CARE ESTE VITEZA LUMINII?

Send

Încă din cele mai vechi timpuri, filozofii și savanții au căutat să înțeleagă lumina. Pe lângă încercarea de a discerne proprietățile sale de bază (adică din ce este făcut - particule sau undă etc.), au încercat, de asemenea, să facă măsurători finite despre cât de rapid se deplasează. De la sfârșitul secolului al XVII-lea, oamenii de știință au făcut acest lucru și cu o precizie din ce în ce mai mare.

În acest sens, au obținut o mai bună înțelegere a mecanicii luminii și a rolului important pe care îl joacă în fizică, astronomie și cosmologie. Pur și simplu, lumina se mișcă cu viteze incredibile și este cel mai rapid lucru în mișcare din Univers. Viteza sa este considerată o constantă și o barieră de rupere, și este folosită ca mijloc de măsurare a distanței. Dar cât de repede călătorește?

Viteza luminii (c):

Lumina călătorește cu o viteză constantă de 1.079.252.848,8 km (1,07 miliarde) km pe oră. Aceasta însumează 299.792.458 m / s, sau aproximativ 670.616.629 mph (mile pe oră). Pentru a pune asta în perspectivă, dacă ai putea călători cu viteza luminii, ai putea circumnavigeta globul de aproximativ șapte ori și jumătate într-o secundă. Între timp, o persoană care zboară cu o viteză medie de aproximativ 800 km / h (500 mph), ar fi nevoie de peste 50 de ore pentru a încerca planeta o singură dată.

Pentru a pune asta într-o perspectivă astronomică, distanța medie de la Pământ la Lună este de 384.398,25 km (238,854 mile). Deci lumina străbate această distanță în aproximativ o secundă. Între timp, distanța medie de la Soare la Pământ este de 149.597.886 km (92.955.817 mile), ceea ce înseamnă că lumina durează doar aproximativ 8 minute pentru a face această călătorie.

Nu este de mirare atunci de ce viteza luminii este metrica folosită pentru a determina distanțele astronomice. Când spunem că o stea ca Proxima Centauri se află la 4,25 de ani lumină distanță, spunem că ar fi nevoie - călătorind cu o viteză constantă de 1,07 miliarde de km pe oră (670,616,629 mph) - aproximativ 4 ani și 3 luni pentru a ajunge acolo. Dar cum am ajuns la această măsurare extrem de specifică pentru „viteza luminii”?

Istoria studiului:

Până în secolul al XVII-lea, savanții nu erau siguri dacă lumina a călătorit cu viteză finită sau instantaneu. De pe vremea grecilor antici până la savanții islamici medievali și oamenii de știință din perioada modernă timpurie, dezbaterea a mers înainte și înapoi. Doar măsurarea cantitativă a fost făcută până la opera astronomului danez Øle Rømer (1644-1710).

În 1676, Rømer a observat că perioadele lunii celei mai profunde ale lui Jupiter păreau a fi mai scurte atunci când Pământul se apropia de Jupiter decât când se retrăgea de pe ea. Din aceasta, el a concluzionat că lumina călătorește cu o viteză finită și a estimat că durează aproximativ 22 de minute pentru a traversa diametrul orbitei Pământului.

Christiaan Huygens a utilizat această estimare și a combinat-o cu o estimare a diametrului orbitei Pământului pentru a obține o estimare de 220.000 km / s. De asemenea, Isaac Newton a vorbit despre calculele lui Rømer în lucrarea sa primară Opticks (1706). Ajutându-se la distanța dintre Pământ și Soare, el a calculat că va dura lumina șapte sau opt minute pentru a călători de la unul la altul. În ambele cazuri, au fost opriți de o marjă relativ mică.

Măsurătorile ulterioare făcute de fizicienii francezi Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) și Léon Foucault (1819 - 1868) au perfecționat aceste măsurări - rezultând o valoare de 315.000 km / s (192.625 mi / s). Și prin a doua jumătate a secolului al XIX-lea, oamenii de știință au luat cunoștință de legătura dintre lumină și electromagnetism.

Acest lucru a fost realizat de fizicienii care măsoară sarcini electromagnetice și electrostatice, care apoi au descoperit că valoarea numerică este foarte aproape de viteza luminii (măsurată de Fizeau). Pe baza propriei sale lucrări, care a arătat că undele electromagnetice se propagă în spațiul gol, fizicianul german Wilhelm Eduard Weber a propus că lumina este o undă electromagnetică.

Următoarea mare descoperire a avut loc la începutul secolului XX / În lucrarea sa din 1905, intitulată „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare ”, Albert Einstein a afirmat că viteza luminii într-un vid, măsurată de un observator care nu accelerează, este aceeași în toate cadrele de referință inerțiale și independentă de mișcarea sursei sau a observatorului.

Folosind acesta și principiul relativității lui Galileo ca bază, Einstein a derivat teoria relativității speciale, în care viteza luminii în vid (c) a fost o constantă fundamentală. Înainte de aceasta, consensul de lucru dintre oamenii de știință a menționat că spațiul a fost umplut cu un „eter luminifer” care a fost responsabil pentru propagarea sa - adică faptul că lumina care călătorește printr-un mediu în mișcare va fi târâtă de-a lungul mediului.

