MIKä ON VALON NOPEUS?

Send

Muinaisista ajoista lähtien filosofit ja tutkijat ovat pyrkineet ymmärtämään valoa. Sen lisäksi, että he ovat yrittäneet erottaa sen perusominaisuudet (ts. Mistä se on tehty - hiukkasista tai aaltoista jne.), He ovat yrittäneet myös tehdä äärellisiä mittauksia siitä, kuinka nopeasti se kulkee. 1700-luvun lopulta lähtien tutkijat ovat tehneet juuri tätä ja yhä tarkkuudella.

Näin tehdessään he ovat oppineet ymmärtämään paremmin valon mekaniikkaa ja sen tärkeätä roolia fysiikassa, tähtitiedessä ja kosmologiassa. Yksinkertaisesti sanottuna, valo liikkuu uskomattomalla nopeudella ja on nopeimmin liikkuva asia maailmankaikkeudessa. Sen nopeutta pidetään vakiona ja murtumattomana esteenä, ja sitä käytetään etäisyyden mittausvälineenä. Mutta kuinka nopeasti se kulkee?

Valonnopeus (C):

Valo kulkee vakionopeudella 1 079 252 848,8 (1,07 miljardia) km tunnissa. Se toimii nopeudella 299 792 458 m / s tai noin 670 616 629 mph (mailia tunnissa). Tämän näkökulmasta katsottuna, jos voisit matkustaa valon nopeudella, pystyt ympäri kiertämään maapalloa noin seitsemän ja puoli kertaa sekunnissa. Sillä välin henkilöllä, joka lentää keskimääräisellä nopeudella noin 800 km / h (500 mph), kuluu yli 50 tuntia kiertää planeetta vain kerran.

Asettaaksesi sen tähtitieteelliseen näkökulmaan, keskimääräinen etäisyys maasta Kuuhun on 384 398,25 km (238 854 mailia). Joten valo ylittää etäisyyden noin sekunnissa. Samaan aikaan keskimääräinen etäisyys auringosta maahan on ~ 149 597 886 km (92 955 817 mailia), mikä tarkoittaa, että valo kestää vain noin 8 minuuttia matkaan.

Ei siis ihme, miksi valon nopeus on metriikka, jota käytetään tähtitieteellisten etäisyyksien määrittämiseen. Kun sanomme, että Proxima Centaurin kaltainen tähti on 4,25 valovuoden päässä, sanomme, että se vie - matkustaminen vakionopeudella 1,07 miljardia km tunnissa (670,616,629 mph) - noin 4 vuotta ja 3 kuukautta päästäkseen sinne. Mutta kuinka me saavuimme tähän erittäin spesifiseen ”valonopeuden” mittaukseen?

Opintohistoria:

1700-luvulle saakka tutkijat eivät olleet varmoja siitä, kulkivatko valot rajallisella nopeudella vai hetkessä. Muinaisten kreikkalaisten päivistä keskiaikaisiin islamin tutkijoihin ja varhaisen modernin ajan tutkijoihin keskustelu meni edestakaisin. Ensimmäinen kvantitatiivinen mittaus tehtiin vasta tanskalaisen tähtitieteilijä Øle Rømerin (1644-1710) työlle.

Vuonna 1676 Rømer havaitsi, että Jupiterin sisimmän kuu-Io -jaksot näyttivät olevan lyhyempiä, kun maa lähestyi Jupiteria kuin silloin, kun se oli poistumassa siitä. Tästä hän päätteli, että valo kulkee äärellisellä nopeudella, ja arvioi, että Maan kiertoradan halkaisijan läpimurto kestää noin 22 minuuttia.

Christiaan Huygens käytti tätä arviota ja yhdisti sen arvioon maapallon kiertoradan halkaisijasta saadakseen arvion 220 000 km / s. Isaac Newton puhui myös Rømerin laskelmista hänen perustavanlaatuisessa työssään Opticks (1706). Säätäessään maapallon ja auringon välistä etäisyyttä, hän laski, että matkalta toiseen kuluu valoa seitsemän tai kahdeksan minuuttia. Molemmissa tapauksissa ne olivat suhteellisen pienellä marginaalilla.

