HVA ER LYSETS HASTIGHET?

Send

Siden eldgamle tider har filosofer og lærde forsøkt å forstå lys. I tillegg til å prøve å skjelne de grunnleggende egenskapene (dvs. hva er det laget av - partikkel eller bølge, etc.) har de også forsøkt å gjøre endelige målinger av hvor raskt den kjører. Siden slutten av 1600-tallet har forskere gjort nettopp det, og med økende nøyaktighet.

På den måten har de fått en bedre forståelse av lysets mekanikk og den viktige rollen det spiller i fysikk, astronomi og kosmologi. Enkelt sagt, små bevegelser i utrolige hastigheter og er den raskeste bevegelsen i universet. Hastigheten anses som en konstant og en uknuselig barriere, og brukes som et middel til å måle avstand. Men hvor raskt kjører den?

Lysets hastighet (c):

Lyset kjører med en konstant hastighet på 1.079.252.848,8 (1,07 milliarder) km i timen. Det fungerer til 299.792.458 m / s, eller omtrent 670.616.629 km / h (miles per time). For å sette det i perspektiv, hvis du kunne reise med lysets hastighet, ville du kunne omgå jordkloden omtrent syv og et halvt ganger på ett sekund. I mellomtiden ville en person som flyr med en gjennomsnittshastighet på rundt 800 km / t (500 mph), ta over 50 timer å sirkel rundt planeten bare en gang.

For å sette det inn i et astronomisk perspektiv er gjennomsnittlig avstand fra Jorden til Månen 384.398,25 km (238,854 miles). Så lys krysser den avstanden på omtrent et sekund. I mellomtiden er den gjennomsnittlige avstanden fra solen til jorden ~ 149.597.886 km (92.955.817 miles), noe som betyr at lyset bare tar omtrent 8 minutter å reise.

Lite rart da hvorfor lysets hastighet er metrikken som brukes til å bestemme astronomiske avstander. Når vi sier at en stjerne som Proxima Centauri ligger 4,25 lysår unna, sier vi at det vil ta - å reise med en konstant hastighet på 1,07 milliarder km i timen (670 616 629 mph) - omtrent 4 år og 3 måneder å komme dit. Men hvordan kom vi til denne svært spesifikke målingen for "lyshastighet"?

Studiens historie:

Fram til 1600-tallet var lærde usikre på om lys reiste i en endelig hastighet eller øyeblikkelig. Fra de gamle grekernes dager til middelalderens islamske forskere og forskere fra den tidlige moderne perioden gikk debatten frem og tilbake. Det var ikke før arbeidet til den danske astronomen Øle Rømer (1644-1710) at den første kvantitative måling ble foretatt.

I 1676 observerte Rømer at periodene med Jupiters innerste måne Io så ut til å være kortere når Jorden nærmet seg Jupiter enn da den gikk tilbake fra den. Av dette konkluderte han med at lyset beveger seg med en endelig hastighet, og estimerte at det tar omtrent 22 minutter å krysse diameteren til jordens bane.

Christiaan Huygens brukte dette anslaget og kombinerte det med et estimat på diameteren til jordens bane for å oppnå et estimat på 220.000 km / s. Isaac Newton snakket også om Rømers beregninger i hans sædarbeid Opticks (1706). Justert for avstanden mellom Jorden og Solen beregnet han at det ville ta lys syv eller åtte minutter å reise fra det ene til det andre. I begge tilfeller hadde de relativt liten margin.

Senere målinger gjort av franske fysikere Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) og Léon Foucault (1819 - 1868) raffinerte disse målingene ytterligere - noe som resulterte i en verdi på 315.000 km / s (192.625 mi / s). Og ved siste halvdel av 1800-tallet ble forskere klar over sammenhengen mellom lys og elektromagnetisme.

Dette ble oppnådd av fysikere som målte elektromagnetiske og elektrostatiske ladninger, som da fant ut at den numeriske verdien var veldig nær lysets hastighet (som målt av Fizeau). Basert på hans eget arbeid, som viste at elektromagnetiske bølger forplantet seg i tomt rom, foreslo den tyske fysikeren Wilhelm Eduard Weber at lys var en elektromagnetisk bølge.

Det neste store gjennombruddet kom på begynnelsen av 1900-tallet / I hans papir fra 1905, med tittelen “On Electrodynamics of Moving Bodies ”, Albert Einstein hevdet at lysets hastighet i et vakuum, målt av en ikke-akselererende observatør, er den samme i alle treghedsreferanserammer og uavhengig av bevegelsen til kilden eller observatøren.

Ved å bruke dette og Galileos relativitetsprinsipp som grunnlag, avledet Einstein teorien om spesiell relativitet, der lysets hastighet i vakuum (c) var en grunnleggende konstant. Før dette mente arbeidskonsensus blant forskere at rommet var fylt med en "lysende eter" som var ansvarlig for dens utbredelse - dvs. at lys som beveger seg gjennom et bevegelig medium ville bli dratt med av mediet.

Dette medførte igjen at lysets målte hastighet ville være en enkel sum av hastigheten gjennom mediet pluss hastigheten av det mediet. Imidlertid gjorde Einsteins teori effektivt konseptet til den stasjonære eter ubrukelig og revolusjonerte konseptene rom og tid.

Ikke bare fremmet ideen om at lysets hastighet er den samme i alle treghetsreferanserammer, den introduserte også ideen om at store forandringer skjer når ting beveger seg nær lysets hastighet. Disse inkluderer tidsromsrammen til et bevegelig legeme som ser ut til å bremse og trekke seg sammen i bevegelsesretningen når det måles i observatørens ramme (dvs. tidsutvidelse, der tiden bremser når lysets hastighet nærmer seg).

Observasjonene hans forenet også Maxwells ligninger for elektrisitet og magnetisme med lovene om mekanikk, forenklet de matematiske beregningene ved å fjerne unna fremmede forklaringer som ble brukt av andre forskere, og samsvarte med den direkte observerte lyshastigheten.

I løpet av andre halvdel av 1900-tallet ville stadig mer nøyaktige målinger ved bruk av laserinferometre og hulromresonanseteknikker ytterligere avgrense estimater av lysets hastighet. I 1972 brukte en gruppe ved US National Bureau of Standards i Boulder, Colorado, laserinferometerteknikken for å få den for tiden anerkjente verdien på 299,792,458 m / s.

Roll i moderne astrofysikk:

Einsteins teori om at lysets hastighet i vakuum er uavhengig av bevegelsen fra kilden og den treghet referanserammen til observatøren har siden blitt konsekvent bekreftet av mange eksperimenter. Det setter også en øvre grense for hastighetene som alle masseløse partikler og bølger (som inkluderer lys) kan bevege seg i et vakuum.

En av utvekstene til dette er at kosmologer nå behandler rom og tid som en enkelt, enhetlig struktur kjent som romtid - der lysets hastighet kan brukes til å definere verdier for begge (dvs. "lysår", "lysminutter" og “Lette sekunder”). Målingen av lysets hastighet har også blitt en viktig faktor når du bestemmer hastigheten for den kosmiske ekspansjonen.

Fra 1920-tallet med observasjoner av Lemaitre og Hubble, ble forskere og astronomer klar over at universet ekspanderer fra et utgangspunkt. Hubble observerte også at jo lenger borte en galakse er, jo raskere ser det ut til å bevege seg. I det som nå omtales som Hubble-parameteret, beregnes hastigheten som universet ekspanderer til til 68 km / s per megaparsek.

Dette fenomenet, som har blitt teoretisert for å bety at noen galakser faktisk kan bevege seg raskere enn lysets hastighet, kan sette en grense for hva som kan observeres i vårt univers. I hovedsak ville galakser som kjører raskere enn lysets hastighet krysse en "kosmologisk hendelseshorisont", der de ikke lenger er synlige for oss.

På 1990-tallet viste også rødskiftemålinger av fjerne galakser at utvidelsen av universet har blitt akselererende de siste milliarder årene. Dette har ført til teorier som “Dark Energy”, der en usett kraft driver utvidelsen av rommet i stedet for objekter som beveger seg gjennom det (og dermed ikke legger begrensninger for lysets hastighet eller krenker relativitet).

Sammen med spesiell og generell relativitet, har den moderne verdien av lysets hastighet i et vakuum gått videre til å informere om kosmologi, kvantefysikk og standardmodellen for partikkelfysikk. Det forblir en konstant når vi snakker om den øvre grensen som masseløse partikler kan bevege seg på, og er fortsatt en uoppnåelig barriere for partikler som har masse.

Kanskje vi en dag vil finne en måte å overskride lysets hastighet på. Selv om vi ikke har noen praktiske ideer for hvordan dette kan skje, ser det ut til at de smarte pengene er på teknologier som lar oss omgå lovene om romtid, enten ved å lage varpbobler (også kalt Alcubierre Warp Drive), eller tunneler gjennom den ( alias ormhull).

Fram til den tid må vi bare være fornøyd med universet vi kan se, og holde oss til å utforske den delen av det som er tilgjengelig med konvensjonelle metoder.

Vi har skrevet mange artikler om lysets hastighet for Space Magazine. Her er hvor rask er lysets hastighet? Hvordan beveger galakser seg raskere enn lyset? Hvordan kan romfartsreiser bli raskere enn lysets hastighet? Og bryte lysets hastighet.

Her er en kul kalkulator som lar deg konvertere mange forskjellige enheter for lysets hastighet, og her er en relativitetskalkulator, i tilfelle du ønsket å reise nesten på lysets hastighet.

Astronomy Cast har også en episode som tar for seg spørsmål om lysets hastighet - Questions Show: Relativity, Relativity, and more Relativity.

kilder: