Що таке швидкість світла і що вимірюють світловими роками

Відповідно до спеціальної теорії відносності фізика Альберта Ейнштейна, на якій базується більша частина сучасної фізики, ніщо у Всесвіті не може рухатися швидше за світло. Швидкість світла у вакуумі становить рівно 299 792 458 метрів на секунду. Це універсальна константа, відома в рівняннях як “с”, або швидкість світла. Але що ж це таке, як її відкрили і чи справді її неможливо подолати?

Теорія відносності стверджує, що коли матерія наближається до швидкості світла, її маса стає нескінченною, нагадує 24 Канал. Це означає, що швидкість світла функціонує як обмеження швидкості для всього всесвіту.

Швидкість світла настільки незмінна, що, згідно з Національним інститутом стандартів і технологій США, вона використовується для визначення міжнародних стандартних вимірювань, таких як метр (і, відповідно, миля, фут і дюйм). За допомогою хитромудрих рівнянь вона також допомагає визначити кілограм і одиницю вимірювання температури Кельвін.

Але, попри репутацію швидкості світла як універсальної константи, вчені та письменники-фантасти проводять час у роздумах про подорожі на швидкостях більших за швидкість світла. Поки що ніхто не зміг продемонструвати справжній варп-двигун, але це не сповільнило наш колективний порив до нових історій, нових винаходів і нових сфер фізики.

Що таке світловий рік?

Світловий рік – це відстань, яку світло може подолати за один рік – близько 10 трильйонів кілометрів. Це один зі способів, яким астрономи та фізики вимірюють величезні відстані у нашому Всесвіті.

Світло проходить шлях відбиваючись від Місяця до наших очей приблизно за 1 секунду, тобто Місяць розташований на відстані близько 1 світлової секунди від нас. Сонячному світлу потрібно близько 8 хвилин, щоб досягти наших очей долаючи відстань від Сонця до Землі, тобто Сонце розташоване на відстані близько 8 світлових хвилин. Світлу від Альфи Центавра, найближчої до нас зоряної системи, потрібно приблизно 4,3 роки, щоб дістатися до нас, отже, Альфа Центавра розташована на відстані 4,3 світлових років від нас.

Зірки та інші об’єкти за межами нашої Сонячної системи розташовані на відстані від кількох світлових років до кількох мільярдів світлових років. І все, що астрономи “бачать” у далекому Всесвіті, є буквально історією. Коли астрономи вивчають далекі об’єкти, вони бачать світло, яке показує об’єкти такими, якими вони існували на момент, коли світло покинуло їх.

Цей принцип дозволяє астрономам бачити всесвіт таким, яким він був після Великого вибуху, що стався близько 13,8 мільярдів років тому. Об’єкти, які розташовані на відстані 10 мільярдів світлових років від нас, здаються астрономам такими, якими вони виглядали 10 мільярдів років тому – відносно скоро після початку Всесвіту – а не такими, якими вони виглядають сьогодні, адже вони взагалі можуть вже не існувати.

Цікаві факти про швидкість світла

• Чи є щось швидше ніж швидкість світла? Ні! Світло – це “універсальна межа швидкості” і, згідно з теорією відносності Ейнштейна, це найшвидша швидкість у Всесвіті: 300 000 кілометрів на секунду.
• Чи є швидкість світла постійною? Швидкість світла є універсальною константою у вакуумі, подібно до вакууму космосу. Однак світло може дещо сповільнюватися, коли воно проходить через поглинаюче середовище, наприклад, воду (225 000 кілометрів на секунду) або скло (200 000 кілометрів на секунду).
• Хто відкрив швидкість світла? Одне з перших вимірювань швидкості світла зробив Рьомер у 1676 році, спостерігаючи за супутниками Юпітера. Вперше швидкість світла була виміряна з високою точністю в 1879 році в експерименті Майкельсона-Морлі.
• Звідки ми знаємо швидкість світла? Рьомер зміг виміряти швидкість світла, спостерігаючи затемнення супутника Юпітера Іо. Коли Юпітер був ближче до Землі, Рьомер помітив, що затемнення Іо відбувалися трохи раніше, ніж коли Юпітер був далі. Рьомер пояснив цей ефект тим, що світлу потрібно більше часу, щоб подолати більшу відстань, коли Юпітер знаходиться далі від Землі.

Що рухається швидше за швидкість світла?

Хоча швидкість світла часто називають межею швидкості Всесвіту, насправді сам він розширюється дещо швидше ніж швидкість світла. Всесвіт розширюється зі швидкістю трохи більше ніж 68 кілометрів за секунду на кожен мегапарсек відстані від спостерігача.

Мегапарсек – це 3,26 мільйона світлових років – дуже велика відстань.

Іншими словами, галактика на відстані 1 мегапарсек віддаляється від Молочного Шляху зі швидкістю 68 км/с, тоді як галактика на відстані двох мегапарсек віддаляється зі швидкістю майже 136 км/с, і так далі.

У якийсь момент, на незбагненній відстані, швидкість розширення перевершує шкалу і перевищує саму швидкість світла, і все це внаслідок природного, регулярного розширення простору.

Спеціальна теорія відносності встановлює абсолютну межу швидкості у Всесвіті, але теорія Ейнштейна 1915 року щодо загальної теорії відносності дозволяє іншу поведінку, коли фізика, яку ми вивчаємо, перестає бути “локальною”.

Дізнайтеся про справжню швидкість світла та як вона використовується

Світло рухається у Всесвіті з найшвидшою швидкістю, яку можуть виміряти астрономи. Насправді швидкість світла є космічною межею швидкості, і ніщо не відомо, щоб рухатися швидше. З якою швидкістю рухається світло? Цю межу можна виміряти, і вона також допомагає визначити наше розуміння розміру та віку Всесвіту.

Що таке світло: хвиля чи частка?

Світло поширюється швидко, зі швидкістю 299 792 458 метрів за секунду. Як це можна зробити? Щоб зрозуміти це, корисно знати, що насправді таке світло, і це в основному відкриття 20-го століття.

Природа світла була великою загадкою протягом століть. Вченим було важко зрозуміти концепцію його хвильової та частинкової природи. Якщо це була хвиля, через що вона поширювалася? Чому здавалося, що він рухався з однаковою швидкістю в усіх напрямках? І що швидкість світла може сказати нам про космос? Лише після того, як у 1905 році Альберт Ейнштейн описав цю спеціальну теорію відносності , все це виявилося в центрі уваги. Ейнштейн стверджував, що простір і час є відносними і що швидкість світла є константою, яка з’єднує їх.

Що таке швидкість світла?

Часто стверджують, що швидкість світла постійна і що ніщо не може подорожувати швидше за швидкість світла. Це не зовсім точно. Значення 299 792 458 метрів на секунду (186 282 милі на секунду) є швидкістю світла у вакуумі. Однак світло насправді сповільнюється, коли воно проходить через різні середовища. Наприклад, коли він рухається крізь скло, він сповільнюється приблизно до двох третин своєї швидкості у вакуумі. Навіть у повітрі, яке є майже вакуумом, світло трохи сповільнюється. Рухаючись у космосі, він стикається з хмарами газу та пилу, а також із гравітаційними полями, які можуть трохи змінити швидкість. Хмари газу та пилу також поглинають частину світла, коли воно проходить.

Це явище пов’язане з природою світла, яке є електромагнітною хвилею. Коли він поширюється через матеріал, його електричні та магнітні поля «збурюють» заряджені частинки, з якими він контактує. Потім ці збурення змушують частинки випромінювати світло з тією ж частотою, але зі зсувом фази. Сума всіх цих хвиль, створених «збуреннями», призведе до електромагнітної хвилі з тією ж частотою, що й вихідне світло, але з меншою довжиною хвилі і, отже, з меншою швидкістю.

Цікаво, що так само швидко, як світло рухається, його шлях може бути викривлений, коли він проходить повз області в космосі з інтенсивними гравітаційними полями. Це досить легко побачити на скупченнях галактик, які містять багато матерії (включаючи темну матерію), яка спотворює шлях світла від більш віддалених об’єктів, таких як квазари.

Гравітаційне лінзування і як воно працює. Світло від віддаленого об’єкта проходить повз ближчий об’єкт із сильною силою гравітації. Світло вигинається та спотворюється, що створює «зображення» більш віддаленого об’єкта. НАСА

Швидкість світла та гравітаційні хвилі

Сучасні теорії фізики передбачають, що гравітаційні хвилі також поширюються зі швидкістю світла, але це все ще підтверджується, оскільки вчені вивчають явище гравітаційних хвиль від зіткнення чорних дір і нейтронних зірок. В іншому випадку немає інших об’єктів, які подорожують так швидко. Теоретично вони можуть наблизитися до швидкості світла, але не швидше.

Одним винятком із цього може бути сам простір-час. Виявляється, далекі галактики віддаляються від нас швидше за швидкість світла. Це «проблема», яку вчені все ще намагаються зрозуміти. Однак одним цікавим наслідком цього є те, що система подорожі заснована на ідеї варп-приводу . У такій технології космічний корабель перебуває в стані спокою відносно космосу , і насправді він рухається, як серфінгіст, що їде на хвилі в океані. Теоретично це може дозволити надсвітлові подорожі. Звичайно, існують інші практичні та технологічні обмеження, які стоять на заваді, але це цікава науково-фантастична ідея, яка викликає певний науковий інтерес.

Час подорожі для Light

Одне із запитань, які астрономи отримують від представників громадськості: «скільки часу знадобиться світлу, щоб пройти від об’єкта X до об’єкта Y?» Світло дає їм дуже точний спосіб вимірювати розмір Всесвіту, визначаючи відстані. Ось кілька поширених вимірювань відстані:

• Від Землі до Місяця : 1,255 секунди
• Від Сонця до Землі : 8,3 хвилини
• Наше Сонце до наступної найближчої зірки : 4,24 року
• Через нашу галактику Чумацький Шлях : 100 000 років
• До найближчої спіральної галактики (Андромеда) : 2,5 мільйона років
• Межа спостережуваного Всесвіту до Землі : 13,8 мільярдів років

Цікаво, що є об’єкти, які ми не можемо побачити просто тому, що Всесвіт розширюється, а деякі знаходяться «за горизонтом», за яким ми не можемо побачити. Вони ніколи не потраплять у наш поле зору, незалежно від того, як швидко мандрує їхнє світло. Це один із захоплюючих ефектів життя у всесвіті, що розширюється.