Myöhemmät ranskalaisten fyysikkojen Hippolyte Fizeaun (1819 - 1896) ja Léon Foucaultin (1819 - 1868) mittaukset tarkensivat näitä mittauksia edelleen - tuloksena oli arvo 315 000 km / s (192 625 mi / s). Ja 1800-luvun jälkipuoliskolla tutkijat saivat tiedon valon ja sähkömagneettisuuden välisestä yhteydestä.

Tämän suorittivat fyysikot, jotka mittasivat sähkömagneettisia ja sähköstaattisia varauksia, ja totesivat sitten, että numeerinen arvo oli hyvin lähellä valon nopeutta (Fizeaun mittaamana). Saksalaisen fyysikon Wilhelm Eduard Weberin oman työnsä perusteella, joka osoitti, että sähkömagneettiset aallot leviävät tyhjään tilaan, ehdotettiin, että valo olisi sähkömagneettinen aalto.

Seuraava suuri läpimurto tapahtui 1900-luvun alkupuolella / hänen 1905-lehdessä, jonka otsikko oli ”Liikkuvien kappaleiden sähköodynamiikasta ”, Albert Einstein väitti, että tyhjössä olevan valon nopeus, jota mittaa ei kiihtyvä tarkkailija, on sama kaikissa inertioissa referenssikehyksissä ja riippumaton lähteen tai tarkkailijan liikkeestä.

Tämän ja Galileon relatiivisuuden suhteen perustuvan periaatteen perusteella Einstein johdetti erikoisrelatiivisuuden teorian, jossa valon nopeus tyhjiössä (C) oli perustavanlaatuinen vakio. Tätä ennen tutkijoiden kesken olevassa yksimielisyydessä todettiin, että tila oli täynnä ”valaisevaa eetteriä”, joka oli vastuussa sen etenemisestä - ts. Että liikkuvan väliaineen läpi kulkeva valo vetää väliaineen pitkin.

Tämä puolestaan tarkoitti, että valon mitattu nopeus olisi yksinkertainen summa sen nopeudesta kautta keskipitkä plus nopeus of tuo väliaine. Einsteinin teoria teki kuitenkin paikallaan olevan eetterin käsitteen käytännöllisesti katsoen hyödyttömäksi ja mullisti tilan ja ajan käsitteet.

Se ei vain edistänyt ajatusta siitä, että valon nopeus on sama kaikissa inertioissa referenssikehyksissä, se myös esitteli ajatuksen, että suuret muutokset tapahtuvat, kun asiat liikkuvat lähellä valon nopeutta. Niihin sisältyy liikkuvan kehon aika-avaruuskehys, joka näyttää hidastuvan ja supistuvan liikesuuntaan tarkkailijan kehyksessä mitattuna (ts. Ajan dilaatio, jossa aika hidastuu valon nopeuden lähestyessä).

Hänen havainnot sovittivat myös Maxwellin sähkö- ja magneettiarvoyhtälöt mekaniikkalakiin, yksinkertaistivat matemaattiset laskelmat poistamalla muiden tutkijoiden käyttämät ulkopuoliset selitykset ja sopivat suoraan havaittuun valonopeuteen.

1900-luvun jälkipuoliskolla entistä tarkemmat mittaukset laserinferometrillä ja onteloresonanssitekniikoilla parantaisivat edelleen valon nopeuden arvioita. Vuoteen 1972 mennessä ryhmä Yhdysvaltain kansallisessa standardiyhdistyksessä Boulderissa, Coloradossa, käytti laserinfeerometritekniikkaa saadakseen tällä hetkellä tunnustetun arvon 299 792 458 m / s.

Rooli modernissa astrofysiikassa:

Einsteinin teoria, että valon nopeus tyhjiössä on riippumaton lähteen liikkeestä ja tarkkailijan inertiaalinen viitekehys, on sittemmin vahvistettu johdonmukaisesti monissa kokeissa. Se asettaa myös ylärajan nopeuksille, joilla kaikki massaton hiukkaset ja aallot (mukaan lukien valo) voivat kulkea tyhjiössä.

Yksi tämän kasvustulosta on se, että kosmologit käsittelevät tilaa ja aikaa yhtenä yhtenäisenä rakenteena, jota kutsutaan avaruusaikaksi - jossa valon nopeutta voidaan käyttää arvojen määrittelemiseen molemmille (ts. “Valovuosi”, “valominuutit” ja ”Kevyet sekunnit”). Valon nopeuden mittauksesta on tullut myös tärkeä tekijä määritettäessä kosmisen paisumisen nopeutta.

1920-luvulta lähtien Lemaitre- ja Hubble-havaintoilla tutkijat ja tähtitieteilijät saivat tietoon siitä, että maailmankaikkeus laajenee lähtöpisteestä. Hubble havaitsi myös, että mitä kauempana galaksi on, sitä nopeammin se näyttää liikkuvan. Nyt kutsutaan Hubble-parametriksi nopeus, jolla maailmankaikkeus kasvaa, lasketaan 68 km / s megaparsekkeelta.

Nämä ilmiöt, joiden teoria on tarkoittanut tarkoittavan, että jotkut galaksit voisivat todella liikkua valon nopeutta nopeammin, voivat asettaa rajan sille, mikä on havaittavissa maailmankaikkeudessa. Pohjimmiltaan valon nopeutta nopeammat galaksit ylittäisivät ”kosmologisen tapahtumahorisontin”, jossa ne eivät enää ole meille näkyvissä.

1990-luvulle mennessä kaukana olevien galaksien punasiirtymittaukset osoittivat myös, että maailmankaikkeuden laajentuminen on kiihtynyt muutaman viime miljardin vuoden ajan. Tämä on johtanut teorioihin, kuten ”Dark Energy”, joissa näkymätön voima ajaa itse avaruuden laajenemista sen läpi liikkuvien esineiden sijasta (siten, ettei valon nopeutta rajoiteta tai suhteellisuustehtäviä vaaranneta).

Erityisen ja yleisen suhteellisuuden suhteen valossa vauhdin nopeuden nykyaikainen arvo on siirtynyt kosmologian, kvanttifysiikan ja hiukkasfysiikan standardimallin tietoon. Se pysyy vakiona, kun puhutaan ylärajasta, jolla massattomat hiukkaset voivat kulkea, ja pysyy saavuttamattomana esteenä partikkeleille, joilla on massa.

Ehkä jonain päivänä löydämme tavan valonopeuden ylittämiseen. Vaikka meillä ei ole käytännön ideoita, miten tämä voi tapahtua, älykäs raha näyttää olevan tekniikoilla, jotka antavat meille mahdollisuuden kiertää avaruusajan lakeja joko luomalla loimikuplia (alias. Alcubierre-loimilaite) tai tunneloimalla sen läpi ( alias. madonreikiä).

Siihen asti meidän on vain oltava tyytyväisiä näkemämme maailmankaikkeuden kanssa ja pysyttävä tutkimalla sitä osaa siitä, joka on tavoitettavissa tavanomaisin menetelmin.

Olemme kirjoittaneet monia artikkeleita valonopeudesta Space Magazine -lehteen. Tässä on kuinka nopea valon nopeus ?, Kuinka galaksit liikkuvat nopeammin kuin valo ?, Kuinka avaruus voi liikkua nopeammin kuin valon nopeus? Ja rikkoo valon nopeuden.

Tässä on siisti laskin, jonka avulla voit muuntaa useita erilaisia yksiköitä valonopeudeksi, ja tässä on suhteellisuustelaskin, jos haluat matkustaa melkein valon nopeuden.

Astronomy Cast -palvelussa on myös jakso, joka käsittelee valon nopeutta koskevia kysymyksiä - Kysymysshow: relatiivisuus, suhteellisuus ja lisää suhteellisuuksia.

Lähteet: