APAKAH KELAJUAN CAHAYA?

Send

Sejak zaman kuno, ahli falsafah dan sarjana telah berusaha memahami cahaya. Di samping berusaha untuk mengetahui sifat asasnya (iaitu apa yang terbuat dari - zarah atau gelombang, dll.) Mereka juga telah berusaha untuk membuat pengukuran hingga seberapa cepat ia bergerak. Sejak akhir abad ke-17, para saintis telah melakukan hal itu, dan dengan peningkatan ketepatan.

Dengan berbuat demikian, mereka telah memperoleh pemahaman yang lebih baik mengenai mekanik cahaya dan peranan penting yang dimainkannya dalam fizik, astronomi dan kosmologi. Ringkasnya, cahaya bergerak dengan kelajuan yang luar biasa dan merupakan perkara yang paling pantas bergerak di Alam Semesta. Kelajuannya dianggap sebagai penghalang yang tetap dan tidak dapat dipecahkan, dan digunakan sebagai alat mengukur jarak. Tetapi berapa cepat perjalanannya?

Kelajuan cahaya (c):

Cahaya bergerak dengan kelajuan tetap 1.079.252.848.8 (1.07 bilion) km sejam. Itu berfungsi hingga 299,792,458 m / s, atau sekitar 670,616,629 mph (batu per jam). Untuk meletakkannya dalam perspektif, jika anda dapat melakukan perjalanan dengan kelajuan cahaya, anda dapat mengelilingi dunia kira-kira tujuh setengah kali dalam satu saat. Sementara itu, seseorang yang terbang dengan kecepatan rata-rata sekitar 800 km / jam (500 mph), akan mengambil masa lebih dari 50 jam untuk mengelilingi planet ini hanya sekali.

Untuk meletakkannya dalam perspektif astronomi, jarak rata-rata dari Bumi ke Bulan adalah 384,398.25 km (238,854 batu). Jadi cahaya melintasi jarak kira-kira satu saat. Sementara itu, jarak rata-rata dari Matahari ke Bumi adalah ~ 149,597,886 km (92,955,817 batu), yang bermaksud bahawa cahaya hanya memerlukan sekitar 8 minit untuk melakukan perjalanan itu.

Tidak hairanlah mengapa kelajuan cahaya adalah metrik yang digunakan untuk menentukan jarak astronomi. Apabila kami mengatakan bintang seperti Proxima Centauri berjarak 4.25 tahun cahaya, kami mengatakan bahawa memerlukan masa - perjalanan dengan kelajuan tetap 1.07 bilion km per jam (670.616.629 mph) - sekitar 4 tahun dan 3 bulan untuk sampai ke sana. Tetapi bagaimana kita sampai pada pengukuran yang sangat spesifik ini untuk "kelajuan cahaya"?

Sejarah Pengajian:

Sehingga abad ke-17, para sarjana tidak pasti sama ada cahaya bergerak dengan kelajuan terbatas atau seketika. Dari zaman orang Yunani kuno hingga para sarjana dan saintis Islam abad pertengahan pada zaman moden awal, perdebatan itu berulang-ulang. Tidak sampai kerja ahli astronomi Denmark Øle Rømer (1644-1710) pengukuran kuantitatif pertama dibuat.

Pada tahun 1676, Rømer memerhatikan bahawa tempoh bulan terdalam Musytari Io nampaknya lebih pendek ketika Bumi menghampiri Musytari daripada ketika ia surut darinya. Dari sini, dia menyimpulkan bahawa cahaya bergerak dengan kelajuan terbatas, dan menganggarkan bahawa diperlukan sekitar 22 minit untuk menyeberangi diameter orbit Bumi.

Christiaan Huygens menggunakan anggaran ini dan menggabungkannya dengan anggaran diameter orbit Bumi untuk memperoleh anggaran 220,000 km / s. Isaac Newton juga membincangkan perhitungan Rømer dalam karya manianya Pilihan (1706). Menyesuaikan jarak antara Bumi dan Matahari, dia mengira bahawa perjalanan memerlukan waktu tujuh atau lapan minit untuk bergerak dari satu ke yang lain. Dalam kedua-dua kes tersebut, kesalahan tersebut dilakukan dengan margin yang agak kecil.

Pengukuran kemudian yang dibuat oleh ahli fizik Perancis Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) dan Léon Foucault (1819 - 1868) menyempurnakan pengukuran ini lebih jauh - menghasilkan nilai 315,000 km / s (192,625 mi / s). Dan menjelang separuh akhir abad ke-19, para saintis menyedari hubungan antara cahaya dan elektromagnetisme.

Ini dicapai oleh ahli fizik yang mengukur muatan elektromagnetik dan elektrostatik, yang kemudian mendapati bahawa nilai berangka sangat dekat dengan kecepatan cahaya (seperti yang diukur oleh Fizeau). Berdasarkan karya sendiri, yang menunjukkan bahawa gelombang elektromagnetik menyebar di tempat kosong, ahli fizik Jerman Wilhelm Eduard Weber mengemukakan bahawa cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

Kejayaan besar seterusnya berlaku pada awal abad ke-20 / Dalam makalahnya tahun 1905, yang berjudul “Mengenai Elektrodinamik Badan Bergerak ”, Albert Einstein menegaskan bahawa kelajuan cahaya dalam vakum, yang diukur oleh pemerhati yang tidak memecut, adalah sama dalam semua kerangka rujukan inersia dan tidak bergantung pada pergerakan sumber atau pemerhati.

Menggunakan asas ini dan prinsip relativiti Galileo sebagai asas, Einstein memperoleh Teori Relativiti Khas, di mana kelajuan cahaya dalam vakum (c) adalah pemalar asas. Sebelum ini, konsensus kerja di antara para saintis berpendapat bahawa ruang dipenuhi dengan "aether bercahaya" yang bertanggung jawab atas penyebarannya - iaitu bahawa cahaya yang bergerak melalui media bergerak akan diseret oleh media.

Ini seterusnya bermaksud bahawa kelajuan cahaya yang diukur adalah jumlah kelajuannya yang sederhana melalui medium ditambah dengan kelajuan daripada medium itu. Walau bagaimanapun, teori Einstein secara berkesan menjadikan konsep aether pegun tidak berguna dan merevolusikan konsep ruang dan masa.

Bukan hanya memajukan gagasan bahawa kelajuan cahaya adalah sama dalam semua kerangka acuan inersia, ia juga memperkenalkan gagasan bahawa perubahan besar terjadi ketika sesuatu bergerak menutup kecepatan cahaya. Ini termasuk kerangka ruang waktu badan bergerak yang nampaknya perlahan dan berkontraksi ke arah gerakan ketika diukur dalam bingkai pemerhati (yaitu pelebaran masa, di mana masa melambat ketika kecepatan cahaya menghampiri).

Pemerhatiannya juga menggabungkan persamaan Maxwell untuk elektrik dan magnet dengan undang-undang mekanik, mempermudah pengiraan matematik dengan menghilangkan penjelasan luar biasa yang digunakan oleh saintis lain, dan sesuai dengan kelajuan cahaya yang diamati secara langsung.

Pada separuh kedua abad ke-20, pengukuran yang semakin tepat menggunakan inferometer laser dan teknik resonans rongga akan memperhalusi anggaran kelajuan cahaya. Menjelang tahun 1972, sebuah kumpulan di Biro Piawaian Nasional AS di Boulder, Colorado, menggunakan teknik inferometer laser untuk mendapatkan nilai yang diakui pada masa ini sebanyak 299.792.458 m / s.

Peranan dalam Astrofizik Moden:

Teori Einstein bahawa kelajuan cahaya dalam vakum tidak bergantung pada pergerakan sumber dan kerangka rujukan inersia pemerhati sejak itu secara konsisten disahkan oleh banyak eksperimen. Ini juga menetapkan had atas kecepatan di mana semua zarah dan gelombang tanpa massa (termasuk cahaya) dapat bergerak dalam keadaan hampa.

Salah satu daripada perkembangan ini adalah bahawa ahli kosmologi kini memperlakukan ruang dan waktu sebagai satu struktur bersatu yang dikenali sebagai ruang-masa - di mana kelajuan cahaya dapat digunakan untuk menentukan nilai untuk keduanya (iaitu "cahaya tahun", "minit cahaya", dan "Sekejap cahaya"). Pengukuran kelajuan cahaya juga menjadi faktor utama ketika menentukan kadar pengembangan kosmik.

Bermula pada tahun 1920-an dengan pemerhatian Lemaitre dan Hubble, para saintis dan ahli astronomi menyedari bahawa Alam Semesta berkembang dari titik asal. Hubble juga memerhatikan bahawa semakin jauh galaksi, semakin cepat ia kelihatan bergerak. Dalam apa yang sekarang disebut sebagai Hubble Parameter, kecepatan di mana Alam Semesta berkembang dihitung menjadi 68 km / s per megaparsec.

Fenomena ini, yang telah berteori bermaksud bahawa beberapa galaksi sebenarnya dapat bergerak lebih cepat daripada kelajuan cahaya, dapat memberikan batasan pada apa yang dapat dilihat di Alam Semesta kita. Pada dasarnya, galaksi yang bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya akan melintasi "cakerawala peristiwa kosmologi", di mana ia tidak lagi dapat dilihat oleh kita.

Juga, pada tahun 1990-an, ukuran pergeseran merah dari galaksi yang jauh menunjukkan bahawa pengembangan Alam Semesta telah meningkat sejak beberapa miliar tahun yang lalu. Ini telah membawa kepada teori seperti "Tenaga Gelap", di mana kekuatan yang tidak dapat dilihat mendorong pengembangan ruang itu sendiri dan bukannya objek yang bergerak melaluinya (sehingga tidak meletakkan batasan pada kecepatan cahaya atau melanggar relativitas).

Bersamaan dengan relativiti khas dan umum, nilai moden kecepatan laju cahaya dalam ruang hampa terus menerus memberitahu kosmologi, fizik kuantum, dan Model Piawai fizik partikel. Ia tetap menjadi pemalar ketika membincangkan had atas di mana zarah tanpa massa dapat bergerak, dan tetap menjadi penghalang yang tidak dapat dicapai bagi zarah yang mempunyai jisim.

Mungkin, suatu hari nanti, kita akan menemui jalan untuk melebihi kelajuan cahaya. Walaupun kita tidak mempunyai idea praktikal untuk bagaimana ini mungkin berlaku, wang pintar sepertinya menggunakan teknologi yang membolehkan kita memintas undang-undang ruang-waktu, baik dengan membuat gelembung meledingkan (alias Alcubierre Warp Drive), atau melakukan tunneling ( aka. lubang cacing).

Sehingga masa itu, kita hanya perlu berpuas hati dengan Alam Semesta yang dapat kita lihat, dan terus menerus meneroka bahagian yang dapat dicapai dengan menggunakan kaedah konvensional.

Kami telah menulis banyak artikel mengenai kelajuan cahaya untuk Space Magazine. Inilah Seberapa Cepat Kelajuan Cahaya ?, Bagaimanakah Galaksi Bergerak Lebih Jauh dari Cahaya ?, Bagaimanakah Ruang Perjalanan Lebih Laju daripada Kelajuan Cahaya ?, dan Memecahkan Kelajuan Cahaya.

Berikut adalah kalkulator hebat yang membolehkan anda menukar banyak unit berbeza untuk kelajuan cahaya, dan inilah kalkulator relativiti, sekiranya anda ingin melakukan perjalanan dengan hampir kelajuan cahaya.

Astronomy Cast juga mempunyai episod yang membahas persoalan mengenai kelajuan cahaya - Pertanyaan Pertanyaan: Relativiti, Relativiti, dan lebih banyak Relativiti.

Sumber: