Od davnina su filozofi i znanstvenici nastojali razumjeti svjetlo. Osim što su pokušali razaznati njegova osnovna svojstva (od čega je napravljena – čestica ili val, itd.), također su nastojali napraviti konačna mjerenja koliko brzo putuje. Od kasnog 17. stoljeća znanstvenici rade upravo to, i to sa sve većom točnošću.
Time su bolje razumjeli mehaniku svjetlosti i važnu ulogu koju ona igra u fizici, astronomiji i kozmologiji. Pojednostavljeno, svjetlost se kreće nevjerojatnom brzinom i najbrža je stvar u svemiru. Njegova se brzina smatra konstantnom i neraskidivom barijerom, a koristi se kao sredstvo za mjerenje udaljenosti. Ali koliko brzo putuje?
Brzina svjetlosti (c):
Svjetlost putuje konstantnom brzinom od 1.079.252.848,8 (1,07 milijardi) km na sat. To radi na 299,792,458 m/s, ili oko 670,616,629 mph (milja na sat). Da to stavimo u perspektivu, kada biste mogli putovati brzinom svjetlosti, mogli biste oploviti globus otprilike sedam i pol puta u jednoj sekundi. U međuvremenu, osobi koja leti prosječnom brzinom od oko 800 km/h (500 mph), trebalo bi više od 50 sati da samo jednom obiđe planet.
Ilustracija koja prikazuje udaljenost koju svjetlost putuje između Zemlje i Sunca. Zasluge: LucasVB/Javna domena
Da to stavimo u astronomsku perspektivu, prosječna udaljenost od Zemlje do Mjeseca je 384 398,25 km (238 854 milja). Dakle, svjetlost prijeđe tu udaljenost za otprilike sekundu. U međuvremenu, prosječna udaljenost od Sunca do Zemlje je ~149,597,886 km (92,955,817 milja), što znači da svjetlosti treba samo oko 8 minuta da napravi to putovanje.
Nije onda čudo zašto je brzina svjetlosti metrika koja se koristi za određivanje astronomskih udaljenosti. Kada kažemo da je zvijezda poput Proxima Centauri udaljena 4,25 svjetlosnih godina, kažemo da bi bilo potrebno – putujući konstantnom brzinom od 1,07 milijardi km na sat (670,616,629 mph) – oko 4 godine i 3 mjeseca da stigne do tamo. Ali kako smo došli do ovog vrlo specifičnog mjerenja za 'brzinu svjetlosti'?
Povijest studija:
Sve do 17. stoljeća znanstvenici nisu bili sigurni putuje li svjetlost konačnom brzinom ili trenutno. Od vremena starih Grka do srednjovjekovnih islamskih učenjaka i znanstvenika ranog modernog razdoblja, rasprava je išla naprijed-natrag. Tek radom danskog astronoma Ølea Rømera (1644-1710) izvršeno je prvo kvantitativno mjerenje.
Godine 1676. Rømer je primijetio da se činilo da su razdoblja Jupiterovog najdubljeg mjeseca Io kraća kada se Zemlja približava Jupiteru nego kada se udaljava od njega. Iz toga je zaključio da svjetlost putuje konačnom brzinom i procijenio da je potrebno oko 22 minute da prijeđe promjer Zemljine orbite.
Profesor Albert Einstein držao je 11. predavanje Josiaha Willarda Gibbsa na Carnegie Institute of Technology 28. prosinca 1934., gdje je izložio svoju teoriju o tome kako su materija i energija ista stvar u različitim oblicima. Zasluge: AP Photo
Christiaan Huygens koristio je ovu procjenu i kombinirao je s procjenom promjera Zemljine orbite kako bi dobio procjenu od 220 000 km/s. Isaac Newton također je govorio o Rømerovim izračunima u svom temeljnom djelu Optike (1706.). Prilagođavajući udaljenost između Zemlje i Sunca, izračunao je da bi svjetlosti trebalo sedam ili osam minuta da putuje od jednog do drugog. U oba slučaja bili su u manjoj prednosti.
Kasnija mjerenja koju su izvršili francuski fizičari Hippolyte Fizeau (1819. – 1896.) i Léon Foucault (1819. – 1868.) dodatno su poboljšala ta mjerenja – što je rezultiralo vrijednošću od 315 000 km/s (192 625 mi/s). U drugoj polovici 19. stoljeća znanstvenici su postali svjesni veze između svjetlosti i elektromagnetizma.
To su postigli fizičari mjereći elektromagnetske i elektrostatičke naboje, koji su zatim otkrili da je brojčana vrijednost vrlo bliska brzini svjetlosti (kako je izmjerio Fizeau). Na temelju vlastitog rada, koji je pokazao da se elektromagnetski valovi šire u praznom prostoru, njemački fizičar Wilhelm Eduard Weber predložio je da je svjetlost elektromagnetski val.
Sljedeći veliki proboj dogodio se početkom 20. stoljeća/ U svom radu iz 1905. pod naslovom “O elektrodinamici pokretnih tijela”, Albert Einstein tvrdio je da je brzina svjetlosti u vakuumu, mjerena od strane promatrača koji ne ubrzava, ista u svim inercijskim referentnim okvirima i neovisna o kretanju izvora ili promatrača.
Laser koji svijetli kroz čašu vode pokazuje koliko promjena u brzini (u mph) prolazi dok prelazi iz zraka, u staklo, u vodu i natrag. Zasluge: Bob King
Koristeći ovo i Galilejev princip relativnosti kao osnovu, Einstein je izveo Teorija posebne relativnosti , u kojem je brzina svjetlosti u vakuumu (c) bila je temeljna konstanta. Prije toga, radni konsenzus među znanstvenicima smatrao je da je prostor ispunjen 'svjetlećim eterom' koji je odgovoran za njegovo širenje - tj. da će svjetlost koja putuje kroz pokretni medij biti povučena medijom.
To je zauzvrat značilo da će izmjerena brzina svjetlosti biti jednostavan zbroj njezine brzinekrozsrednja plus brzinaodtaj medij. Međutim, Einsteinova teorija je učinkovito učinila koncept stacionarnog etera beskorisnim i revolucionirala je koncepte prostora i vremena.
Ne samo da je unaprijedio ideju da je brzina svjetlosti jednaka u svim inercijskim referentnim okvirima, već je uveo i ideju da se velike promjene događaju kada se stvari približe brzini svjetlosti. To uključuje vremensko-prostorni okvir tijela u pokretu koji se čini da usporava i skuplja u smjeru gibanja kada se mjeri u okviru promatrača (tj. dilatacija vremena, gdje se vrijeme usporava kako se brzina svjetlosti približava).
Njegova su zapažanja također pomirila Maxwellove jednadžbe za elektricitet i magnetizam sa zakonima mehanike, pojednostavila matematičke izračune ukidajući neobična objašnjenja koja su koristili drugi znanstvenici i uskladila s izravno promatranom brzinom svjetlosti.
Tijekom druge polovice 20. stoljeća, sve točnija mjerenja pomoću laserskih inferometara i tehnika rezonancije šupljina dodatno bi poboljšala procjene brzine svjetlosti. Do 1972., grupa u američkom Nacionalnom uredu za standarde u Boulderu, Colorado, koristila je tehniku laserskog inferometra kako bi dobila trenutno priznatu vrijednost od 299,792,458 m/s.
Uloga u modernoj astrofizici:
Einsteinova teorija da je brzina svjetlosti u vakuumu neovisna o kretanju izvora i inercijskom referentnom okviru promatrača od tada je dosljedno potvrđena mnogim eksperimentima. Također postavlja gornju granicu brzina pri kojima sve čestice i valovi bez mase (što uključuje svjetlost) mogu putovati u vakuumu.
Jedan od rezultata ovoga je da kozmolozi sada tretiraju prostor i vrijeme kao jedinstvenu, ujedinjenu strukturu poznatu kao prostor-vrijeme – u kojoj se brzina svjetlosti može koristiti za definiranje vrijednosti za oboje (tj. 'svjetlosne godine', 'svjetlosne minute' i “svjetlosne sekunde”). Mjerenje brzine svjetlosti također je postalo glavni čimbenik pri određivanju brzine kozmičkog širenja.
Počevši od 1920-ih s promatranjima Lemaitrea i Hubblea, znanstvenici i astronomi postali su svjesni da se Svemir širi od svoje izvorne točke. Hubble je također primijetio da što je galaksija udaljenija, čini se da se brže kreće. U onome što se sada naziva Hubbleov parametar , brzina kojom se svemir širi izračunata je na 68 km/s po megaparseku.
Ova pojava, za koju se teoretiziralo da znači da neki galaksije bi se zapravo mogle kretati brže od brzine svjetlosti , može postaviti ograničenje na ono što je vidljivo u našem Svemiru. U suštini, galaksije koje putuju brže od brzine svjetlosti prešle bi 'kozmološki horizont događaja', gdje nam više nisu vidljive.
Također, do 1990-ih, mjerenja crvenog pomaka udaljenih galaksija pokazala su da se širenje Svemira ubrzava posljednjih nekoliko milijardi godina. To je dovelo do teorija poput “ Tamna energija “, gdje nevidljiva sila pokreće širenje samog prostora umjesto objekata koji se kreću kroz njega (na taj način ne postavljajući ograničenja na brzinu svjetlosti ili narušavajući relativnost).
Uz specijalnu i opću relativnost, moderna vrijednost brzine svjetlosti u vakuumu donijela je informaciju o kozmologiji, kvantnoj fizici i Standardnom modelu fizike čestica. Ona ostaje konstanta kada se govori o gornjoj granici na kojoj čestice bez mase mogu putovati, a ostaje i nedostižna prepreka za čestice koje imaju masu.
Možda ćemo jednog dana pronaći način da premašimo brzinu svjetlosti. Iako nemamo praktične ideje kako bi se to moglo dogoditi, čini se da je pametan novac na tehnologijama koje će nam omogućiti da zaobiđemo zakone prostor-vremena, bilo stvaranjem warp mjehurića (tzv. Alcubierre Warp Drive ), ili tuneliranjem kroz njega (tzv. crvotočine ).
Do tog vremena, samo ćemo morati biti zadovoljni Svemirom koji možemo vidjeti i držati se istraživanja njegovog dijela koji je dostupan konvencionalnim metodama.
Napisali smo mnogo članaka o brzini svjetlosti za Universe Today. evo Koliko je brza brzina svjetlosti? , Kako se galaksije udaljuju brže od svjetlosti? , Kako svemir može putovati brže od brzine svjetlosti? , i Kršenje brzine svjetlosti .
Evo zgodnog kalkulatora koji vam omogućuje da pretvorite mnoge različite jedinice za brzinu svjetlosti , a ovdje je a kalkulator relativnosti , u slučaju da ste htjeli putovati skoro brzinom svjetlosti.
Astronomy Cast također ima epizodu koja se bavi pitanjima o brzini svjetlosti - Pitanja pokazuju: Relativnost, Relativnost i više Relativnost .
Izvori:
