Zeptejte Se Ethana: Pohybuje Se Světlo Vždy Stejnou Rychlostí?

zobrazuje mimo jiné hvězdy, plyn, záření a černé díry. Ale světlo přicházející ze všech těchto zdrojů, od gama paprsků po viditelné až po rádiové světlo, se vždy pohybuje stejnou rychlostí prázdným prostorem: rychlostí světla ve vakuu. NASA/ESA/SSC/CXC / STScI

bez ohledu na to, jak rychle jdete, vždy existuje jedna věc, kterou nikdy nebudete schopni chytit: světlo. Rychlost světla není jen nejrychlejší rychlostí, kterou může cokoli ve vesmíru cestovat, je považována za univerzální konstantu. Zda budeme svítit baterkou, podívejte se na Měsíc, nebo Slunce, nebo opatření galaxy od miliard světelných let daleko, rychlost světla je jedna věc, která se nikdy nemění. Ale je to opravdu pravda? To chce Violet Brettschneider vědět:

pohybuje se světlo vždy stejnou rychlostí? Pokud je něco zpomaleno, zůstane pomalejší poté, co již není zpomaleno? Bude rychlost zpět na rychlost světla?

Začněme tím, jaké světlo je na základní úrovni: částice.

pole šířící se rychlostí světla definuje, co je elektromagnetické záření. Nejmenší jednotka (nebo kvantová) elektromagnetického záření je známá jako foton. Public domain image

To nemusí vypadat jako částice, když vidíte, že to přijde od zdroje světla jako žárovky, baterky, laserové ukazovátko, nebo i Slunce, ale to proto, že nejsme dobře vybavené vidět jednotlivé částice. Pokud místo našich očí použijeme elektronické fotodetektory, zjistíme, že veškeré světlo ve vesmíru je tvořeno stejným typem částic: fotonem. Má několik vlastností, které jsou stejné mezi všemi fotony:

• jeho hmotnost (což je 0),
• jeho rychlost (což je vždy c, rychlost světla),
• jeho spin (což je vždy 1, míra jeho vnitřní moment hybnosti),

a jedno velmi důležité, že se liší: jeho energie. Fialové světlo má nejvíce energie ze všech fotonů, které jsou viditelné lidským očím, zatímco červená má nejméně energie ze všech viditelných fotonů. Při ještě nižších energiích jsou infračervené, mikrovlnné a rádiové fotony, zatímco ultrafialové, rentgenové a gama fotony lze nalézt při vyšších energiích.

, které odpovídají různým částem elektromagnetického spektra. NASA a Wikimedia Commons uživatel Inductiveload

přes vakuum vesmíru, bez ohledu na to, jaká je jejich energie, vždy cestují rychlostí světla. Nezáleží na tom, jak rychle pronásledujete nebo běžíte ke světlu, buď; ta rychlost, kterou si prohlížíte, bude vždy stejná. Věc, která se místo rychlosti posouvá, bude energie světla. Pohybujte se směrem ke světlu a zdá se, že je modřejší a zvyšuje ho na vyšší energie. Vzdalte se od něj a zdá se, že je červenější, posunutý na nižší energie. Ale nic z toho, bez ohledu na to, jak se pohybujete, jak se světlo pohybuje, nebo jak měníte energii, způsobí změnu rychlosti světla. Foton s nejvyšší energií a foton s nejnižší energií, jaký kdy byl pozorován, oba cestují přesně stejnou rychlostí.

světlo, včetně fotonových, gluonových a gravitačních vln, které nesou elektromagnetické, silné jaderné a gravitační interakce. NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

Ale pokud jste ochotni krok mimo vakuum a do materiálu, je možné zpomalit světlo. Jakýkoli materiál, který je průhledný pro světlo, bude mít tyto fotony, včetně vody, akrylu, krystalů, skla a dokonce i vzduchu. Ale protože v těchto materiálech jsou nabité částice – zejména elektrony-interagují s fotony takovým způsobem, že je zpomalují. Světlo, i když není nabité, se chová jako vlna. Jak se foton pohybuje prostorem, vykazuje oscilační elektrická a magnetická pole a může interagovat s nabitými částicemi. Tyto interakce ji zpomalují a způsobují, že se pohybuje rychlostí menší, než je rychlost světla, pokud jsou v materiálu.

prism ukazuje, jak se světlo různých energií pohybuje různými rychlostmi médiem, ale ne vakuem. University of Iowa

různé fotony mají různé energie, což také znamená, že jejich elektrické a magnetické pole oscilují různými rychlostmi. Zatímco rychlost všech různých typů světla je ve vakuu stejná, tyto rychlosti se mohou lišit v jakémkoli médiu. Svítí bílé světlo (tvořené všemi barvami) kapkou vody nebo hranolem a energičtější fotony zpomalí ještě více než ty méně energetické, což způsobí oddělení barev.

duhy jsou způsobeny slunečním zářením interagujícím s kapičkami vody, zatímco zbývající duhy vznikají z dalších odrazů ve vodě níže. Barvy se oddělují kvůli rozdílným rychlostem světla fotonů různých energií prostřednictvím média, v tomto případě vody. Terje o. Nordvik přes astronomický Obrázek dne NASA

takto zářící světlo kapičkami vody vytváří duhu, protože fotony různých energií interagují s nabitými částicemi v médiu (a zpomalují) různými množstvími.

kapičky mají za následek oddělení světla v různých úhlech, červené světlo se pohybuje rychleji a fialové světlo se pohybuje pomaleji médiem vody. Science Learning Hub/public domain

je však důležité si uvědomit, že ve všech těchto věcech se nic nemění na samotném světle. Neztrácí energii; nemění své základní, vnitřní vlastnosti; neproměňuje se v nic jiného. Vše, co se mění, je prostor kolem něj. Když toto světlo opustí médium a vrátí se zpět do vakua, vrátí se k pohybu rychlostí světla ve vakuu: 299,792,458 metrů za sekundu. Ve skutečnosti samotná definice vzdálenosti i času-to, co definuje „metr“ nebo „sekundu“ – pochází ze samotného světla. Atomy mohou absorbovat nebo emitovat světlo, v závislosti na tom, jak elektrony v přechodu atomu.

Delta_f1, je přechod, který definuje metr, druhý a rychlost světla. A. Fischer et al., Journal of Acoustical Society of America (2013)

Cesium, 55. prvek v periodické tabulce, má 55 elektronů v jediném stabilním neutrálním atomu. Prvních 54 elektronů obvykle žije v nejnižším energetickém stavu, ale 55. má dvě možné energetické úrovně, které může obsadit, které jsou extrémně blízko u sebe. Pokud přechází z mírně vyššího na mírně nižší, jde tato energie do fotonu velmi specifické, dobře definované energie. Pokud vezmeme 9 192 631 770 cyklů tohoto fotonu, tak definujeme jednu sekundu. Pokud vezmete vzdálenost, kterou urazí v cyklech 30.663319 (což je 9,192,631,770 děleno 299,792,458), dostanete definici jednoho metru.

to nás učí něco fenomenálně hlubokého: dokud jsou atomy všude ve vesmíru stejné, pak se naše definice času, délky a rychlosti světla nikdy nezmění, bez ohledu na to, kde a kdy se podíváme do vesmíru.

vesmír, fyzika, která řídí atomy, a proto naše definice délky, času a rychlosti světla jsou přesně stejné. NASA, ESA / Hubble, HST Frontier Fields

takže co se naučíme, dát to všechno dohromady?

1. světlo, bez ohledu na to, jak vysoká nebo nízká energie, se vždy pohybuje rychlostí světla, pokud cestuje vakuem prázdného prostoru.
2. nic, co uděláte pro svůj vlastní pohyb nebo pro pohyb světla, tuto rychlost nezmění.
3. předáním tohoto světla do média bez vakua můžete změnit jeho rychlost, pokud je v tomto médiu.
4. světlo různé energie změní svou rychlost o mírně odlišné množství v závislosti na vlastnostech tohoto média.
5. jakmile opustíte toto médium a vrátíte se zpět do vakua, světlo se vrátí k pohybu rychlostí světla.
6. a podle našich nejlepších znalostí a měření má rychlost světla stejnou hodnotu 299,792,458 m / s po celou dobu a na všech místech ve vesmíru.

v mnoha ohledech je světlo nejjednodušší částicí ve vesmíru. I když se vždy pohybuje rychlostí světla, ne vždy se pohybuje zcela prázdným prostorem. Dokud je ve vesmíru hmota, která je průhledná pro světlo, nebudete se moci vyhnout zpomalení. Ale jakmile to světlo míří zpět do prázdného prostoru znovu, je to zpátky k rychlosti světla ve vakuu, s každý foton pohybuje, jako by to nikdy se stěhoval na jinou rychlost!

Pošlete své dotazy a zeptejte se Ethan na startswithabang na gmail dot com!