näkyy muun muassa tähtiä, kaasua, säteilyä ja mustia aukkoja. Mutta kaikista näistä lähteistä tuleva valo, gammasäteistä näkyvään radiovaloon, liikkuu aina samalla nopeudella tyhjän tilan läpi: valon nopeudella tyhjiössä. NASA/ESA/SSC/CXC/STScI
vaikka menisi kuinka lujaa, aina on yksi asia, jota ei saa kiinni: valo. Valonnopeus ei ole vain universumin nopein nopeus, vaan sitä pidetään universaalivakiona. Valaisemmepa taskulamppua, katsommepa kuuta tai aurinkoa tai mittaammepa galaksia miljardien valovuosien päästä, valonnopeus on ainoa asia, joka ei koskaan muutu. Mutta onko se todella totta? Sen Violet Brettschneider haluaa tietää:
liikkuuko valo aina samalla nopeudella? Jos sitä hidastaa jokin, will on pysyä hitaammin, kun sitä ei enää hidasteta? Palaako nopeus valon nopeuteen?
aloitetaan siitä, mitä valo on perustasolla: hiukkanen.
valonnopeudella etenevät kentät määrittelevät, mitä sähkömagneettinen säteily on. Sähkömagneettisen säteilyn pienin yksikkö (tai kvantti) tunnetaan fotonina. Public domain image
se ei ehkä näytä hiukkaselta, kun näet sen tulevan valonlähteestä kuten lampusta, taskulampusta, laserosoittimesta tai jopa auringosta, mutta se johtuu siitä, että emme ole hyvin varustautuneet näkemään yksittäisiä hiukkasia. Jos käytämme elektronisia valonheittimiä silmiemme sijasta, huomaamme, että kaikki universumin valo koostuu samantyyppisestä hiukkasesta: fotonista. Sillä on muutamia ominaisuuksia, jotka ovat samat kaikkien fotonien välillä:
- sen massa (joka on 0),
- sen nopeus (joka on aina C, valonnopeus),
- sen spin (joka on aina 1, sen sisäisen kulmamomentin mitta),
ja yksi hyvin tärkeä, joka vaihtelee: sen energia. Violetilla valolla on eniten energiaa kaikista ihmissilmille näkyvistä fotoneista, kun taas punaisella on vähiten energiaa kaikista näkyvistä fotoneista. Vielä pienemmällä energialla ovat infrapuna -, mikroaaltouuni-ja radiofotonit, kun taas korkeammalla energialla voidaan löytää ultravioletti -, röntgen-ja gammasäteilyfotoneja.
, jotka vastaavat sähkömagneettisen spektrin eri osia. NASA ja Wikimedia Commons user Inductiveload
avaruuden tyhjiön läpi, oli niiden energia mikä tahansa, ne kulkevat aina valonnopeudella. Sillä ei ole väliä kuinka nopeasti perässä tai ajaa kohti valoa, joko; että nopeus näet sen matkustaa on aina sama. Asia, joka liikkuu, eikä sen nopeus, on valon energia. Jos liikut valoa kohti, se näyttää sinisemmältä ja kiihdyttää sen korkeampaan energiaan. Jos siirryt kauemmas siitä, se näyttää punaisemmalta ja siirtyy pienempiin energioihin. Mutta mikään tuosta ei, riippumatta siitä miten liikut, miten saat valon liikkumaan tai miten muutat energiaa, saa valon nopeutta muuttumaan. Korkeaenergiaisin fotoni ja pienienergiaisin fotoni, joita on koskaan havaittu, kulkevat molemmat täsmälleen samalla nopeudella.
valo, mukaan lukien fotoni, gluoni ja gravitaatioaallot, jotka kuljettavat sähkömagneettisia, voimakkaita ydin-ja gravitaatioaaltoja. NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
mutta jos haluaa astua tyhjiön ulkopuolelle materiaaliin, on mahdollista hidastaa valoa. Kaikki valolle läpinäkyvä materiaali saa fotonit kulkemaan sen läpi, mukaan lukien vesi, akryyli, kiteet, lasi ja jopa ilma. Mutta koska näissä aineissa on varautuneita hiukkasia-erityisesti elektroneja-ne vuorovaikuttavat fotonien kanssa siten, että ne hidastavat niitä. Valo, vaikka se ei ole ladattu, käyttäytyy kuin aalto. Liikkuessaan avaruudessa fotoni esittää värähteleviä sähkö-ja magneettikenttiä ja voi vuorovaikuttaa varattujen hiukkasten kanssa. Nämä vuorovaikutukset hidastavat sitä ja saavat sen liikkumaan valonnopeutta pienemmällä nopeudella niin kauan kuin ne ovat materiaalissa.
Prisma osoittaa, kuinka eri energioiden valo liikkuu eri nopeuksilla väliaineen läpi, mutta ei tyhjiön läpi. Iowan yliopiston
eri fotoneilla on eri energiat, mikä tarkoittaa myös, että niiden sähkö-ja magneettikentät värähtelevät eri nopeudella. Vaikka kaikkien eri valotyyppien nopeus on sama tyhjiössä, nämä nopeudet voivat olla erilaisia missä tahansa väliaineessa. Säteile valkoista valoa (joka koostuu kaikista väreistä) vesipisaran tai prisman läpi, ja energisemmät fotonit hidastavat vauhtiaan jopa enemmän kuin vähemmän energiset, jolloin värit erkanevat toisistaan.
sateenkaaret johtuvat siitä, että auringonvalo vuorovaikuttaa vesipisaroiden kanssa, kun taas loput sateenkaaret syntyvät lisäheijastuksista alla olevassa vedessä. Värit eroavat toisistaan johtuen eri energioiden fotonien valonnopeuksista väliaineen, tässä tapauksessa veden, kautta. Terje O. Nordvik Nasan Päiväkuvan
kautta näin vesipisaroiden läpi hohtava valo luo sateenkaaren, koska eri energioiden fotonit vuorovaikuttavat väliaineen varautuneiden hiukkasten kanssa (ja hidastuvat) eri määriä.
pisaran seurauksena valo erkanee eri kulmissa, jolloin punainen valo liikkuu nopeammin ja violetti valo hitaammin veden väliaineen läpi. Science Learning Hub/public domain
tässä kaikessa on kuitenkin tärkeää muistaa, että itse valossa mikään ei muutu. Se ei menetä energiaa.; se ei muuta perusominaisuuksiaan; se ei muutu miksikään muuksi. Vain tila ympärillä muuttuu. Kun tuo valo poistuu väliaineesta ja menee takaisin tyhjiöön, se siirtyy takaisin valon nopeudella tyhjiössä: 299 792 458 metriä sekunnissa. Itse asiassa juuri se määritelmä, joka meillä on sekä etäisyydestä että ajasta — mikä määrittelee ”metrin” tai ”sekunnin” — tulee valosta itsestään. Atomit voivat absorboida tai emittoida valoa riippuen siitä, miten elektronit atomin sisällä siirtyvät.
Delta_f1, on siirtymä, joka määrittelee mittarin, sekunnin ja valonnopeuden. A. Fischer ym., Journal of the Acoustical Society of America (2013)
cesium, jaksollisen järjestelmän 55.alkuaine, sisältää 55 elektronia yhdessä, vakaassa, neutraalissa atomissa. Ensimmäiset 54 elektronia elävät tyypillisesti alimmassa energiatilassa, mutta 55.elektronilla on kaksi mahdollista energiatasoa, jotka ovat äärimmäisen lähellä toisiaan. Jos se siirtyy hieman korkeammasta hieman matalampaan, se energia menee fotoniin, joka on hyvin tarkkaan määritelty energia. Jos otatte 9 192 631 770 sykliä siitä fotonista, niin me määrittelemme yhden sekunnin. Jos otat matkan se kulkee 30.663319 sykliä (joka on 9,192,631,770 jaettuna 299,792,458), saat määritelmän yksi metri.
tämä opettaa meille jotain ilmiömäisen syvällistä: niin kauan kuin atomit ovat samanlaisia kaikkialla maailmankaikkeudessa, meidän määritelmämme ajasta, pituudesta ja valonnopeudesta eivät koskaan muutu, riippumatta siitä, minne tai milloin katsomme maailmankaikkeutta.
maailmankaikkeus, atomeja hallitseva fysiikka, ja siten meidän määritelmämme pituudesta, ajasta ja valonnopeudesta, ovat täsmälleen samat. NASA, ESA / Hubble, HST Frontier Fields
so what do we learn, putting all this together?
- valo liikkuu aina valonnopeudella riippumatta siitä, kuinka suuri tai matala energia on, kunhan se kulkee tyhjän tilan tyhjiössä.
- mikään, mitä teet omalle tai valon liikkeelle, ei muuta tuota nopeutta.
- siirtämällä tuo valo ei-tyhjiöön, voit muuttaa sen nopeutta niin kauan kuin se on kyseisessä väliaineessa.
- eri energiainen valo muuttaa nopeuttaan hieman eri määriä riippuen väliaineen ominaisuuksista.
- kun tuosta väliaineesta lähtee ja palaa taas tyhjiöön, se valo palaa kulkemaan valon nopeudella.
- ja parhaan tietämyksemme ja mittaustemme mukaan valonnopeudella on sama arvo 299 792 458 m / s kaikkina aikoina ja kaikissa paikoissa maailmankaikkeudessa.
monin tavoin valo on maailmankaikkeuden yksinkertaisin hiukkanen. Vaikka se liikkuu aina valonnopeudella, se ei aina liiku täysin tyhjän tilan läpi. Niin kauan kuin maailmankaikkeudessa on ainetta, joka on läpinäkyvää valolle, et voi välttää hidastamasta sitä. Mutta heti kun valo palaa takaisin tyhjään avaruuteen, se palaa valon nopeuteen tyhjiössä, jokaisen fotonin liikkuessa aivan kuin se ei olisi koskaan liikkunut millään muulla nopeudella!
lähetä Ask Ethan-kysymyksesi starttaamaan gmail dot comissa!