Alates iidsetest aegadest on filosoofid ja teadlased püüdnud valgust mõista. Lisaks sellele, et püütakse eristada selle põhiomadusi (st millest see koosneb – osakestest või lainetest jne), on nad püüdnud teha ka lõplikke mõõtmisi selle kohta, kui kiiresti see liigub. Alates 17. sajandi lõpust on teadlased just seda teinud ja järjest suurema täpsusega.
Seda tehes on nad saanud parema arusaamise valguse mehaanikast ja selle olulisest rollist füüsikas, astronoomias ja kosmoloogias. Lihtsamalt öeldes liigub valgus uskumatu kiirusega ja on kõige kiiremini liikuv asi universumis. Selle kiirust peetakse konstantseks ja purunematuks tõkkeks ning seda kasutatakse vahemaa mõõtmise vahendina. Aga kui kiiresti see liigub?
Valguse kiirus (c):
Valgus liigub püsiva kiirusega 1 079 252 848,8 (1,07 miljardit) km tunnis. See töötab kuni 299 792 458 m/s ehk umbes 670 616 629 miili tunnis (miili tunnis). Vaadates seda perspektiivi, kui suudaksite liikuda valguse kiirusel, suudaksite ühe sekundi jooksul ümber maakera liikuda umbes seitse ja pool korda. Samal ajal kuluks inimesel, kes lendab keskmise kiirusega umbes 800 km/h (500 miili tunnis), üle 50 tunni, et üks kord ümber planeedi ringi teha.
Illustratsioon, mis näitab vahemaad, mille valgus läbib Maa ja Päikese vahel. Krediit: LucasVB / avalik domeen
Astronoomilises perspektiivis on keskmine kaugus Maast Kuuni 384 398,25 km (238 854 miili). Nii et valgus läbib selle vahemaa umbes sekundiga. Samal ajal on keskmine kaugus Päikesest Maani ~149 597 886 km (92 955 817 miili), mis tähendab, et valgusel kulub selle teekonna tegemiseks vaid umbes 8 minutit.
Pole siis ime, miks astronoomiliste kauguste määramiseks kasutatakse valguse kiirust. Kui me ütleme, et täht nagu Proxima Centauri on 4,25 valgusaasta kaugusel, siis me ütleme, et selleni jõudmiseks kuluks – liikudes püsiva kiirusega 1,07 miljardit km/h (670 616 629 miili tunnis) – umbes 4 aastat ja 3 kuud. Aga kuidas me jõudsime selle väga spetsiifilise valguse kiiruse mõõtmiseni?
Õppeajalugu:
Kuni 17. sajandini ei olnud teadlased kindlad, kas valgus liigub piiratud kiirusega või silmapilkselt. Arutelu käis edasi-tagasi alates iidsete kreeklaste aegadest kuni keskaegsete islami õpetlaste ja varauusaegsete teadlasteni. Esimesed kvantitatiivsed mõõtmised tehti alles Taani astronoomi Øle Rømeri (1644-1710) töödega.
1676. aastal täheldas Rømer, et Jupiteri sisemise kuu Io perioodid tundusid olevat lühemad, kui Maa lähenes Jupiterile, kui siis, kui see sellest taandus. Sellest järeldas ta, et valgus liigub piiratud kiirusega ja hindas, et Maa orbiidi läbimõõdu ületamiseks kulub umbes 22 minutit.
Prof Albert Einstein pidas 11. Josiah Willard Gibbsi loengut Carnegie Tehnoloogiainstituudis 28. detsembril 1934, kus ta selgitas oma teooriat selle kohta, kuidas mateeria ja energia on eri vormides samad asjad. Krediit: AP foto
Christiaan Huygens kasutas seda hinnangut ja ühendas selle Maa orbiidi läbimõõdu hinnanguga, et saada hinnanguline kiirus 220 000 km/s. Isaac Newton rääkis ka Rømeri arvutustest oma põhjapanevas töös Optika (1706). Reguleerides Maa ja Päikese vahelist kaugust, arvutas ta, et valgusel kulub ühest teise liikumiseks seitse-kaheksa minutit. Mõlemal juhul jäid nad suhteliselt väikese vahega alla.
Prantsuse füüsikute Hippolyte Fizeau (1819–1896) ja Léon Foucault (1819–1868) tehtud hilisemad mõõtmised täpsustasid neid mõõtmisi veelgi – tulemuseks oli 315 000 km/s (192 625 mi/s). Ja 19. sajandi teisel poolel mõistsid teadlased valguse ja elektromagnetismi seost.
Selle saavutasid füüsikud, kes mõõtsid elektromagnetilisi ja elektrostaatilisi laenguid, kes seejärel leidsid, et arvväärtus oli väga lähedane valguse kiirusele (Fizeau mõõtmisel). Saksa füüsik Wilhelm Eduard Weber tegi oma töö põhjal, mis näitas, et elektromagnetlained levivad tühjas ruumis, välja, et valgus on elektromagnetlaine.
Järgmine suur läbimurre toimus 20. sajandi alguses. Tema 1905. aasta artiklis pealkirjaga 'Liikuvate kehade elektrodünaamikast”, Albert Einstein väitis, et mittekiirendava vaatleja poolt mõõdetud valguse kiirus vaakumis on kõigis inertsiaalsetes võrdluskaadrites sama ega sõltu allika või vaatleja liikumisest.
Laser, mis paistab läbi veeklaasi, näitab, kui palju kiiruse muutusi (miili tunnis) toimub, kui see liigub õhust, klaasist, vette ja tagasi. Krediit: Bob King
Kasutades seda ja Galileo relatiivsusprintsiip alusena tuletas Einstein Erirelatiivsusteooria , milles valguse kiirus vaakumis (c) oli põhikonstant. Enne seda oli teadlaste konsensus, et ruum on täidetud 'helenduva eetriga', mis vastutab selle levimise eest, st et valgus, mis liigub läbi liikuva keskkonna, tõmbab keskkond endaga kaasa.
See omakorda tähendas, et valguse mõõdetud kiirus oleks selle kiiruse lihtne summaläbikeskmine pluss kiiruskohtasee meedium. Kuid Einsteini teooria muutis statsionaarse eetri mõiste kasutuks ja muutis ruumi ja aja mõisted.
See mitte ainult ei edendanud ideed, et valguse kiirus on kõigis inertsiaalsetes võrdlusraamides sama, vaid tutvustas ka ideed, et suured muutused toimuvad siis, kui asjad liiguvad valguse kiirusele lähedale. Nende hulka kuulub liikuva keha aegruumiline kaader, mis näib vaatleja kaadris mõõdetuna liikumissuunas aeglustumist ja kokkutõmbumist (st aja dilatatsioon, kus aeg aeglustub valguse kiiruse lähenedes).
Tema tähelepanekud sobitasid ka Maxwelli võrrandid elektri ja magnetismi kohta mehaanika seadustega, lihtsustasid matemaatilisi arvutusi, kaotades teiste teadlaste kasutatud kõrvalised seletused, ja kooskõlas otseselt vaadeldava valguse kiirusega.
20. sajandi teisel poolel võimaldaksid üha täpsemad mõõtmised laserinferomeetrite ja õõnsusresonantstehnikate abil valguse kiiruse hinnanguid veelgi täpsustada. Aastaks 1972 kasutas USA riikliku standardibüroo rühm Boulderis Colorados laserinferomeetri tehnikat, et saada praegu tunnustatud väärtus 299 792 458 m/s.
Roll kaasaegses astrofüüsikas:
Einsteini teooriat, mille kohaselt valguse kiirus vaakumis ei sõltu allika liikumisest ja vaatleja inertsiaalsest võrdlusraamist, on sellest ajast alates järjekindlalt kinnitanud paljud katsed. Samuti seab see ülempiiri kiirustele, millega kõik massita osakesed ja lained (sealhulgas valgus) võivad vaakumis liikuda.
Üks selle tagajärgi on see, et kosmoloogid käsitlevad nüüd ruumi ja aega ühtse ühtse struktuurina, mida tuntakse aegruumina – milles valguse kiirust saab kasutada väärtuste määratlemiseks mõlema jaoks (st valgusaastad, valgusminutid ja valgusminutid). 'kerged sekundid'). Valguse kiiruse mõõtmisest on saanud ka peamine tegur kosmilise paisumise kiiruse määramisel.
Alates 1920. aastatest Lemaitre'i ja Hubble'i vaatlustega said teadlased ja astronoomid teadlikuks, et universum laieneb lähtepunktist. Hubble täheldas ka, et mida kaugemal galaktika on, seda kiiremini see liigub. Selles, mida praegu nimetatakse Hubble'i parameeter , arvutatakse universumi paisumise kiiruseks 68 km/s megaparseki kohta.
See nähtus, mis on teoretiseeritult tähendanud, et mõned galaktikad võivad tegelikult liikuda valguse kiirusest kiiremini , võib meie universumis vaadeldavale piiri panna. Põhimõtteliselt ületaksid valguse kiirusest kiiremini liikuvad galaktikad 'kosmoloogiliste sündmuste horisondi', kus nad pole meile enam nähtavad.
Samuti näitasid 1990. aastateks kaugete galaktikate punanihke mõõtmised, et universumi paisumine on viimase paari miljardi aasta jooksul kiirenenud. See on viinud selliste teooriateni nagu ' Tume Energia “, kus nähtamatu jõud juhib ruumi enda paisumist, mitte seda läbivate objektide asemel (seega ei sea piiranguid valguse kiirusele ega riku relatiivsusteooriat).
Koos eri- ja üldrelatiivsusteooriaga on valguse kiiruse kaasaegne väärtus vaakumis andnud teavet kosmoloogiale, kvantfüüsikale ja osakeste füüsika standardmudelile. See jääb konstantseks, rääkides ülemisest piirist, mille juures massita osakesed võivad liikuda, ja jääb saavutamatuks barjääriks osakestele, millel on mass.
Võib-olla leiame ühel päeval viisi, kuidas valguse kiirust ületada. Kuigi meil pole praktilisi ideid selle kohta, kuidas see juhtuda võiks, näib, et nutikas raha on tehnoloogiatel, mis võimaldavad meil aegruumi seadustest mööda hiilida, luues kas kõverdumismulle (teise nimega Alcubierre Warp Drive ) või läbi selle tunneldamise (teise nimega. ussiaugud ).
Kuni selle ajani peame lihtsalt rahul olema universumiga, mida me näeme, ja jääma uurima selle osa, mis on tavapäraste meetoditega kättesaadav.
Oleme Universe Today jaoks kirjutanud palju artikleid valguse kiiruse kohta. Siin on Kui kiire on valguse kiirus? , Kuidas galaktikad eemalduvad valgusest kiiremini? , Kuidas saab kosmos liikuda kiiremini kui valguse kiirus? , ja Valguse kiiruse murdmine .
Siin on lahe kalkulaator, mis võimaldab teil paljusid teisendada erinevad valguse kiiruse ühikud , ja siin on a relatiivsusteooria kalkulaator juhuks, kui soovite liikuda peaaegu valguse kiirusel.
Astronomy Castil on ka episood, mis käsitleb küsimusi valguse kiiruse kohta - Küsimused näitavad: relatiivsus, relatiivsus ja palju muud .
Allikad:
