну кулю приблизно сім з половиною разів за одну секунду. Тим часом людині, що летить із середньою швидкістю близько 800 км / год (500 миль / год), знадобиться більше 50 годин, щоб обходити планету лише один раз.
Для цього в астрономічній перспективі середня відстань від Землі до Місяця становить 384 398,25 км (238 854 милі). Тож світло проходить цю відстань приблизно за секунду. Тим часом, середня відстань від Сонця до Землі становить ~ 149,597,886 км (92,955,817 миль), а це означає, що світлу потрібно лише 8 хвилин, щоб здійснити цю подорож.
Тож не дивно, чому швидкість світла - це метрика, яка використовується для визначення астрономічних відстаней. Коли ми кажемо, що така зірка, як Proxima Centauri, знаходиться в 4,25 світлових років, ми говоримо, що знадобиться - подорожуючи зі постійною швидкістю 1,07 мільярда км на годину (670 616 629 миль / год) - приблизно 4 роки та 3 місяці, щоб потрапити туди. Але як же ми дійшли цього високоспецифічного вимірювання для “світлової швидкості”?
Історія навчання:
До 17 століття вчені не були впевнені, що світло рухається з кінцевою швидкістю чи миттєво. З часів стародавніх греків до середньовічних ісламських учених та вчених раннього сучасного періоду суперечки йшли вперед і назад. Лише до датського астронома Шле Ремера (1644-1710) було зроблено перші кількісні вимірювання.
У 1676 р. Ремер зауважив, що періоди найпотаємнішого Місяця Юпітера Іо виявляються коротшими, коли Земля наближається до Юпітера, ніж коли вона відступає від неї. З цього він зробив висновок, що світло рухається з обмеженою швидкістю, і підрахував, що для перетину діаметра земної орбіти потрібно близько 22 хвилин.
Крістіан Гюйгенс використав цю оцінку і поєднав її з оцінкою діаметра земної орбіти, щоб отримати оцінку 220 000 км / с. Ісаак Ньютон також розповів про підрахунки Ремера у своїй роботі Оптики (1706 р.). Регулюючи відстань між Землею та Сонцем, він підрахував, що для подорожі від однієї до іншої знадобиться світло сім-вісім хвилин. В обох випадках вони були відхилені порівняно невеликим відривом.
Пізніші вимірювання, зроблені французькими фізиками Іполітом Фізо (1819 - 1896) та Леоном Фуко (1819 - 1868), ще більше уточнили ці вимірювання - в результаті чого стало значення 315 000 км / с (192 625 миль / с). І вже до останньої половини 19 століття вченим стало відомо про зв’язок між світлом та електромагнетизмом.
Це було здійснено фізиками, які вимірювали електромагнітні та електростатичні заряди, які потім виявили, що числове значення було дуже близьким до швидкості світла (за вимірюванням Фізеу). Спираючись на власну роботу, яка показала, що електромагнітні хвилі поширюються в порожньому просторі, німецький фізик Вільгельм Едуард Вебер запропонував, що світло є електромагнітною хвилею.
Наступний великий прорив стався на початку 20 століття / У своїй статті 1905 р. Під назвою “Про електродинаміку рухомих тіл », Альберт Ейнштейн стверджував, що швидкість світла у вакуумі, виміряна спостережувачем, що не прискорюється, однакова у всіх інерціальних системах відліку та незалежна від руху джерела чи спостерігача.
Використовуючи це та принцип відносності Галілея як основу, Ейнштейн вивів Теорію особливої відносності, в якій швидкість світла у вакуумі (c) була фундаментальною константою. До цього робочий консенсус серед вчених стверджував, що простір заповнюється "світловим ефіром", який відповідає за його поширення, тобто, що світло, що рухається через рухоме середовище, буде тягнутися за допомогою середовища.
Це в свою чергу означало, що вимірювана швидкість світла буде простою сумою його швидкості наскрізь середовище плюс швидкість з що середовище. Однак теорія Ейнштейна ефективно зробила концепцію стаціонарного ефіру марною і революціонізувала концепції простору і часу.
Вона не тільки просунула ідею про те, що швидкість світла однакова у всіх інерціальних системах відліку, вона також ввела ідею, що основні зміни відбуваються, коли речі рухаються ближчою швидкістю світла. Сюди входить часово-просторовий кадр рухомого тіла, що з’являється уповільненням і скороченням у напрямку руху, коли вимірюється в кадрі спостерігача (тобто дилатація часу, де час уповільнюється, коли швидкість світла наближається).
Його спостереження також узгоджували рівняння Максвела щодо електрики та магнетизму із законами механіки, спрощували математичні обчислення, усуваючи сторонні пояснення, що використовуються іншими вченими, і погоджуються із безпосередньо спостерігається швидкістю світла.
Протягом другої половини XX століття все більш точні вимірювання за допомогою лазерних інфекціометрів та методів резонансу порожнини дозволять додатково уточнити оцінки швидкості світла. До 1972 р. Група Національного бюро стандартів США в Боулдері, штат Колорадо, використовувала техніку лазерного заражувача, щоб отримати визнане в даний час значення 299,792,458 м / с.
Роль у сучасній астрофізиці:
Теорія Ейнштейна про те, що швидкість світла у вакуумі не залежить від руху джерела і інерціальної системи відліку спостерігача, з тих пір постійно підтверджується багатьма експериментами. Він також встановлює верхню межу швидкості, з якою всі безмасштабні частинки і хвилі (включаючи світло) можуть рухатися у вакуумі.
Одним із наслідків цього є те, що космологи зараз трактують простір і час як єдину, єдину структуру, відому як простір-час - в якій швидкість світла можна використовувати для визначення значень обох (тобто "світлових років", "світлових хвилин" і "Легкі секунди"). Вимірювання швидкості світла також стало головним фактором при визначенні швидкості космічного розширення.
Починаючи з 1920-х рр. За спостереженнями Лемайтра і Хаббла, вченим і астрономам стало відомо, що Всесвіт розширюється з точки походження. Хаббл також зауважив, що чим далі галактика, тим швидше вона рухається. У тому, що зараз називається параметром Хаббла, швидкість, з якою розширюється Всесвіт, обчислюється до 68 км / с на мегапарсек.
Цей феномен, який теоретично означає, що деякі галактики насправді можуть рухатися швидше, ніж швидкість світла, може поставити обмеження на те, що спостерігається у нашому Всесвіті. По суті, галактики, що рухаються швидше, ніж швидкість світла, перетнули б «космологічний горизонт події», де вони нам більше не видно.
Крім того, до 1990-х рр. Вимірювання червоними змінами далеких галактик показали, що розширення Всесвіту прискорюється протягом останніх кількох мільярдів років. Це призвело до таких теорій, як "Темна енергія", де небачена сила рухає розширенням самого простору замість об'єктів, що рухаються через нього (таким чином, не встановлюючи обмежень на швидкість світла або порушуючи відносність).
Поряд із спеціальною та загальною відносністю, сучасне значення швидкості світла у вакуумі стало інформувати про космологію, квантову фізику та Стандартну модель фізики частинок. Він залишається постійним, коли йдеться про верхню межу, за якою можуть рухатися безмасштабні частинки, і залишається недосяжним бар'єром для частинок, які мають масу.
Можливо, колись ми знайдемо спосіб перевищити швидкість світла. Поки у нас немає практичних ідей, як це може статися, розумні гроші, здається, знаходяться на технологіях, які дозволять нам обійти закони космічного часу, чи то шляхом створення пухирчастих бульбашок (т.к. Alcubierre Warp Drive), чи тонелінгу через нього ( ака. червоточини).
До цього часу нам просто доведеться задовольнити Всесвіт, який ми можемо бачити, і дотримуватися вивчення тієї частини, яка є доступною за допомогою звичайних методів.
Ми написали багато статей про швидкість світла для Space Magazine. Ось як швидка швидкість світла ?, Як галактики рухаються далеко швидше світла? Як космічні подорожі швидші за швидкість світла ?, і порушуючи швидкість світла.
Ось класний калькулятор, який дозволяє конвертувати багато різних одиниць для швидкості світла, і ось калькулятор відносності, якщо ви хочете подорожувати майже зі швидкістю світла.
Астрономічна ролях також має епізод, який стосується питань швидкості світла - Показ питань: Відносність, відносність та ін.
Джерела:
- Вікіпедія - Швидкість світла
- Фізика Всесвіту - швидкість світла та принцип відносності
- НАСА - Яка швидкість світла?
- Галілей та Ейнштейн - Швидкість світла