Aceasta la rândul său a însemnat că viteza măsurată a luminii ar fi o simplă sumă a vitezei sale prin mediul plus viteza de acel mediu. Cu toate acestea, teoria lui Einstein a făcut în mod eficient conceptul de staționar staționar inutil și a revoluționat conceptele de spațiu și timp.

Nu numai că a avansat ideea că viteza luminii este aceeași în toate cadrele de referință inerțiale, dar a introdus și ideea că schimbările majore apar atunci când lucrurile se apropie de viteza luminii. Acestea includ cadrul spațiu-timp al unui corp în mișcare care pare să încetinească și să se contracte în direcția mișcării atunci când este măsurat în cadrul observatorului (adică dilatarea timpului, unde timpul încetinește pe măsură ce viteza luminii se apropie).

Observațiile sale au reconciliat, de asemenea, ecuațiile lui Maxwell pentru electricitate și magnetism cu legile mecanicii, au simplificat calculele matematice, eliminând explicațiile străine utilizate de alți oameni de știință și au acordat viteza luminii direct observată.

Pe parcursul celei de-a doua jumătăți a secolului XX, măsurători din ce în ce mai precise folosind inferometre cu laser și tehnici de rezonanță a cavității ar rafina în continuare estimările vitezei luminii. Până în 1972, un grup de la Biroul Național de Standarde din SUA din Boulder, Colorado, a folosit tehnica inferometrului cu laser pentru a obține valoarea recunoscută în prezent de 299.792.458 m / s.

Rolul în astrofizica modernă:

Teoria lui Einstein potrivit căreia viteza luminii în vid este independentă de mișcarea sursei și cadrul de referință inerțial al observatorului a fost confirmat constant de multe experimente. De asemenea, stabilește o limită superioară a vitezei cu care toate particulele și undele fără masă (care include lumina) pot călători în vid.

Una dintre rezultatele acestui lucru este că cosmologii tratează acum spațiul și timpul ca o structură unică, unică, cunoscută sub numele de spațiu - în care viteza luminii poate fi utilizată pentru a defini valori pentru ambele (adică „lightyears”, „minute de lumină” și „Secunde ușoare”). Măsurarea vitezei luminii a devenit, de asemenea, un factor major la determinarea vitezei de expansiune cosmică.

Începând cu anii 1920, cu observații despre Lemaitre și Hubble, oamenii de știință și astronomii au conștientizat că Universul se extinde de la un punct de origine. Hubble a mai observat că cu cât este mai departe de o galaxie, cu atât pare mai rapid să se miște. În ceea ce se numește acum parametrul Hubble, viteza cu care Universul se extinde este calculată la 68 km / s pe megaparsec.

Acest fenomen, care a fost teoretizat pentru a însemna că unele galaxii s-ar putea deplasa de fapt mai repede decât viteza luminii, poate să limiteze ceea ce este observabil în Universul nostru. În esență, galaxiile care călătoresc mai repede decât viteza luminii ar traversa un „orizont de eveniment cosmologic”, unde nu ne mai sunt vizibile.

De asemenea, până în anii 90, măsurătorile în roșu ale galaxiilor îndepărtate au arătat că expansiunea Universului a fost accelerată în ultimele câteva miliarde de ani. Acest lucru a dus la teorii precum „Energia întunecată”, unde o forță nevăzută conduce la extinderea spațiului în sine, în loc de obiecte care se deplasează prin acesta (astfel încât să nu pună restricții pe viteza luminii sau să încalce relativitatea).

Alături de relativitatea generală și specială, valoarea modernă a vitezei luminii într-un vid a continuat să informeze cosmologia, fizica cuantică și modelul standard al fizicii particulelor. Rămâne o constantă când vorbim despre limita superioară la care pot circula particule fără masă și rămâne o barieră de neconceput pentru particulele care au masă.

Poate că, într-o zi, vom găsi o modalitate de a depăși viteza luminii. Deși nu avem idei practice despre cum s-ar putea întâmpla acest lucru, banii deștepți par a fi pe tehnologii care ne vor permite să ocolim legile spațiului, fie prin crearea de bule de urzeală (de asemenea, Alcubierre Warp Drive), fie prin tunel prin ea ( de asemenea, găuri de vierme).

Până la acel moment, va trebui doar să fim mulțumiți de Universul pe care îl putem vedea și să rămânem la explorarea părții acestuia care este accesibilă folosind metode convenționale.

Am scris multe articole despre viteza luminii pentru Space Magazine. Iată cât de repede este viteza luminii ?, cum sunt galaxiile care se deplasează mai repede decât lumina ?, cum poate călătoria spațială mai rapidă decât viteza luminii? Și spargerea vitezei luminii?

Iată un calculator cool care vă permite să convertiți mai multe unități diferite pentru viteza luminii și iată un calcul al relativității, în cazul în care doriți să călătoriți aproape viteza luminii.

Astronomy Cast are și un episod care abordează întrebări despre viteza luminii - Show Show: Relativity, Relativity, and Relativity.

surse: