Mekkora a fénysebesség?

A fénysebesség sebességkorlátozás mindenre a világegyetemben. Vagy ez?

A fénysebesség sebességkorlátozás mindenre a világegyetemben. Vagy ez? (Kép jóváírása: Getty / Yuichiro Chino)

Ugorj:

A vákuumon áthaladó fény pontosan 299 792 458 méter (983 571 056 láb) sebességgel mozog másodpercenként. Ez körülbelül 186 282 mérföld / másodperc - ez az univerzális állandó, amelyet egyenletekben és rövidítésben 'c' -ként vagy a fénysebességként ismerünk.



Albert Einstein fizikus speciális relativitáselméletének elmélete szerint, amelyen a modern fizika nagy része alapul, az univerzumban semmi sem tud gyorsabban utazni, mint a fény. Az elmélet azt állítja, hogy amint az anyag megközelíti a fény sebességét, az anyag tömege végtelenné válik. Ez azt jelenti, hogy a fénysebesség sebességkorlátozóként működik az egész univerzumban. A fény sebessége annyira megváltoztathatatlan, hogy az Egyesült Államok szerint Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet , olyan nemzetközi szabványos mérések meghatározására szolgál, mint a mérő (és kiterjesztve a mérföld, a láb és a hüvelyk). Néhány ravasz egyenleten keresztül a kilogramm és a Kelvin .

De annak ellenére, hogy a fény sebessége univerzális állandó, a tudósok és a sci-fi írók egyaránt időt töltenek a fénynél gyorsabb utazáson. Eddig senki sem tudta kitalálni, hogyan kell ilyen sebességgel közlekedni. De ez nem lassította kollektív harcunkat új történetek, új találmányok és a fizika új területei felé.

Összefüggő: A speciális relativitáselmélet elvisel egy nagy energiájú tesztet

Mi az a fényév?

A Hubble űrteleszkóp elkészítette ezt a képet az NGC 3972 spirális galaxisról. A galaxis 65 millió fényévre van a Földtől (ez

A Hubble űrteleszkóp lefotózta ezt a képet az NGC 3972. spirálgalaxisról. A galaxis 65 millió fényévre van a Földtől (ez 382 quintillion mérföld!), És megtalálható az Ursa Major csillagképben.(Kép jóváírása: NASA/ESA,/A. Riess (STScI/JHU))

NAK NEK fényév az a távolság, amelyet a fény egy év alatt megtesz - körülbelül 6 billió mérföld (10 billió kilométer). Ez az egyik módja annak, hogy a csillagászok és fizikusok hatalmas távolságokat mérnek világegyetemünkben.

A fény körülbelül 1 másodperc alatt jut el a Holdról a szemünkbe, ami azt jelenti, hogy a Hold körülbelül 1 fény másodpercnyire van. A napfény körülbelül 8 perc alatt éri el a szemünket, tehát a nap körülbelül 8 fénypercnyire van. Az Alpha Centauri fénye, amely a legközelebbi csillagrendszer a miénkhez, nagyjából 4,3 évet igényel, hogy ideérjen, tehát az Alpha Centauri 4,3 fényévnyire van.

„Ahhoz, hogy képet kapjunk egy fényév méretéről, vegyük a Föld kerületét (24 900 mérföld), fektessük le egyenes vonalban, szorozzuk meg a vonal hosszát 7,5-tel (a megfelelő távolság egy fény másodperc) ), majd helyezzen el 31,6 millió hasonló sort a végéig ” - mondta A NASA Glenn kutatóközpontja . 'A kapott távolság majdnem 6 billió (6 000 000 000 000) mérföld!'

A Naprendszerünkön kívül található csillagok és egyéb tárgyak néhány fényévtől néhány milliárd fényévnyire vannak. És minden, amit a csillagászok látnak a távoli univerzumban, szó szerint történelem. Amikor a csillagászok a távol lévő tárgyakat tanulmányozzák, a tárgyak úgy jelennek meg, ahogyan a fény elhagyása idején léteztek.

Összefüggő: Miért az egész világegyetem történelem

Ez az elv lehetővé teszi, hogy a csillagászok úgy lássák a világegyetemet, ahogyan az ősrobbanás után nézett ki, amely körülbelül 13,8 milliárd évvel ezelőtt történt. A 10 milliárd fényévre lévő tárgyak úgy tűnnek a csillagászok előtt, mint 10 milliárd évvel ezelőtt-viszonylag hamar az univerzum kezdete után-, mint ahogyan ma jelennek meg.

Hogyan tanultuk meg a fénysebességet?

Galilei Galilei nevéhez fűződik a Jupiter első négy holdjának felfedezése.

Arisztotelész, Empedoklész, Galilei (itt látható), Ole Rømer és számtalan más filozófus és fizikus a történelemben elgondolkozott a fény sebességén.(Kép jóváírása: NASA)

Már az 5. században a görög filozófusok, például Empedoklész és Arisztotelész nem értettek egyet a fénysebesség természetével kapcsolatban. Empedoklész úgy gondolta, hogy a fénynek, bármiből is van, utaznia kell, és ezért sebessége kell, hogy legyen. Arisztotelész cáfolatot írt Empedoklész nézetéről saját értekezésében, Az értelemről és az értelmesről , azzal érvelve, hogy a fény, a hangtól és a szagtól eltérően, pillanatnyi. Arisztotelész persze tévedett, de több száz évbe telik, amíg bárki bebizonyítja.

Az 1600 -as évek közepén, meséli PBS ÚJ , az olasz csillagász Galileo Galilei két ember állt egymástól kevesebb mint egy mérföldnyire lévő dombokon. Mindenki árnyékolt lámpást tartott. Az egyik feltárta a lámpását; amikor a másik meglátta a villanást, ő is feltárta az övét. De Galilei kísérleti távolsága nem volt elég messze ahhoz, hogy résztvevői rögzítsék a fénysebességet. Csak arra a következtetésre jutott, hogy a fény legalább tízszer gyorsabban terjed, mint a hang.

Az 1670 -es években Ole Rømer dán csillagász megpróbált megbízható menetrendet készíteni a tengeri tengerészek számára, és NASA , véletlenül új legjobb becsléssel állt elő a fénysebességre. Csillagászati ​​óra létrehozásához rögzítette a Jupiter holdjának, az Io -nak a napfogyatkozásának pontos időzítését. föld . Idővel Rømer megfigyelte, hogy Io napfogyatkozásai gyakran eltérnek a számításaitól. Észrevette, hogy a napfogyatkozások akkor tűnnek el a legjobban, amikor Jupiter és a Föld távolodott egymástól, idő előtt felbukkant, amikor a bolygók közeledtek, és ütemterv szerint történt, amikor a bolygók a legközelebbi vagy legtávolabbi pontjaikon voltak - a Doppler -hatás durva változata, ill. vöröseltolódás . Az intuíció ugrása során megállapította, hogy a fény mérhető időt vesz igénybe, hogy Io -ból a Földbe utazzon.

Rømer megfigyeléseivel értékelte a fénysebességet. Mivel a Naprendszer mérete és a Föld pályája még nem volt pontosan ismert, érvelt egy 1998 -as dokumentum a American Journal of Physics , egy kicsit kimaradt. De végül a tudósoknak számos feladatuk volt. Rømer számítása szerint a fénysebesség körülbelül 124 000 mérföld/másodperc (200 000 km/s) volt.

1728 -ban James Bradley angol fizikus új számításokat alapozott a csillagok látszólagos helyzetének változására a Föld Nap körüli utazása miatt. A fénysebességet 185 000 mérföld/másodpercre (301 000 km/s) becsülte - a valós érték körülbelül 1% -án belül. Amerikai Fizikai Társaság .

Két új kísérlet az 1800-as évek közepén hozta vissza a problémát a Földre. Hippolyte Fizeau francia fizikus fénysugarat állított egy gyorsan forgó fogazott kerékre, és egy tükör fel volt állítva 5 mérföldre (8 km), hogy visszatükrözze a forrását. A kerék sebességének változtatása lehetővé tette Fizeau számára, hogy kiszámítsa, mennyi ideig tartott, amíg a fény kiürült a lyukból, a szomszédos tükörbe és vissza a résen keresztül. Egy másik francia fizikus, Leon Foucault forgó tükröt használt, nem pedig kereket, hogy elvégezze ugyanazt a kísérletet. A két független módszer mindegyike körülbelül 1000 mérföld/másodperc (1609 km/s) távolságon belül volt a fénysebességtől.

1930. augusztus 15-én, Santa Ana-ban, Kalifornia államban Dr. Albert A. Michelson a mérföldes vákuumcső mellett állt, amelyet a fénysebesség utolsó és legpontosabb mérésére használnak.

1930. augusztus 15-én, Santa Ana-ban, Kalifornia államban Dr. Albert A. Michelson a mérföldes vákuumcső mellett állt, amelyet a fénysebesség utolsó és legpontosabb mérésére használnak.(Kép jóváírása: Getty/Bettman)

Egy másik tudós, aki a fény titokzatosságának sebességével foglalkozott, a lengyel származású Albert A. Michelson volt, aki Kaliforniában nőtt fel az állam aranylázának időszakában, és az amerikai haditengerészeti akadémián tanult, és a fizika iránt érdeklődött. Virginia Egyetem . 1879-ben megpróbálta megismételni Foucault fénysebesség-meghatározási módszerét, de Michelson növelte a tükrök közötti távolságot, és rendkívül jó minőségű tükröket és lencséket használt. Michelson 186 355 mérföld/másodperc (299 910 km/s) eredményét fogadták el a fénysebesség legpontosabb mérésének 40 éve, amíg Michelson maga nem mérte újra. Második kísérleti körében Michelson két hegycsúcs között villant fel fényeket, gondosan mért távolságokkal, hogy pontosabb becslést kapjon. És a harmadik kísérletében, közvetlenül a halála előtt, 1931 -ben, a Smithsonian's szerint Levegő és űr folyóirat, egy mérföld hosszúságú nyomásmentesített csövet épített hullámos acélcsőből. A cső egy közel vákuumot szimulált, amely eltávolítja a levegő fénysebességre gyakorolt ​​hatását, még finomabb mérést végezve, valamivel alacsonyabb, mint a fénysebesség ma elfogadott értéke.

Michelson magának a fénynek a természetét is tanulmányozta - írta Ethan Siegal asztrofizikus a Forbes tudományos blogjában, Dörömböléssel kezdődik . A fizika legjobb elméi Michelson kísérleteinek idején megosztottak voltak: hullám vagy részecske volt a fény?

Michelson kollégájával, Edward Morley -val együtt azon a feltételezésen dolgozott, hogy a fény hullámként mozog, akárcsak a hang. És ahogy a hangnak részecskékre van szüksége a mozgáshoz, Michelson és Morley és más korabeli fizikusok úgy érveltek, a fénynek valamilyen közeggel kell rendelkeznie. Ezt a láthatatlan, nem észlelhető anyagot „világító éternek” (más néven „éternek”) nevezték.

Bár Michelson és Morley kifinomult interferométert építettek (a LIGO létesítményekben ma használt műszer nagyon alapvető változata), Michelson nem talált bizonyítékot semmiféle fénylő éterre. Elhatározta, hogy a fény vákuumon keresztül tud és tud is közlekedni.

'A kísérlet-és Michelson munkássága-annyira forradalmi volt, hogy ő lett az egyetlen ember a történelemben, aki Nobel-díjat kapott, ha nagyon pontosan nem fedezett fel semmit'-írta Siegal. 'Maga a kísérlet lehet, hogy teljes kudarcot vallott, de amit tanultunk belőle, az nagyobb áldás volt az emberiségnek és a világegyetem megértésének, mint minden siker!'

Különleges relativitás és a fény sebessége

Albert Einstein a táblánál.

Albert Einstein a táblánál.(Kép jóváírása: NASA)

Einstein speciális relativitáselmélete egy híres egyenletben egyesítette az energiát, az anyagot és a fénysebességet: E = mc^2. Az egyenlet a tömeg és az energia kapcsolatát írja le - kis mennyiségű tömeg (m) eredendően óriási mennyiségű energiát tartalmaz (E). (Ettől olyan erősek az atombombák: a tömeget energiákká alakítják át.) Mivel az energia egyenlő a tömeg négyszeresével a fény sebességével, a fénysebesség konverziós tényezőként szolgál, pontosan megmagyarázva, hogy mennyi energiának kell lennie az anyagon belül. És mivel a fénysebesség olyan nagy szám, még a kis tömegnek is hatalmas mennyiségű energiával kell egyenlőnek lennie.

Az univerzum pontos leírásához Einstein elegáns egyenlete megköveteli, hogy a fénysebesség megváltoztathatatlan állandó legyen. Einstein azt állította, hogy a fény vákuumon keresztül mozog, nem pedig fénylő éter, és úgy, hogy a megfigyelő sebességétől függetlenül ugyanolyan sebességgel mozog.

Gondoljunk csak bele: a vonaton ülő megfigyelők megnézhetik a párhuzamos vágány mentén haladó vonatot, és annak relatív mozgását önmagukban nullának tekinthetik. De a közel fénysebességgel mozgó megfigyelők még mindig úgy fogják fel, hogy a fény távolodik önmaguktól, több mint 670 millió km / h sebességgel. (Ez azért van, mert a valóban nagyon gyors mozgás az időutazás egyetlen igazolt módja - az idő valójában lelassul azoknak a megfigyelőknek, akik lassabban öregszenek és kevesebb pillanatot érzékelnek, mint egy lassan mozgó megfigyelő.)

Más szóval, Einstein azt javasolta, hogy a fénysebesség ne változzon attól az időtől vagy helytől, amelyet mér, vagy attól, hogy milyen gyorsan mozog.

Az elmélet szerint a tömegű tárgyak soha nem érhetik el a fénysebességet. Ha egy tárgy valaha eléri a fénysebességet, tömege végtelenné válik. És ennek következtében a tárgy mozgatásához szükséges energia is végtelenné válna.

Ez azt jelenti, hogy ha a fizika megértését speciális relativitáselméletre alapozzuk, akkor a fénysebesség univerzumunk megváltoztathatatlan sebességkorlátozása - a leggyorsabb, amellyel bármi utazhat.

Mi megy gyorsabban, mint a fénysebesség?

Bár a fénysebességet gyakran az univerzum sebességkorlátozásának nevezik, a világegyetem valójában még gyorsabban tágul. Az univerzum másodpercenként valamivel több mint 42 mérföld (68 kilométer) sebességgel tágul a megfigyelőtől való minden megaparsecen, írta Paul Sutter asztrofizikus korábbi cikkében. demokratija.eu . (Egy megaparsec 3,26 millió fényév-ez nagyon hosszú út.)

Más szavakkal, úgy tűnik, hogy egy 1 megaparsec távolságra lévő galaxis távolodik a Tejútrendszertől 68 kilométer/másodperces sebességgel, míg egy két megaparsecsnyire lévő galaxis közel 86 mérföld/másodperc sebességgel távolodik. s), és így tovább.

'Valamikor, bizonyos obszcén távolságban a sebesség meghaladja a mérleget, és meghaladja a fénysebességet, mindezt a tér természetes, szabályos tágulása miatt' - magyarázta Sutter. - Úgy tűnik, illegálisnak kellene lennie, nem?

Sutter szerint a speciális relativitáselmélet abszolút sebességkorlátozást biztosít az univerzumon belül, de Einstein 1915 -ös általános relativitáselméleti elmélete eltérő viselkedést tesz lehetővé, ha a vizsgált fizika már nem „lokális”.

- Egy galaxis a világegyetem túlsó oldalán? Ez az általános relativitáselmélet, és az általános relativitáselmélet azt mondja: Kit érdekel! Ennek a galaxisnak tetszőleges sebessége lehet, amíg messze marad, és nem az arca mellett ” - írta Sutter. „A speciális relativitáselmélet nem törődik egy távoli galaxis sebességével - szuperluminális vagy más módon. És neked sem szabad.

Lassul -e valaha a fény?

A fény lassabban mozog a gyémánton, mint a levegő. De a fény valamivel lassabban mozog a levegőben, mint vákuumban.

A fény lassabban mozog, amikor gyémánton halad, mint a levegőn, és valamivel lassabban mozog a levegőben, mint amilyen vákuumban tud közlekedni.(Kép jóváírása: Shutterstock)

A vákuumban a fény általában abszolút sebességgel halad, de bármilyen anyagon áthaladó fény lelassulhat. Az anyag mennyiségét, amely lelassítja a fényt, törésmutatójának nevezzük. A fény meghajlik, amikor részecskékkel érintkezik, ami a sebesség csökkenését eredményezi a magyarázó cikk szerint Khan Akadémia .

Összefüggő: Így néz ki a fénysebesség lassított felvételen

Például a Föld légkörében áthaladó fény majdnem olyan gyorsan mozog, mint a fény vákuumban, és a fénysebesség mindössze három tízezredével lassul. De a gyémánton áthaladó fény a jellemző sebesség kevesebb mint felére lassul, PBS ÚJ számolt be. Ennek ellenére 277 millió km/s (majdnem 124 000 km/s) sebességgel halad át a gyöngyszemen - ez elég ahhoz, hogy különbséget tegyen, de mégis hihetetlenül gyorsan.

A folyóiratban megjelent 2001-es tanulmány szerint a fény csapdába eshet, sőt meg is állhat az ultrahideg atomfelhőkben Természet . A közelmúltban egy 2018 -as tanulmány jelent meg a folyóiratban Fizikai felülvizsgálati levelek új módszert javasolt a fény megállítására a „kivételes pontokon”, vagy azokon a helyeken, ahol két különálló fénykibocsátás metszi és egyesül.

A kutatók megpróbálták lelassítani a fényt akkor is, ha vákuumon keresztül halad. Egy skót tudóscsoport sikeresen lelassította egyetlen fotont vagy fényrészecskét, még akkor is, amikor vákuumban mozgott, amint azt a folyóiratban közzétett 2015 -ös tanulmányuk leírta Tudomány . Méréseik során a lassított foton és a „szabályos” foton közötti különbség mindössze néhány millió milliomodrész volt, de bebizonyította, hogy vákuumban a fény lassabb lehet, mint a hivatalos fénysebesség.

Miért szeretjük még mindig a fénynél gyorsabb utazás ötletét?

A sci -fi szereti a „láncsebesség” gondolatát. A fénynél gyorsabb utazás számtalan sci-fi franchise-t tesz lehetővé, sűrítve a tér hatalmas kiterjedését, és lehetővé téve, hogy a karakterek könnyedén ide-oda ugráljanak a csillagrendszerek között.

De bár a fénynél gyorsabb utazás nem garantáltan lehetetlen, mégis elég egzotikus fizikát kell használnunk, hogy működjön. Szerencsére a sci-fi rajongóknak és az elméleti fizikusoknak egyaránt rengeteg felfedezésre váró útjuk van.

Mindössze annyit kell tennünk, hogy kitaláljuk, hogyan ne mozdítsuk el magunkat - mivel a speciális relativitáselmélet biztosítaná, hogy sokáig megsemmisülnénk, mielőtt elérnénk a kellő sebességet -, hanem ehelyett mozgassa a teret körülöttünk. Könnyű, igaz?

Az egyik javasolt ötlet egy űrhajót tartalmaz, amely egy tér-idő buborékot hajtogathat maga körül. Remekül hangzik elméletben és szépirodalomban egyaránt.

Összefüggő: Az űrhajó gyorsabban repülhet, mint a fény

„Ha Kirk kapitányt arra kényszerítenék, hogy a leggyorsabb rakétáink sebességével mozogjon, százezer évbe telik, amíg eljut a következő csillagrendszerhez” - mondta Seth Shostak, a Földön kívüli intelligencia kutatásának (SETI) Intézet csillagásza a Mountain View -ban, Kaliforniában, a 2010 -es interjúban A demokratija.eu testvéroldala, a LiveScience . 'Tehát a science fiction régóta feltételezi a fénysebesség leküzdésének módját, hogy a történet egy kicsit gyorsabban haladhasson.'

A fénynél gyorsabb utazás nélkül minden „Star Trek” (vagy „Star War”) lehetetlen lenne. Ha az emberiség valaha el akarja érni világegyetemünk legtávolabbi - és folyamatosan bővülő - szegleteit, akkor a jövő fizikusainak feladata, hogy bátran menjenek oda, ahol még senki sem járt.

További források

Néhány kutatás a demokratija.eu munkatársa, Nola Taylor Redd e cikkéhez.