Vše o rychlosti světla a o tom, co měří

Světlo se pohybuje vesmírem při nejrychlejší rychlosti, kterou mohou astronomové měřit. Ve skutečnosti je rychlost světla limitem kosmické rychlosti a není známo, že by se pohyboval rychleji. Jak rychle se světlo pohybuje? Tento limit lze měřit a také pomáhá definovat naše chápání velikosti a věku vesmíru.

Světlo cestuje rychle rychlostí 299, 792, 458 metrů za sekundu. Jak to může udělat? Abychom tomu porozuměli, je užitečné vědět, co vlastně světlo je a to je z velké části objev 20. století.

Povaha světla byla po celá staletí velkým tajemstvím. Vědci měli problém pochopit koncept své vlnové a částicové povahy. Pokud to byla vlna, co se šířilo? Proč se zdálo, že cestuje stejnou rychlostí ve všech směrech? A co nám může rychlost světla říci o vesmíru? Teprve až Albert Einstein popsal tuto teorii speciální relativita v roce 1905 se to všechno začalo soustředit. Einstein tvrdil, že prostor a čas jsou relativní a že rychlost světla je konstantní, která je spojuje.

Často se uvádí, že rychlost světla je konstantní a že nic nemůže cestovat rychleji než rychlost světla. To není zcela přesný. Hodnota 299 792 458 metrů za sekundu (186 282 mil za sekundu) je rychlost světla ve vakuu. Světlo se však ve skutečnosti zpomaluje, když prochází různými médii. Například při pohybu sklem se ve vakuu zpomalí na asi dvě třetiny své rychlosti. Dokonce i ve vzduchu, což je téměř vakuum, světlo mírně zpomaluje. Jak se pohybuje vesmírem, naráží na mraky plynu a prachu a také na gravitační pole a ty mohou trochu změnit rychlost. Mraky plynu a prachu také absorbují část světla při průchodu.

Tento jev souvisí s povahou světla, což je elektromagnetická vlna. Když se šíří materiálem, jeho elektrické a magnetické pole „ruší“ nabité částice, se kterými přichází do styku. Tato rušení pak způsobí, že částice vyzařují světlo se stejnou frekvencí, ale s fázovým posunem. Součet všech těchto vln způsobených „poruchami“ povede k elektromagnetické vlně se stejnou frekvencí jako původní světlo, ale s kratší vlnovou délkou a tedy nižší rychlostí.

Zajímavé, jak rychle se světlo pohybuje, může být jeho cesta ohnuta, když prochází oblastmi v prostoru s intenzivními gravitačními poli. To je docela dobře vidět v klastrech galaxií, které obsahují hodně hmoty (včetně temné hmoty), která deformuje cestu světla od vzdálenějších objektů, jako jsou kvazary.

Současné teorie fyziky předpovídají, že gravitační vlny také cestují rychlostí světla, ale to je stále Potvrzuje se, že vědci studují jev gravitačních vln způsobených srážkami černých děr a neutronů hvězdy. Jinak neexistují žádné další předměty, které by cestovaly tak rychle. Teoreticky se mohou dostat blízko k rychlost světla, ale ne rychlejší.

Jedinou výjimkou může být samotný časoprostor. Vypadá to tak daleko galaxie se od nás vzdálí rychleji než rychlost světla. To je „problém“, který se vědci stále snaží pochopit. Jedním zajímavým důsledkem toho však je, že cestovní systém založený na myšlence a warp drive. V takové technologii je kosmická loď v klidu vzhledem k vesmíru a ve skutečnosti je prostor to se pohybuje, jako surfař na vlně po oceánu. Teoreticky by to mohlo umožnit superluminální cestování. Brání jim samozřejmě i jiná praktická a technologická omezení, ale je to zajímavý nápad science-fiction, který získává určitý vědecký zájem.

Jednou z otázek, které astronomové dostávají od členů veřejnosti, je: „Jak dlouho bude trvat, než zmizí světlo objekt X k objektu Y? “Světlo jim dává velmi přesný způsob, jak změřit velikost vesmíru definováním vzdálenosti. Zde je několik běžných měření vzdálenosti:

• Země na Měsíc: 1,255 sekund
• Slunce na Zemi: 8,3 minut
• Naše Slunce k další nejbližší hvězdě: 4,24 let
• Přes naše mléčná dráha galaxie: 100 000 let
• K nejbližšímu spirální galaxie (Andromeda): 2,5 milionu let
• Limit pozorovatelného vesmír k zemi: 13,8 miliard let

Je zajímavé, že existují objekty, které jsou mimo naši schopnost vidět jednoduše proto, že vesmír se rozšiřuje, a některé jsou „za horizontem“, za kterým nevidíme. Nikdy se na nás nedostanou, bez ohledu na to, jak rychle se jejich světlo pohybuje. To je jeden z fascinujících účinků života v rozvíjejícím se vesmíru.

Upravil Carolyn Collins Petersen