HVAD ER LYSETS HASTIGHED?

Send

Siden oldtiden har filosoffer og lærde forsøgt at forstå lys. Foruden at forsøge at skelne dets grundlæggende egenskaber (dvs. hvad er det lavet af - partikel eller bølge osv.) Har de også forsøgt at foretage begrænsede målinger af, hvor hurtigt den kører. Siden slutningen af 1600-tallet har forskere gjort netop det og med stigende nøjagtighed.

Dermed har de fået en bedre forståelse af lysets mekanik og den vigtige rolle, det spiller i fysik, astronomi og kosmologi. Kort sagt, let bevæger sig i utrolige hastigheder og er den hurtigst bevægende ting i universet. Dets hastighed betragtes som en konstant og en uknuselig barriere og bruges som et middel til at måle afstand. Men hvor hurtigt kører det?

Lysets hastighed (c):

Lys kører med en konstant hastighed på 1.079.252.848,8 (1,07 milliarder) km i timen. Det fungerer til 299.792.458 m / s eller ca. 670.616.629 km / h (miles i timen). For at sætte det i perspektiv, hvis du kunne rejse med lysets hastighed, ville du være i stand til at omgå jordkloden cirka syv og en halv gang på et sekund. I mellemtiden ville en person, der flyver med en gennemsnitlig hastighed på ca. 800 km / t (500 mph), tage over 50 timer at cirkle rundt om planeten kun én gang.

For at sætte det i et astronomisk perspektiv er den gennemsnitlige afstand fra Jorden til Månen 384.398,25 km (238.854 miles). Så lys krydser denne afstand på cirka et sekund. I mellemtiden er den gennemsnitlige afstand fra solen til jorden ~ 149.597.886 km (92.955.817 miles), hvilket betyder, at lyset kun tager ca. 8 minutter at tage denne rejse.

Så lidt underligt, hvorfor lysets hastighed er metrikken, der bruges til at bestemme astronomiske afstande. Når vi siger, at en stjerne som Proxima Centauri ligger 4,25 lysår væk, siger vi, at det ville tage - at rejse med en konstant hastighed på 1,07 milliarder km i timen (670.616.629 km / h) - cirka 4 år og 3 måneder at komme dertil. Men hvordan kom vi til denne meget specifikke måling for "lyshastighed"?

Studiens historie:

Indtil 1600-tallet var lærde usikre på, om lys rejste med en endelig hastighed eller øjeblikkeligt. Fra de gamle grækers dage til middelalderens islamske lærde og videnskabsfolk fra den tidlige moderne periode gik debatten frem og tilbage. Først blev den danske astronom Øle Rømer (1644-1710) arbejdet, den første kvantitative måling blev foretaget.

I 1676 observerede Rømer, at perioderne med Jupiters inderste måne Io så ud til at være kortere, når Jorden nærmede sig Jupiter, end da den holdt sig tilbage fra den. Herfra konkluderede han, at lys bevæger sig med en endelig hastighed, og vurderede, at det tager cirka 22 minutter at krydse diameteren af Jordens bane.

Christiaan Huygens brugte dette estimat og kombinerede det med et skøn over diameteren på Jordens bane for at få et estimat på 220.000 km / s. Isaac Newton talte også om Rømers beregninger i sit sædearbejde Opticks (1706). Justering for afstanden mellem Jorden og Solen beregnet han, at det ville tage lys syv eller otte minutter at rejse fra den ene til den anden. I begge tilfælde var de væk med en relativt lille margin.

Senere målinger foretaget af de franske fysikere Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) og Léon Foucault (1819 - 1868) raffinerede disse målinger yderligere - hvilket resulterede i en værdi på 315.000 km / s (192.625 mi / s). Og i sidste halvdel af 1800-tallet blev videnskabsmænd opmærksomme på forbindelsen mellem lys og elektromagnetisme.

Dette blev udført af fysikere, der målte elektromagnetiske og elektrostatiske ladninger, som derefter fandt, at den numeriske værdi var meget tæt på lysets hastighed (som målt ved Fizeau). Baseret på sit eget arbejde, som viste, at elektromagnetiske bølger forplantede sig i det tomme rum, foreslog den tyske fysiker Wilhelm Eduard Weber, at lys var en elektromagnetisk bølge.

Det næste store gennembrud kom i begyndelsen af det 20. århundrede / I hans papir fra 1905 med titlen "Om bevægelsesorganers elektrodynamik ”, Albert Einstein hævdede, at lysets hastighed i et vakuum, målt af en ikke-accelererende observatør, er den samme i alle inertielle referencerammer og uafhængigt af bevægelsen fra kilden eller observatøren.

Ved hjælp af dette og Galileos relativitetsprincip som basis afledt Einstein teorien om særlig relativitet, hvor lysets hastighed i vakuum (c) var en grundlæggende konstant. Før dette hævdede den arbejdende konsensus blandt videnskabsmænd, at rummet var fyldt med en "lysende aether", der var ansvarlig for dens udbredelse - dvs. at lys, der rejser gennem et bevægende medium, ville blive trukket med af mediet.

Dette betød igen, at lysets målte hastighed ville være en simpel sum af dens hastighed igennem mediet plus hastigheden af det medium. Imidlertid gjorde Einsteins teori effektivt konceptet om den stationære aether ubrugelig og revolutionerede begreberne rum og tid.

Ikke kun fremmet idéen om, at lysets hastighed er den samme i alle inertielle referencerammer, den introducerede også tanken om, at der sker store ændringer, når ting bevæger sig tæt på lysets hastighed. Disse inkluderer tidsrumsrammen for et bevægeligt legeme, der ser ud til at bremse og sammentrække i bevægelsesretningen, når det måles i observatørens ramme (dvs. tidsudvidelse, hvor tiden går langsommere når lysets hastighed nærmer sig).

Hans observationer forenede også Maxwells ligninger for elektricitet og magnetisme med mekanikens love, forenklede de matematiske beregninger ved at fjerne sig med fremmede forklaringer, der blev anvendt af andre forskere, og stemte overens med den direkte observerede lyshastighed.

I løbet af anden halvdel af det 20. århundrede ville stigende nøjagtige målinger ved hjælp af laserinferometre og hulrumsresonanseteknikker yderligere begrænse skøn over lysets hastighed. I 1972 brugte en gruppe ved US National Bureau of Standards i Boulder, Colorado, laserinferometerteknikken til at få den i øjeblikket anerkendte værdi på 299.792.458 m / s.

Roll i moderne astrofysik:

Einsteins teori om, at lysets hastighed i vakuum er uafhængig af bevægelsen fra kilden og den inertielle referenceramme for observatøren er siden blevet konsekvent bekræftet af mange eksperimenter. Det sætter også en øvre grænse for de hastigheder, hvormed alle masseløse partikler og bølger (som inkluderer lys) kan bevæge sig i et vakuum.

Ét af udvæksterne heraf er, at kosmologer nu behandler rum og tid som en enkelt, samlet struktur kendt som rumtid - hvor lysets hastighed kan bruges til at definere værdier for begge (dvs. "lysår", "lysminutter" og “Lette sekunder”). Målingen af lysets hastighed er også blevet en vigtig faktor, når man bestemmer hastigheden for den kosmiske ekspansion.

Fra og med 1920'erne med observationer af Lemaitre og Hubble blev videnskabsmænd og astronomer opmærksomme på, at universet ekspanderer fra et sted. Hubble observerede også, at jo længere væk en galakse er, jo hurtigere ser det ud til at bevæge sig. I det, der nu omtales som Hubble-parametret, beregnes hastigheden, som universet ekspanderer til, til 68 km / s pr. Megaparsek.

Disse fænomener, som er blevet teoretiseret til at betyde, at nogle galakser faktisk kunne bevæge sig hurtigere end lysets hastighed, kan muligvis sætte en grænse for, hvad der kan observeres i vores univers. I det væsentlige ville galakser, der rejser hurtigere end lysets hastighed, krydse en "kosmologisk begivenhedshorisont", hvor de ikke længere er synlige for os.

På 1990'erne viste også rødskiftmålinger af fjerne galakser, at universets udvidelse er blevet accelereret i de sidste par milliarder år. Dette har ført til teorier som ”Mørk energi”, hvor en usynlig kraft driver udvidelsen af rummet i stedet for genstande, der bevæger sig gennem det (og dermed ikke lægger begrænsninger for lysets hastighed eller krænker relativitet).

Sammen med speciel og generel relativitet er den moderne værdi af lyshastigheden i et vakuum fortsat med at informere kosmologi, kvantefysik og standardmodellen for partikelfysik. Det forbliver en konstant, når man taler om den øvre grænse, hvormed masseløse partikler kan bevæge sig, og forbliver en uovervindelig barriere for partikler, der har masse.

Måske en dag vil vi finde en måde at overskride lysets hastighed på. Selvom vi ikke har nogen praktiske ideer til, hvordan dette kan ske, ser de smarte penge ud til at være på teknologier, der giver os mulighed for at omgå lovgivningen i rumtid, enten ved at oprette varpbobler (også kendt som Alcubierre Warp Drive) eller gennem tunneling gennem den ( alias ormehuller.

Indtil den tid er vi bare nødt til at være tilfredse med det univers, vi kan se, og holde os til at udforske den del af det, der kan nås ved hjælp af konventionelle metoder.

Vi har skrevet mange artikler om lyshastigheden for Space Magazine. Her er hvor hurtig er lysets hastighed? Hvordan bevæger galakser sig hurtigere end lyset? Hvordan kan rumrejsen være hurtigere end lysets hastighed? Og bryde lysets hastighed.

Her er en cool regnemaskine, der giver dig mulighed for at konvertere mange forskellige enheder til lysets hastighed, og her er en relativitetskalkulator, i tilfælde af at du ville rejse næsten lysets hastighed.

Astronomy Cast har også en episode, der adresserer spørgsmål om lysets hastighed - Questions Show: Relativity, Relativity og mere Relativity.

Kilder: