VAD äR LJUSETS HASTIGHET?

Send

Sedan antiken har filosofer och forskare försökt förstå ljus. Förutom att försöka urskilja dess grundläggande egenskaper (dvs. vad är den gjord av - partikel eller våg, etc.) har de också försökt göra begränsade mätningar av hur snabbt den reser. Sedan sent på 1600-talet har forskare gjort just det och med ökande noggrannhet.

På så sätt har de fått en bättre förståelse för ljusets mekanik och den viktiga roll det spelar i fysik, astronomi och kosmologi. Enkelt uttryckt, lätta rörelser i otroliga hastigheter och är den snabbast rörande saken i universum. Dess hastighet anses vara en konstant och en obrottbar barriär och används som ett sätt att mäta avstånd. Men hur snabbt går det?

Ljusets hastighet (c):

Ljus går med en konstant hastighet av 1 079 252 848,8 km (1 077 miljarder km) per timme. Det fungerar till 299,792,458 m / s, eller ungefär 670,616,629 mph (miles per timme). För att sätta det i perspektiv, om du kunde resa med ljusets hastighet, skulle du kunna kringgå världen ungefär sju och en halv gånger på en sekund. Under tiden skulle en person som flyger med en genomsnittlig hastighet av cirka 800 km / h (500 mph) ta över 50 timmar att kretsa runt planeten bara en gång.

För att sätta det i ett astronomiskt perspektiv är det genomsnittliga avståndet från jorden till månen 384 398,25 km (238 854 miles). Så ljus korsar det avståndet på ungefär en sekund. Under tiden är det genomsnittliga avståndet från solen till jorden ~ 149.597.886 km (92.955.817 miles), vilket innebär att ljuset bara tar cirka 8 minuter att göra denna resa.

Lite undrar då varför ljusets hastighet är det metriska som används för att bestämma astronomiska avstånd. När vi säger att en stjärna som Proxima Centauri är 4,25 ljusår bort, säger vi att det skulle ta - att resa med en konstant hastighet av 1,07 miljarder km per timme (670 616 629 mph) - ungefär 4 år och 3 månader för att komma dit. Men hur kom vi fram till denna mycket specifika mätning för "ljushastighet"?

Studiens historia:

Fram till 1600-talet var forskare osäkra på om ljus färdades med en hastighet eller omedelbart. Från de gamla grekernas dagar till medeltida islamiska forskare och forskare från den tidiga moderna perioden gick debatten fram och tillbaka. Det var inte förrän den danska astronomen Øle Rømer (1644-1710) gjorde den första kvantitativa mätningen.

1676 observerade Rømer att perioderna i Jupiters innersta måne Io verkade vara kortare när jorden närmade sig Jupiter än när den sjönk från den. Från detta drog han slutsatsen att ljuset reser med en begränsad hastighet och uppskattade att det tar cirka 22 minuter att korsa diametern på jordens bana.

Christiaan Huygens använde denna uppskattning och kombinerade den med en uppskattning av diametern på jordens bana för att få en uppskattning av 220 000 km / s. Isaac Newton talade också om Rümers beräkningar i hans seminarbete Opticks (1706). Justerade för avståndet mellan jorden och solen beräknade han att det skulle ta sju eller åtta minuter att resa från det ena till det andra. I båda fallen hade de en relativt liten marginal.

Senare mätningar gjorda av de franska fysikerna Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) och Léon Foucault (1819 - 1868) förfinade dessa mätningar ytterligare - vilket resulterade i ett värde av 315 000 km / s (192,625 mi / s). Och senare hälften av 1800-talet blev forskarna medvetna om sambandet mellan ljus och elektromagnetism.

Detta åstadkoms av fysiker som mätte elektromagnetiska och elektrostatiska laddningar, som sedan fann att det numeriska värdet var mycket nära ljusets hastighet (mätt av Fizeau). Baserat på sitt eget arbete, som visade att elektromagnetiska vågor sprider sig i tomt utrymme, föreslog den tyska fysikern Wilhelm Eduard Weber att ljus var en elektromagnetisk våg.

Nästa stora genombrott kom under början av 1900-talet / I sitt papper 1905, med titeln "Om rörliga organers elektrodynamik ”, Albert Einstein hävdade att ljusets hastighet i ett vakuum, mätt av en icke-accelererande observatör, är densamma i alla tröghetsreferensramar och oberoende av källans eller observatörens rörelse.

Genom att använda denna och Galileos relativitetsprincip som grund, härledde Einstein teorin om särskild relativitet, där ljusets hastighet i vakuum (c) var en grundläggande konstant. Innan detta ansåg den arbetande konsensus bland forskare att rymden var fylld med en "självlysande eter" som var ansvarig för dess spridning - dvs att ljus som reser genom ett rörligt medium skulle dras med av mediet.

Detta innebar i sin tur att ljusets uppmätta hastighet skulle vara en enkel summa av dess hastighet genom mediet plus hastigheten av det mediet. Emellertid gjorde Einsteins teori effektivt begreppet stationär aether värdelös och revolutionerade begreppen rymd och tid.

Inte bara främjade idén att ljusets hastighet är densamma i alla tröghetsreferensramar, den introducerade också idén att stora förändringar inträffar när saker rör sig nära ljusets hastighet. Dessa inkluderar tidsrummet för en rörlig kropp som verkar sakta ner och dras i rörelseriktningen när den mäts i observatörens ram (dvs tidsutvidgning, där tiden går långsammare när ljusets hastighet närmar sig).

Hans observationer förenade också Maxwells ekvationer för elektricitet och magnetism med lagarna om mekanik, förenklade de matematiska beräkningarna genom att undanröja främmande förklaringar som använts av andra forskare och överensstämde med den direkt observerade ljushastigheten.

Under andra hälften av 1900-talet skulle allt mer exakta mätningar med laserinferometrar och hålrumsresonans tekniker ytterligare förfina uppskattningar av ljusets hastighet. År 1972 använde en grupp vid US National Bureau of Standards i Boulder, Colorado, laserinferometertekniken för att få det för närvarande erkända värdet på 299,792,458 m / s.

Roll i modern astrofysik:

Einsteins teori om att ljusets hastighet i vakuum är oberoende av källans rörelse och observatörens tröghetsreferensram har sedan dess konsekvent bekräftats av många experiment. Det sätter också en övre gräns för hastigheter med vilka alla masslösa partiklar och vågor (som inkluderar ljus) kan röra sig i ett vakuum.

En av utväxterna av detta är att kosmologer nu behandlar rymden och tiden som en enda enhetlig struktur känd som rymdtid - där ljusets hastighet kan användas för att definiera värden för båda (dvs. "ljusår", "ljusminuter" och “Ljusa sekunder”). Mätningen av ljusets hastighet har också blivit en viktig faktor när man bestämmer den kosmiska expansionens hastighet.

Från och med 1920-talet med observationer av Lemaitre och Hubble blev forskare och astronomer medvetna om att universum expanderar från en ursprungspunkt. Hubble observerade också att ju längre bort en galax är, desto snabbare ser det ut att röra sig. I det som nu kallas Hubble-parametern beräknas hastigheten med vilken universum expanderar till 68 km / s per megaparsek.

Dessa fenomen, som har teoretiserats för att innebära att vissa galaxer faktiskt kan röra sig snabbare än ljusets hastighet, kan sätta en gräns för vad som kan observeras i vårt universum. I huvudsak skulle galaxer som reser snabbare än ljusets hastighet korsa en "kosmologisk händelseshorisont", där de inte längre är synliga för oss.

Vid 1990-talet visade också rödskiftmätningar av avlägsna galaxer att universums expansion har accelererat de senaste miljarder åren. Detta har lett till teorier som "Dark Energy", där en osynlig kraft driver utvidgningen av rymden i stället för föremål som rör sig genom det (och därmed inte sätter begränsningar för ljusets hastighet eller bryter mot relativitet).

Tillsammans med speciell och generell relativitet har det moderna värdet av ljusets hastighet i ett vakuum gått vidare för att informera kosmologi, kvantefysik och standardmodellen för partikelfysik. Det förblir en konstant när man talar om den övre gränsen vid vilken masslösa partiklar kan röra sig, och förblir en ouppnåelig barriär för partiklar som har massa.

Kanske vi en dag kommer att hitta ett sätt att överskrida ljusets hastighet. Även om vi inte har några praktiska idéer för hur detta kan hända, verkar de smarta pengarna vara på tekniker som gör att vi kan kringgå lagarna i rymdtiden, antingen genom att skapa varpbubblor (alias Alcubierre Warp Drive) eller genom att tunnla genom den ( alias maskhål).

Fram till dess måste vi bara vara nöjda med det universum vi kan se och hålla oss till att utforska den del av det som kan nås med konventionella metoder.

Vi har skrivit många artiklar om ljusets hastighet för Space Magazine. Här är hur snabb är ljusets hastighet? Hur flyttar galaxer snabbare än ljus ?, Hur kan rymdsresor snabbare än ljusets hastighet? Och bryta ljusets hastighet.

Här är en cool kalkylator som låter dig konvertera många olika enheter för ljusets hastighet, och här är en relativitetskalkylator, om du ville resa nästan ljusets hastighet.

Astronomy Cast har också ett avsnitt som tar upp frågor om ljusets hastighet - Questions Show: Relativity, Relativity och mer Relativity.

källor: