viser blandt andet stjerner, gas, stråling og sorte huller. Men lyset, der kommer fra alle disse kilder, fra gammastråler til synligt for radiolys, bevæger sig altid med samme hastighed gennem tomt rum: lysets hastighed i et vakuum. Uanset hvor hurtigt du går ,er der altid en ting, du aldrig vil kunne fange: lys. Lysets hastighed er ikke kun den hurtigste hastighed, som noget i universet kan rejse, det betragtes som en universel konstant. Uanset om vi skinner en lommelygte, ser på månen eller solen eller måler en galakse fra milliarder af lysår væk, er lysets hastighed den eneste ting, der aldrig ændrer sig. Men er det virkelig sandt? Det er, hvad Violet Brettschneider ønsker at vide:
bevæger lyset altid med samme hastighed? Hvis det er bremset af noget, vil det forblive langsommere, efter at det ikke længere er bremset? Vil hastigheden tilbage op til lysets hastighed?
lad os starte med, hvad lys er på et grundlæggende niveau: en partikel.
felter, der formerer sig ved lysets hastighed, definerer, hvad elektromagnetisk stråling er. Den mindste enhed (eller kvante) af elektromagnetisk stråling er kendt som en foton. Public domain image
det ligner måske ikke en partikel, når du ser den komme fra en lyskilde som en pære, en lommelygte, en laserpeger eller endda solen, men det er fordi vi ikke er veludstyrede til at se individuelle partikler. Hvis vi bruger elektroniske fotodetektorer i stedet for vores øjne, opdager vi, at alt lys i universet består af den samme type partikel: fotonet. Det har et par egenskaber, der er de samme mellem alle fotoner:
- dens masse (som er 0),
- dens hastighed (som altid er c, lysets hastighed),
- dens spin (som altid er 1, et mål for dets indre vinkelmoment),
og en meget vigtig, der varierer: dens energi. Violet lys har mest energi af enhver foton, der er synlig for menneskelige øjne, mens rød har mindst energi af enhver synlig foton. Ved endnu lavere energier er infrarøde, mikrobølge-og radiofotoner, mens ultraviolette, røntgen-og gammastrålefotoner kan findes ved højere energier.
, der svarer til forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum. Gennem rummets vakuum, uanset hvad deres energi er, rejser de altid med lysets hastighed. Det betyder ikke noget, hvor hurtigt du jager efter eller løber mod lys, enten; den hastighed, du ser det på, vil altid være den samme. Det, der skifter, i stedet for dets hastighed, vil være lysets energi. Bevæg dig mod lys, og det ser blåere ud, hvilket øger det til højere energier. Flyt væk fra det, og det ser rødere ud, skiftet til lavere energier. Men intet af det, uanset hvordan du bevæger dig, hvordan du får lyset til at bevæge sig, eller hvordan du ændrer energien, vil få lysets hastighed til at ændre sig. Den højeste energi foton og den laveste energi foton nogensinde observeret begge rejser med nøjagtig samme hastighed.
lys, herunder foton, gluon og gravitationsbølger, som bærer henholdsvis de elektromagnetiske, stærke nukleare og gravitationsinteraktioner. NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet
men hvis du er villig til at træde uden for et vakuum og ind i et materiale, er det muligt at bremse lyset ned. Ethvert materiale, der er gennemsigtigt for lys, vil få disse fotoner til at rejse gennem det, herunder vand, akryl, krystaller, glas og endda luft. Men fordi der er ladede partikler i disse materialer — især elektroner — interagerer de med fotonerne på en sådan måde, at de bremser dem. Lys, selvom det ikke er opladet, opfører sig som en bølge. Når en foton bevæger sig gennem rummet, udviser den oscillerende elektriske og magnetiske felter og kan interagere med ladede partikler. Disse interaktioner sænker det og får det til at bevæge sig med en hastighed, der er mindre end lysets hastighed, så længe de er i et materiale.
prism demonstrerer, hvordan lys af forskellige energier bevæger sig i forskellige hastigheder gennem et medium, men ikke gennem et vakuum. Forskellige fotoner har forskellige energier, hvilket også betyder, at deres elektriske og magnetiske felter svinger i forskellige hastigheder. Mens hastigheden af alle forskellige typer lys er den samme i et vakuum, kan disse hastigheder være forskellige i enhver form for medium. Skinne hvidt lys (bestående af alle farverne) gennem en dråbe vand eller et prisme, og de mere energiske fotoner vil bremse endnu mere end de mindre energiske, hvilket får farverne til at adskille sig.
regnbuer skyldes sollys, der interagerer med vanddråber, mens de resterende regnbuer stammer fra yderligere refleksioner i vandet nedenfor. Farver adskilles på grund af de forskellige lyshastigheder for fotoner med forskellige energier gennem et medium, i dette tilfælde vand. Terje O. Nordvik via NASAs Astronomibillede af dagen
Sådan skaber skinnende lys gennem vanddråber en regnbue, fordi fotoner med forskellige energier interagerer med de ladede partikler i et medium (og sænkes) med forskellige mængder.
dråbe resulterer i, at lys adskilles i forskellige vinkler, hvor rødt lys bevæger sig hurtigere og violet lys bevæger sig langsommere gennem vandmediet. Science Learning Hub / public domain
hvad der er vigtigt at huske, er dog i alt dette, at intet ændrer sig om selve lyset. Det mister ikke energi; det ændrer ikke sine grundlæggende, iboende egenskaber; det omdannes ikke til noget andet. Alt, hvad der ændrer sig, er rummet omkring det. Når det lys forlader mediet og går tilbage i vakuum, går det tilbage til at bevæge sig med lysets hastighed i vakuum: 299.792.458 meter i sekundet. Faktisk kommer selve definitionen, som vi har af både afstand og tid — hvad der definerer en “meter” eller et “sekund” — fra selve lyset. Atomer kan absorbere eller udsende lys, afhængigt af hvordan elektronerne inden for et atom overgår.
Delta_f1, er overgangen, der definerer måleren, anden og lysets hastighed. A. Fischer et al., Journal of the Acoustical Society of America (2013)
cæsium, det 55.element i det periodiske system, har 55 elektroner i et enkelt, stabilt, neutralt atom. De første 54 elektroner lever typisk i den laveste energitilstand, men den 55.har to mulige energiniveauer, den kan optage, der er ekstremt tæt på hinanden. Hvis den overgår fra den lidt højere til den lidt lavere, går denne energi ind i en foton af en meget bestemt, veldefineret energi. Hvis du tager 9.192.631.770 cykler af den foton, er det sådan, vi definerer et sekund. Hvis du tager den afstand, den kører i 30.663319 cyklusser (hvilket er 9.192.631.770 divideret med 299.792.458), får du definitionen af en meter.
dette lærer os noget fænomenalt dybtgående: så længe atomer er de samme overalt i universet, vil vores definitioner af tid, længde og lysets hastighed aldrig ændre sig, uanset hvor eller hvornår vi ser i universet.
universet, fysikken, der styrer atomer, og derfor er vores definitioner af længde, tid og lysets hastighed nøjagtigt de samme. NASA, ESA / Hubble, HST Frontier Fields
Så hvad lærer vi, at sætte alt dette sammen?
- lys, uanset hvor høj eller lav energi, bevæger sig altid med lysets hastighed, så længe det rejser gennem vakuumet i det tomme rum.
- intet du gør til din egen bevægelse eller til lysets bevægelse vil ændre denne hastighed.
- ved at føre det lys ind i et ikke-vakuummedium kan du ændre dets hastighed, så længe det er i det medium.
- lys af forskellig energi vil ændre sin hastighed med lidt forskellige mængder afhængigt af egenskaberne af dette medium.
- når du forlader dette medium og går tilbage i et vakuum igen, går det lys tilbage til at bevæge sig med lysets hastighed.
- og efter vores bedste viden og målinger har lysets hastighed den samme værdi på 299.792.458 m/s til enhver tid og alle steder i universet.
på mange måder er lys den enkleste partikel i universet. Selvom det altid bevæger sig med lysets hastighed, bevæger det sig ikke altid gennem helt tomt rum. Så længe der er stof i universet, der er gennemsigtigt for lys, vil du ikke være i stand til at undgå at bremse det. Men så snart det lys går tilbage i tomt rum igen, er det tilbage til lysets hastighed i vakuum, med hver foton bevæger sig som om den aldrig havde bevæget sig med nogen anden hastighed overhovedet!
Send dine Ask Ethan-spørgsmål til start med at hænge på gmail dot com!