ΠΟΙΑ ΕΊΝΑΙ Η ΤΑΧΎΤΗΤΑ ΤΟΥ ΦΩΤΌΣ;

Send

Από την αρχαιότητα, οι φιλόσοφοι και οι μελετητές έχουν επιδιώξει να κατανοήσουν το φως. Εκτός από την προσπάθειά τους να διακρίνουν τις βασικές του ιδιότητες (δηλ. Από τι είναι - σωματιδίων ή κυμάτων κ.λπ.), έχουν επίσης επιδιώξει να κάνουν πεπερασμένες μετρήσεις για το πόσο γρήγορα ταξιδεύει. Από τα τέλη του 17ου αιώνα, οι επιστήμονες το κάνουν ακριβώς αυτό, και με αυξανόμενη ακρίβεια.

Με αυτόν τον τρόπο, έχουν αποκτήσει καλύτερη κατανόηση της μηχανικής του φωτός και του σημαντικού ρόλου που παίζει στη φυσική, την αστρονομία και την κοσμολογία. Με απλά λόγια, το φως κινείται με απίστευτες ταχύτητες και είναι το ταχύτερα κινούμενο πράγμα στο Σύμπαν. Η ταχύτητά του θεωρείται σταθερό και άθραυστο φράγμα και χρησιμοποιείται ως μέσο μέτρησης της απόστασης. Αλλά πόσο γρήγορα ταξιδεύει;

Ταχύτητα του φωτός (ντο):

Το φως ταξιδεύει με σταθερή ταχύτητα 1.079.252.848,8 (1,07 δισεκατομμύρια) χλμ ανά ώρα. Αυτό φτάνει τα 299.792.458 m / s ή περίπου 670.616.629 mph (μίλια ανά ώρα). Για να το θέσουμε σε προοπτική, αν μπορούσατε να ταξιδέψετε με την ταχύτητα του φωτός, θα μπορούσατε να περιηγηθείτε στον κόσμο περίπου επτά και μισό φορές σε ένα δευτερόλεπτο. Εν τω μεταξύ, ένα άτομο που πετά με μέση ταχύτητα περίπου 800 km / h (500 mph), θα χρειαζόταν πάνω από 50 ώρες για να περιβάλλει τον πλανήτη μόνο μία φορά.

Για να το θέσουμε σε μια αστρονομική προοπτική, η μέση απόσταση από τη Γη έως τη Σελήνη είναι 384.398,25 χλμ. (238.854 μίλια). Έτσι το φως διασχίζει αυτήν την απόσταση σε περίπου ένα δευτερόλεπτο. Εν τω μεταξύ, η μέση απόσταση από τον Ήλιο προς τη Γη είναι ~ 149.597.886 km (92.955.817 μίλια), πράγμα που σημαίνει ότι το φως διαρκεί μόνο 8 λεπτά για να κάνει αυτό το ταξίδι.

Δεν υπάρχει αμφιβολία γιατί η ταχύτητα του φωτός είναι η μέτρηση που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των αστρονομικών αποστάσεων. Όταν λέμε ότι ένα αστέρι όπως το Proxima Centauri απέχει 4,25 έτη φωτός, λέμε ότι θα χρειαζόταν - ταξιδεύοντας με σταθερή ταχύτητα 1,07 δισεκατομμυρίων km ανά ώρα (670.616.629 mph) - περίπου 4 χρόνια και 3 μήνες για να φτάσετε εκεί. Αλλά πώς φτάσαμε σε αυτήν την εξαιρετικά συγκεκριμένη μέτρηση για την «ταχύτητα φωτός»;

Ιστορία της μελέτης:

Μέχρι τον 17ο αιώνα, οι μελετητές δεν ήταν σίγουροι αν το φως ταξίδευε με πεπερασμένη ταχύτητα ή στιγμιαία. Από τις μέρες των αρχαίων Ελλήνων έως τους μεσαιωνικούς ισλαμικούς μελετητές και επιστήμονες της πρώιμης σύγχρονης περιόδου, η συζήτηση ξεκίνησε. Μόνο το έργο του Δανού αστρονόμου Øle Rømer (1644-1710) έγινε η πρώτη ποσοτική μέτρηση.

Το 1676, ο Ρόμερ παρατήρησε ότι οι περίοδοι του εσωτερικού φεγγαριού του Δία, Ιω, φαινόταν να είναι μικρότερες όταν η Γη πλησίαζε τον Δία από ό, τι όταν υποχωρούσε από αυτήν. Από αυτό, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το φως ταξιδεύει με πεπερασμένη ταχύτητα και εκτιμά ότι χρειάζονται περίπου 22 λεπτά για να διασχίσει τη διάμετρο της τροχιάς της Γης.

Ο Christiaan Huygens χρησιμοποίησε αυτήν την εκτίμηση και το συνδύασε με μια εκτίμηση της διαμέτρου της τροχιάς της Γης για να λάβει μια εκτίμηση 220.000 km / s. Ο Isaac Newton μίλησε επίσης για τους υπολογισμούς του Rømer στο έργο του Οπτικς (1706). Προσαρμόζοντας την απόσταση μεταξύ της Γης και του Ήλιου, υπολόγισε ότι θα χρειαζόταν φως για επτά ή οκτώ λεπτά για να ταξιδέψει από το ένα στο άλλο. Και στις δύο περιπτώσεις, ήταν εκτός από σχετικά μικρό περιθώριο.

Αργότερα οι μετρήσεις που έγιναν από τους Γάλλους φυσικούς Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) και Léon Foucault (1819 - 1868) βελτίωσαν αυτές τις μετρήσεις περαιτέρω - με αποτέλεσμα την τιμή των 315.000 km / s (192.625 mi / s). Και μέχρι το δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν τη σύνδεση μεταξύ φωτός και ηλεκτρομαγνητισμού.

Αυτό επιτεύχθηκε από φυσικούς που μετρούν ηλεκτρομαγνητικά και ηλεκτροστατικά φορτία, οι οποίοι στη συνέχεια διαπίστωσαν ότι η αριθμητική τιμή ήταν πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός (όπως μετρήθηκε από τον Fizeau). Με βάση τη δική του δουλειά, η οποία έδειξε ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται σε κενό χώρο, ο Γερμανός φυσικός Wilhelm Eduard Weber πρότεινε ότι το φως ήταν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα.

Η επόμενη μεγάλη ανακάλυψη ήρθε στις αρχές του 20ού αιώνα / Στο άρθρο του 1905, με τίτλο «Σχετικά με την ηλεκτροδυναμική των κινούμενων σωμάτων », Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ισχυρίστηκε ότι η ταχύτητα του φωτός σε κενό, μετρούμενη από έναν μη επιταχυνόμενο παρατηρητή, είναι η ίδια σε όλα τα αδρανειακά πλαίσια αναφοράς και ανεξάρτητα από την κίνηση της πηγής ή του παρατηρητή.

Χρησιμοποιώντας αυτήν και την αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου ως βάση, ο Αϊνστάιν προέβη στη Θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας, στην οποία η ταχύτητα του φωτός στο κενό (ντο) ήταν μια θεμελιώδης σταθερά. Πριν από αυτό, η συναίνεση εργασίας μεταξύ των επιστημόνων υποστήριξε ότι ο χώρος ήταν γεμάτος με έναν «φωτεινό αιθέρα» που ήταν υπεύθυνος για τη διάδοσή του - δηλαδή ότι το φως που ταξιδεύει μέσω ενός κινούμενου μέσου θα σύρεται από το μέσο.

Αυτό με τη σειρά του σήμαινε ότι η μετρούμενη ταχύτητα του φωτός θα ήταν ένα απλό άθροισμα της ταχύτητάς του διά μέσου το μέσο συν την ταχύτητα του αυτό το μέσο. Ωστόσο, η θεωρία του Αϊνστάιν έκανε αποτελεσματικά την έννοια του στάσιμου αιθέρα άχρηστη και έφερε επανάσταση στις έννοιες του χώρου και του χρόνου.

Όχι μόνο προώθησε την ιδέα ότι η ταχύτητα του φωτός είναι η ίδια σε όλα τα αδρανειακά πλαίσια αναφοράς, εισήγαγε επίσης την ιδέα ότι σημαντικές αλλαγές συμβαίνουν όταν τα πράγματα κινούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Αυτά περιλαμβάνουν το χρονικό διάστημα ενός κινούμενου σώματος που φαίνεται να επιβραδύνεται και να συστέλλεται προς την κατεύθυνση της κίνησης όταν μετριέται στο πλαίσιο του παρατηρητή (δηλαδή διαστολή χρόνου, όπου ο χρόνος επιβραδύνεται καθώς πλησιάζει η ταχύτητα του φωτός).

Οι παρατηρήσεις του συμφώνησαν επίσης τις εξισώσεις του Maxwell για τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό με τους νόμους της μηχανικής, απλοποίησαν τους μαθηματικούς υπολογισμούς καταργώντας εξωγενείς εξηγήσεις που χρησιμοποιούν άλλοι επιστήμονες και ανταποκρίνονται στην άμεσα παρατηρούμενη ταχύτητα του φωτός.

Κατά το δεύτερο μισό του 20ού αιώνα, όλο και πιο ακριβείς μετρήσεις με χρήση inferometer λέιζερ και τεχνικές συντονισμού κοιλότητας θα βελτιώσουν περαιτέρω τις εκτιμήσεις της ταχύτητας του φωτός. Μέχρι το 1972, μια ομάδα στο Εθνικό Γραφείο Προτύπων των ΗΠΑ στο Boulder του Κολοράντο, χρησιμοποίησε την τεχνική inferometer λέιζερ για να πάρει την αναγνωρισμένη τιμή των 299.792.458 m / s.

Ο ρόλος στη σύγχρονη αστροφυσική:

Η θεωρία του Αϊνστάιν ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι ανεξάρτητη από την κίνηση της πηγής και το αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς του παρατηρητή έχει επιβεβαιωθεί με συνέπεια από πολλά πειράματα. Ορίζει επίσης ένα ανώτατο όριο στις ταχύτητες με τις οποίες όλα τα σωματίδια και τα κύματα χωρίς μάζα (που περιλαμβάνει το φως) μπορούν να ταξιδέψουν σε κενό.

Ένα από τα παραπάνω είναι ότι οι κοσμολόγοι αντιμετωπίζουν τώρα το χώρο και το χρόνο ως μια ενιαία, ενοποιημένη δομή γνωστή ως χωροχρόνος - στην οποία η ταχύτητα του φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό τιμών και για τα δύο (π.χ. "lightyears", "light minutes" και "Δευτερόλεπτα φωτός"). Η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός έχει επίσης γίνει ένας σημαντικός παράγοντας κατά τον προσδιορισμό του ρυθμού της κοσμικής διαστολής.

Ξεκινώντας τη δεκαετία του 1920 με παρατηρήσεις του Lemaitre και του Χαμπλ, επιστήμονες και αστρονόμοι συνειδητοποίησαν ότι το Σύμπαν επεκτείνεται από ένα σημείο προέλευσης. Ο Χαμπλ παρατήρησε επίσης ότι όσο πιο μακριά είναι ένας γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα φαίνεται να κινείται. Σε αυτό που αναφέρεται τώρα ως Παράμετρος Hubble, η ταχύτητα με την οποία επεκτείνεται το Σύμπαν υπολογίζεται σε 68 km / s ανά megaparsec.

Αυτό το φαινόμενο, το οποίο θεωρήθηκε ότι ορισμένοι γαλαξίες θα μπορούσαν στην πραγματικότητα να κινούνται γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός, μπορεί να θέσει όριο σε αυτό που παρατηρείται στο Σύμπαν μας. Ουσιαστικά, οι γαλαξίες που ταξιδεύουν γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός θα διασχίζουν έναν «κοσμολογικό ορίζοντα γεγονότων», όπου δεν είναι πλέον ορατοί σε εμάς.

Επίσης, μέχρι τη δεκαετία του 1990, οι μετρήσεις απότομων γαλαξιών έδειξαν ότι η επέκταση του Σύμπαντος έχει επιταχυνθεί τα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό οδήγησε σε θεωρίες όπως η «Σκοτεινή Ενέργεια», όπου μια αόρατη δύναμη οδηγεί την επέκταση του ίδιου του χώρου αντί για αντικείμενα που κινούνται μέσω αυτού (έτσι δεν θέτουν περιορισμούς στην ταχύτητα του φωτός ή παραβιάζουν τη σχετικότητα).

Μαζί με την ειδική και γενική σχετικότητα, η σύγχρονη τιμή της ταχύτητας του φωτός σε κενό ακολούθησε την ενημέρωση για την κοσμολογία, την κβαντική φυσική και το πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων. Παραμένει μια σταθερά όταν μιλάμε για το ανώτατο όριο στο οποίο μπορούν να ταξιδέψουν τα σωματίδια χωρίς μάζα και παραμένει ένα αδιαίρετο φράγμα για σωματίδια που έχουν μάζα.

Ίσως, κάποια μέρα, θα βρούμε έναν τρόπο να ξεπεράσουμε την ταχύτητα του φωτός. Αν και δεν έχουμε πρακτικές ιδέες για το πώς μπορεί να συμβεί αυτό, τα έξυπνα χρήματα φαίνεται να είναι σε τεχνολογίες που θα μας επιτρέψουν να παρακάμψουμε τους νόμους του χωροχρόνου, είτε δημιουργώντας φυσαλίδες στημόνι (γνωστός και ως το Alcubierre Warp Drive), είτε μέσω αυτού ( γνωστό και ως σκουληκότρυπες).

Μέχρι εκείνη τη στιγμή, θα πρέπει απλώς να είμαστε ικανοποιημένοι με το Σύμπαν που μπορούμε να δούμε και να εμμείνουμε στην εξερεύνηση του τμήματος αυτού που είναι προσβάσιμο χρησιμοποιώντας συμβατικές μεθόδους.

Έχουμε γράψει πολλά άρθρα σχετικά με την ταχύτητα του φωτός για το Space Magazine. Εδώ είναι πόσο γρήγορη είναι η ταχύτητα του φωτός ;, Πώς οι γαλαξίες κινούνται πιο γρήγορα από το φως ;, Πώς μπορεί το διάστημα να ταξιδέψει πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός ;, και να σπάσει την ταχύτητα του φωτός.

Εδώ είναι μια δροσερή αριθμομηχανή που σας επιτρέπει να μετατρέψετε πολλές διαφορετικές μονάδες για την ταχύτητα του φωτός και εδώ είναι μια αριθμομηχανή σχετικότητας, σε περίπτωση που θέλετε να ταξιδέψετε σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.

Το Astronomy Cast έχει επίσης ένα επεισόδιο που εξετάζει ερωτήσεις σχετικά με την ταχύτητα του φωτός - Ερωτήσεις Εμφάνιση: Σχετικότητα, Σχετικότητα και περισσότερη Σχετικότητα.

Πηγές: