pokazuje między innymi Gwiazdy, Gaz, promieniowanie i czarne dziury. Ale światło pochodzące ze wszystkich tych źródeł, od promieniowania gamma do światła widzialnego i radiowego, zawsze porusza się z tą samą prędkością przez pustą przestrzeń: prędkość światła w próżni. NASA/ESA/SSC/CXC/STScI
bez względu na to, jak szybko pójdziesz, zawsze jest jedna rzecz, której nigdy nie będziesz w stanie złapać: światło. Prędkość światła jest nie tylko najszybszą prędkością, jaką może poruszać się cokolwiek we wszechświecie, ale jest uważana za uniwersalną stałą. Niezależnie od tego, czy świecimy latarką, patrzymy na Księżyc lub słońce, czy mierzymy galaktykę z odległości miliardów lat świetlnych, prędkość światła jest jedyną rzeczą, która nigdy się nie zmienia. Ale czy to prawda? To właśnie chce wiedzieć Violet Brettschneider:
czy światło zawsze porusza się z tą samą prędkością? Jeśli zostanie spowolniony przez coś, will pozostanie wolniejszy po tym, jak nie jest już spowolniony? Czy prędkość powróci do prędkości światła?
zacznijmy od tego, czym jest światło na podstawowym poziomie: cząstka.
pola propagujące się z prędkością światła określają czym jest promieniowanie elektromagnetyczne. Najmniejsza jednostka (lub kwant) promieniowania elektromagnetycznego jest znana jako Foton. Obraz domeny publicznej
może nie wyglądać jak cząstka, gdy widzisz ją pochodzącą ze źródła światła, takiego jak Żarówka, latarka, wskaźnik laserowy, a nawet słońce, ale to dlatego, że nie jesteśmy dobrze przygotowani, aby zobaczyć pojedyncze cząstki. Jeśli zamiast oczu użyjemy fotodetektorów elektronicznych, odkryjemy, że całe światło we wszechświecie składa się z tego samego rodzaju cząstki: fotonu. Ma kilka właściwości, które są takie same dla wszystkich fotonów:
- jego masa (która jest 0),
- prędkość (która jest zawsze C, Prędkość światła),
- spin (który jest zawsze 1, miarą jego wewnętrznego momentu pędu),
i jeden bardzo ważny, który się zmienia: jego energia. Światło fioletowe ma najwięcej energii ze wszystkich fotonów, które są widoczne dla ludzkich oczu, podczas gdy czerwone ma najmniej energii ze wszystkich widzialnych fotonów. Przy jeszcze niższych energiach są fotony podczerwone, mikrofalowe i radiowe, podczas gdy fotony ultrafioletowe, rentgenowskie i gamma można znaleźć przy wyższych energiach.
które odpowiadają różnym częściom widma elektromagnetycznego. Użytkownicy NASA i Wikimedia Commons indukują
przez próżnię przestrzeni, bez względu na to, jaka jest ich energia, zawsze podróżują z prędkością światła. Nie ma znaczenia, jak szybko gonisz za światłem lub biegniesz w kierunku światła; prędkość, z jaką je widzisz, będzie zawsze taka sama. To, co się przesunie, zamiast prędkości, będzie energią światła. Przesuń się w kierunku światła i wydaje się bardziej niebieskawy, zwiększając go do wyższych energii. Odsuń się od niego i wydaje się bardziej czerwony, przesunięty do niższych energii. Ale nic z tego, bez względu na to, jak się poruszacie, jak poruszacie światłem, czy jak zmieniacie energię, nie spowoduje zmiany prędkości światła. Foton o najwyższej energii i Foton o najniższej energii, jakie kiedykolwiek zaobserwowano, poruszają się z dokładnie tą samą prędkością.
światło, w tym Foton, gluon i fale grawitacyjne, które przenoszą odpowiednio elektromagnetyczne, silne oddziaływania jądrowe i grawitacyjne. NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
ale jeśli chcesz wyjść poza próżnię i do materiału, możliwe jest spowolnienie światła. Każdy materiał, który jest przezroczysty dla światła, będzie miał te fotony, w tym wodę, akryl, kryształy, szkło, a nawet powietrze. Ale ponieważ w materiałach tych znajdują się naładowane cząstki — w szczególności elektrony — oddziałują one z fotonami w taki sposób, że je spowalniają. Światło, mimo że nie jest naładowane, zachowuje się jak fala. Gdy Foton porusza się w przestrzeni, wykazuje oscylujące pole elektryczne i magnetyczne oraz może oddziaływać z naładowanymi cząstkami. Te interakcje spowalniają go i powodują, że porusza się z prędkością mniejszą niż prędkość światła, dopóki znajduje się w materiale.
pryzmat pokazuje, jak światło o różnych energiach porusza się z różnymi prędkościami przez medium, ale nie przez próżnię. University of Iowa
różne fotony mają różne energie, co oznacza również, że ich pole elektryczne i magnetyczne oscylują w różnym tempie. Podczas gdy prędkość wszystkich różnych rodzajów światła jest taka sama w próżni, prędkości te mogą być różne w dowolnym medium. Świeć białym światłem (złożonym ze wszystkich kolorów) przez kroplę wody lub pryzmat, a bardziej energiczne fotony spowolnią nawet bardziej niż mniej energiczne, powodując rozdzielenie kolorów.
tęcze są wynikiem oddziaływania światła słonecznego z kropelkami wody, podczas gdy pozostałe tęcze powstają z dodatkowych odbić w wodzie poniżej. Kolory oddzielają się ze względu na różne prędkości światła fotonów o różnych energiach przez medium, w tym przypadku wodę. Terje O. Nordvik via NASA ’ s Astronomy Picture of the Day
w ten sposób świecące światło przez krople wody tworzy tęczę, ponieważ fotony o różnych energiach oddziałują z naładowanymi cząstkami w medium (i spowalniają) w różnych ilościach.
kropla powoduje rozdzielenie światła pod różnymi kątami, przy czym światło czerwone porusza się szybciej, a światło fioletowe porusza się wolniej przez medium wody. Science Learning Hub/public domain
ważne jest jednak, aby pamiętać, że w tym wszystkim nic się nie zmienia w samym świetle. Nie traci energii; nie zmienia swoich podstawowych, wewnętrznych właściwości; nie przekształca się w nic innego. Wszystko, co się zmienia, to przestrzeń wokół niego. Kiedy światło opuszcza medium i wraca do próżni, wraca do ruchu z prędkością światła w próżni: 299 792 458 metrów na sekundę. W rzeczywistości sama definicja odległości i czasu, która definiuje „metr” lub „sekundę”, pochodzi od samego światła. Atomy mogą absorbować lub emitować światło, w zależności od tego, jak elektrony w przejściu atomu.
Delta_f1, to przejście, które definiuje metr, sekundę i prędkość światła. A. Fischer et al., Journal of the Acoustical Society of America (2013)
CEZ, 55 pierwiastek w układzie okresowym, ma 55 elektronów w jednym, stabilnym, neutralnym atomie. Pierwsze 54 elektrony zazwyczaj żyją w najniższym stanie energetycznym, ale 55. ma dwa możliwe poziomy energii, które może zająć, które są bardzo blisko siebie. Jeśli przechodzi z nieco wyższej do nieco niższej, ta energia przechodzi w Foton o bardzo konkretnej, dobrze zdefiniowanej energii. Jeśli weźmiemy 9,192,631,770 cykli tego fotonu, tak zdefiniujemy jedną sekundę. Jeśli weźmiemy odległość, którą pokonuje w 30,663319 cykli (co jest 9,192,631,770 podzielone przez 299,792,458), otrzymamy definicję jednego metra.
to uczy nas czegoś fenomenalnie głębokiego: dopóki atomy są takie same wszędzie we wszechświecie, nasze definicje czasu, długości i prędkości światła nigdy się nie zmienią, bez względu na to, gdzie i kiedy patrzymy we wszechświecie.
Wszechświat, fizyka rządząca atomami, a zatem nasze definicje długości, czasu i prędkości światła, są dokładnie takie same. NASA, ESA/Hubble, HST Frontier Fields
więc czego się nauczymy, składając to wszystko razem?
- światło, bez względu na to, jak bardzo ma wysoką lub niską energię, zawsze porusza się z prędkością światła, tak długo, jak porusza się przez próżnię pustej przestrzeni.
- nic, co zrobisz z własnym ruchem lub ruchem światła, nie zmieni tej prędkości.
- przekazując to światło do ośrodka bez próżni, możesz zmienić jego prędkość, o ile jest w tym ośrodku.
- światło o różnej energii zmieni swoją prędkość o nieco inne ilości, w zależności od właściwości tego medium.
- po opuszczeniu tego medium i ponownym powrocie do próżni, to światło wraca do ruchu z prędkością światła.
- i zgodnie z naszą najlepszą wiedzą i pomiarami, prędkość światła ma tę samą wartość 299,792,458 m / s przez cały czas i we wszystkich miejscach we wszechświecie.
pod wieloma względami światło jest najprostszą cząstką we wszechświecie. Mimo że porusza się zawsze z prędkością światła, nie zawsze porusza się przez całkowicie pustą przestrzeń. Dopóki we wszechświecie istnieje materia, która jest przezroczysta dla światła, nie będziesz w stanie jej spowolnić. Ale jak tylko to światło wraca do pustej przestrzeni, wraca do prędkości światła w próżni, z każdym fotonem poruszającym się tak, jakby nigdy nie poruszał się z żadną inną prędkością!
Wyślij swoje pytania do startswithabang w gmail dot com!