Fråga Ethan: Rör Sig Ljuset Alltid Med Samma Hastighet?

visar bland annat stjärnor, gas, strålning och svarta hål. Men ljuset som kommer från alla dessa källor, från gammastrålar till synligt för radioljus, rör sig alltid med samma hastighet genom tomt utrymme: ljusets hastighet i vakuum. NASA/ESA/SSC/CXC/STScI

oavsett hur snabbt du går, finns det alltid en sak du aldrig kommer att kunna fånga: ljus. Ljusets hastighet är inte bara den snabbaste hastigheten som någonting i universum kan resa, det betraktas som en universell konstant. Oavsett om vi lyser en ficklampa, tittar på månen eller solen eller mäter en galax från miljarder ljusår bort, är ljusets hastighet det enda som aldrig förändras. Men är det verkligen sant? Det är vad Violet Brettschneider vill veta:

rör sig ljuset alltid med samma hastighet? Om det saktas av något, kommer att stanna långsammare efter att det inte längre saktas ner? Kommer hastigheten tillbaka till ljusets hastighet?

låt oss börja med vilket ljus som är på en grundläggande nivå: en partikel.

fält som förökar sig vid ljusets hastighet definierar vad elektromagnetisk strålning är. Den minsta enheten (eller kvantum) av elektromagnetisk strålning är känd som en foton. Public domain image

det kanske inte ser ut som en partikel när du ser att den kommer från en ljuskälla som en glödlampa, en ficklampa, en laserpekare eller till och med solen, men det beror på att vi inte är välutrustade för att se enskilda partiklar. Om vi använder elektroniska fotodetektorer istället för våra ögon upptäcker vi att allt ljus i universum består av samma typ av partikel: foton. Den har några egenskaper som är desamma mellan alla fotoner:

• dess massa (som är 0),
• dess hastighet (som alltid är c, ljusets hastighet),
• dess spinn (som alltid är 1, ett mått på dess inneboende vinkelmoment),

och en mycket viktig som varierar: dess energi. Violett ljus har mest energi av någon foton som är synlig för mänskliga ögon, medan rött har minst energi av någon synlig foton. Vid ännu lägre energier är infraröda, mikrovågs-och radiofotoner, medan ultravioletta, röntgen-och gammastrålfotoner kan hittas vid högre energier.

som motsvarar olika delar av det elektromagnetiska spektrumet. NASA och Wikimedia Commons användare Induktivladda

genom rymdens vakuum, oavsett vad deras energi är, reser de alltid med ljusets hastighet. Det spelar ingen roll hur snabbt du jagar efter eller kör mot ljus, antingen; den hastigheten du ser den färdas på kommer alltid att vara densamma. Det som skiftar, istället för dess hastighet, kommer att vara ljusets energi. Gå mot ljus och det verkar blåare och öka det till högre energier. Flytta dig bort från det och det verkar rödare, skiftat till lägre energier. Men inget av det, oavsett hur du rör dig, hur du får ljuset att röra sig eller hur du ändrar energin, kommer att få ljusets hastighet att förändras. Den högsta energifotonen och den lägsta energifotonen som någonsin observerat båda färdas med exakt samma hastighet.

ljus, inklusive foton, gluon och gravitationsvågor, som bär de elektromagnetiska, starka kärn-och gravitationella interaktionerna. NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet

men om du är villig att gå utanför ett vakuum och in i ett material är det möjligt att sakta ner ljuset. Allt material som är transparent för ljus kommer att få dessa fotoner att resa genom det, inklusive vatten, akryl, kristaller, glas och jämn luft. Men eftersom det finns laddade partiklar i dessa material — särskilt elektroner — interagerar de med fotonerna på ett sådant sätt att de saktar ner dem. Ljus, även om det inte är laddat, beter sig som en våg. När en foton rör sig genom rymden uppvisar den oscillerande elektriska och magnetiska fält och kan interagera med laddade partiklar. Dessa interaktioner saktar ner det och får det att röra sig med en hastighet som är mindre än ljusets hastighet så länge de är i ett material.

prism visar hur ljus av olika energier rör sig i olika hastigheter genom ett medium, men inte genom ett vakuum. University of Iowa

olika fotoner har olika energier, vilket också innebär att deras elektriska och magnetiska fält oscillerar i olika hastigheter. Medan hastigheten på alla olika typer av ljus är densamma i vakuum, kan dessa hastigheter vara olika i alla slags medium. Skina vitt ljus (består av alla färger) genom en droppe vatten eller ett prisma, och de mer energiska fotonerna kommer att sakta ner ännu mer än de mindre energiska, vilket gör att färgerna separeras.

regnbågar beror på solljus som interagerar med vattendroppar, medan de återstående regnbågarna härrör från ytterligare reflektioner i vattnet nedan. Färger separeras på grund av de olika ljushastigheterna hos fotoner med olika energier genom ett medium, i detta fall vatten. Terje O. Nordvik via NASAs Astronomibild av dagen

Så här skapar lysande ljus genom vattendroppar en regnbåge, eftersom fotoner av olika energier interagerar med de laddade partiklarna i ett medium (och saktar ner) med olika mängder.

droplet resulterar i att ljus separeras i olika vinklar, med rött ljus som rör sig snabbare och violett ljus rör sig långsammare genom vattenmediet. Science Learning Hub / public domain

vad är viktigt att komma ihåg, men i allt detta är att ingenting förändras om själva ljuset. Det förlorar inte energi; det förändrar inte dess grundläggande, inneboende egenskaper; det förvandlas inte till något annat. Allt som förändras är utrymmet runt det. När det ljuset lämnar mediet och går tillbaka i vakuum går det tillbaka till att röra sig med ljusets hastighet i vakuum: 299,792,458 meter per sekund. Faktum är att själva definitionen som vi har av både avstånd och tid — vad som definierar en ”mätare” eller en ”sekund” — kommer från själva ljuset. Atomer kan absorbera eller avge ljus, beroende på hur elektronerna i en atomövergång.

Delta_f1, är övergången som definierar mätaren, andra och ljusets hastighet. A. Fischer et al., Journal of the Acoustical Society of America (2013)

Cesium, det 55: e elementet på det periodiska bordet, har 55 elektroner i en enda, stabil, neutral atom. De första 54 elektronerna lever vanligtvis i det lägsta energiläget, men den 55: E har två möjliga energinivåer som den kan uppta som är extremt nära varandra. Om den övergår från den något högre till den något lägre, går den energin in i en foton av en mycket speciell, väldefinierad energi. Om du tar 9,192,631,770 cykler av den fotonen, så definierar vi en sekund. Om du tar avståndet det färdas i 30.663319 cykler (vilket är 9,192,631,770 dividerat med 299,792,458) får du definitionen av en meter.

detta lär oss något fenomenalt djupt: så länge atomer är desamma överallt i universum, kommer våra definitioner av tid, längd och ljusets hastighet aldrig att förändras, oavsett var eller när vi tittar i universum.

universum, fysiken som styr atomer, och därför våra definitioner av Längd, tid och ljusets hastighet, är exakt samma. NASA, ESA / Hubble, HST Frontier Fields

Så vad lär vi oss och sätter allt detta ihop?

1. ljus, oavsett hur hög eller låg energi, rör sig alltid med ljusets hastighet, så länge det reser genom vakuumet i tomt utrymme.
2. ingenting du gör för din egen rörelse eller för ljusets rörelse kommer att ändra den hastigheten.
3. genom att skicka det ljuset till ett icke-vakuummedium kan du ändra dess hastighet så länge det är i det mediet.
4. ljus av olika energi kommer att ändra sin hastighet med något olika mängder, beroende på egenskaperna hos det mediet.
5. när du lämnar det mediet och går tillbaka till ett vakuum igen, går det ljuset tillbaka till att röra sig med ljusets hastighet.
6. och så vitt vi vet och mäter har ljusets hastighet samma värde på 299,792,458 m/s hela tiden och alla platser i universum.

på många sätt är ljus den enklaste partikeln i universum. Även om det alltid rör sig med ljusets hastighet, rör det sig inte alltid genom helt tomt utrymme. Så länge det finns materia i universum som är transparent för ljus, kommer du inte att kunna undvika att sakta ner det. Men så snart det ljuset går tillbaka till tomt utrymme igen, är det tillbaka till ljusets hastighet i vakuum, med varje foton som rör sig som om den aldrig hade rört sig med någon annan hastighet alls!

skicka in dina fråga Ethan frågor till startswithabang på gmail dot com!