Işık hızı nedir?

[™ Admin]

Işık hızı nedir?

Bir boşlukta hareket eden ışığın hızı saniyede tam olarak 299.792.458 metredir (983.571.056 fit). Bu, saniyede yaklaşık 186.282 mildir - denklemlerde "c" veya ışık hızı olarak bilinen evrensel bir sabit.

Fizikçi Albert Einstein'ın, modern fiziğin çoğunun dayandığı özel görelilik kuramına göre, evrendeki hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez. Teori, madde ışık hızına yaklaştıkça maddenin kütlesinin sonsuz hale geldiğini belirtir. Bu, ışık hızının tüm evrende bir hız sınırı işlevi gördüğü anlamına gelir. Işık hızı o kadar değişmez ki, ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'ne göre, metre (ve buna bağlı olarak mil, ayak ve inç) gibi uluslararası standart ölçümleri tanımlamak için kullanılır. Bazı kurnaz denklemler aracılığıyla, kilogram ve sıcaklık birimi Kelvin'in tanımlanmasına da yardımcı olur.

Ancak ışığın hızının evrensel bir sabit olarak ün kazanmasına rağmen, bilim adamları ve bilimkurgu yazarları, ışıktan hızlı seyahati düşünerek zaman harcarlar. Şimdiye kadar hiç kimse gerçek bir warp sürüşü gösteremedi, ancak bu, yeni hikayelere, yeni icatlara ve yeni fizik alemlerine doğru toplu atılımımızı yavaşlatmadı.

Işık yılı nedir?

Bir ışık yılı, ışığın bir yılda kat edebileceği mesafedir - yaklaşık 6 trilyon mil (10 trilyon kilometre). Gökbilimcilerin ve fizikçilerin evrenimizdeki muazzam mesafeleri ölçmelerinin bir yolu.

Işık aydan gözümüze yaklaşık 1 saniyede ulaşır, bu da ayın yaklaşık 1 ışık saniyesi uzaklıkta olduğu anlamına gelir. Güneş ışığının gözümüze ulaşması yaklaşık 8 dakika sürer, dolayısıyla güneş yaklaşık 8 ışık dakikası uzaklıktadır. Kendimize en yakın yıldız sistemi olan Alpha Centauri'den gelen ışığın buraya gelmesi yaklaşık 4,3 yıl gerektirir, bu nedenle Alpha Centauri 4,3 ışıkyılı uzaklıktadır.

"Bir ışık yılı boyutu hakkında bir fikir edinmek için, Dünya'nın çevresini (24.900 mil) alın, düz bir çizgiye yerleştirin, çizginin uzunluğunu 7,5 ile çarpın (karşılık gelen mesafe bir ışık saniyesidir). ), ardından 31.6 milyon benzer satırı uçtan uca yerleştirin" diyor NASA'nın Glenn Araştırma Merkezi web sitesinde. "Ortaya çıkan mesafe neredeyse 6 trilyon (6.000.000.000.000) mil!"

Güneş sistemimizin ötesindeki yıldızlar ve diğer nesneler, birkaç ışıkyılı ile birkaç milyar ışıkyılı arasında herhangi bir yerde bulunur. Ve gökbilimcilerin uzak evrende "gördükleri" her şey tam anlamıyla tarihtir. Gökbilimciler uzaktaki nesneleri incelerken, nesneleri ışığın onları terk ettiği sırada var oldukları gibi gösteren ışığı görüyorlar.

Bu ilke, gökbilimcilerin evreni yaklaşık 13,8 milyar yıl önce meydana gelen Büyük Patlama'dan sonra nasıl göründüğünü görmelerini sağlar. Bizden 10 milyar ışıkyılı uzaklıktaki nesneler, astronomlara, bugün nasıl göründüklerinden ziyade, 10 milyar yıl önce -evrenin başlangıcından nispeten kısa bir süre sonra- göründükleri gibi görünüyor.

Işık hızını nasıl öğrendik?

Daha 5. yüzyılın başlarında, Empedokles ve Aristoteles gibi Yunan filozofları ışık hızının doğası konusunda anlaşamadılar. Empedokles, ışığın, her ne yapılmış olursa olsun, hareket etmesi gerektiğini ve dolayısıyla bir hareket hızına sahip olması gerektiğini öne sürdü. Aristoteles, kendi incelemesinde, Duyu ve Duyulur Üzerine, Empedokles'in görüşünü çürüterek, ışığın ses ve kokudan farklı olarak anlık olması gerektiğini savundu. Aristoteles elbette yanılıyordu, ancak birinin bunu kanıtlaması yüzlerce yıl alacaktı.

1600'lerin ortalarında, İtalyan astronom Galileo Galilei, aralarında bir milden daha az olan tepelerde iki kişi duruyordu. Her kişi korumalı bir fener tuttu. Biri fenerini açtı; diğer kişi flaşı gördüğünde, o da kendininkini ortaya çıkardı. Ancak Galileo'nun deneysel mesafesi, katılımcılarının ışık hızını kaydetmesi için yeterince uzak değildi. Sadece ışığın sesten en az 10 kat daha hızlı hareket ettiği sonucuna varabildi.

1670'lerde Danimarkalı gökbilimci Ole Rømer denizdeki denizciler için güvenilir bir zaman çizelgesi oluşturmaya çalıştı ve NASA'ya göre yanlışlıkla ışık hızı için yeni bir en iyi tahmin buldu. Astronomik bir saat yaratmak için, Jüpiter'in uydusu Io'nun Dünya'dan tutulmalarının kesin zamanlamasını kaydetti. Zamanla, Rømer, Io'nun tutulmalarının genellikle hesaplamalarından farklı olduğunu gözlemledi. Tutulmaların en çok Jüpiter ve Dünya birbirinden uzaklaşırken geciktiğini, gezegenler yaklaşırken vaktinden önce ortaya çıktığını ve gezegenlerin en yakın veya en uzak noktalarındayken programa göre gerçekleştiğini fark etti. Bu gözlem, bugün Doppler etkisi olarak bildiğimiz şeyi, hareket eden bir nesnenin yaydığı ışık veya sesin frekansındaki değişikliği, astronomik dünyada sözde kırmızıya kayma, nesnelerde hızlanan nesnelerde daha uzun dalga boyları olan "daha kırmızıya" kayma olarak tezahür ettiğini gösterdi. bizden uzak. Bir sezgi sıçramasıyla Rømer, ışığın Io'dan Dünya'ya seyahat etmenin ölçülebilir bir zaman aldığını belirledi.

Rømer, gözlemlerini ışığın hızını tahmin etmek için kullandı. American Journal of Physics'te 1998'de yayınlanan bir makaleye göre, güneş sisteminin boyutu ve Dünya'nın yörüngesi henüz tam olarak bilinmediğinden, biraz sapkındı. Ama sonunda, bilim adamlarının üzerinde çalışacakları bir numara vardı. Rømer'in hesaplaması, ışığın hızını saniyede yaklaşık 124.000 mil (200.000 km/s) olarak belirledi.

1728'de İngiliz fizikçi James Bradley, Dünya'nın güneş etrafındaki seyahatlerinin neden olduğu yıldızların görünür konumlarındaki değişime ilişkin yeni bir dizi hesaplamaya dayandırdı. Amerikan Fizik Derneği'ne göre, ışığın hızını saniyede 185.000 mil (301.000 km/s) olarak tahmin etti - gerçek değerin yaklaşık %1'i kadar doğru.

1800'lerin ortalarındaki iki yeni girişim, sorunu Dünya'ya geri getirdi. Fransız fizikçi Hippolyte Fizeau, kaynağına geri yansıtmak için 5 mil (8 km) uzağa yerleştirilmiş bir ayna ile hızla dönen dişli bir tekerleğe bir ışık huzmesi yerleştirdi. Tekerleğin hızını değiştirmek, Fizeau'nun ışığın delikten dışarı, bitişik aynaya ve boşluktan geri dönmesinin ne kadar sürdüğünü hesaplamasına izin verdi. Başka bir Fransız fizikçi olan Leon Foucault, aynı deneyi gerçekleştirmek için tekerlek yerine dönen bir ayna kullandı. İki bağımsız yöntemin her biri, ışık hızının saniyede yaklaşık 1.000 mil (1.609 km/s) hızında geldi.

Virginia Üniversitesi'ne göre, ışık hızı gizemini ele alan bir diğer bilim insanı, eyaletin altına hücum döneminde Kaliforniya'da büyüyen ve ABD Deniz Harp Okulu'na devam ederken fiziğe olan ilgisini geliştiren Polonya doğumlu Albert A. Michelson'dı. 1879'da Foucault'nun ışık hızını belirleme yöntemini tekrarlamaya çalıştı, ancak Michelson aynalar arasındaki mesafeyi artırdı ve son derece yüksek kaliteli aynalar ve lensler kullandı. Michelson'un saniyede 186.355 mil (299.910 km/s) sonucu, Michelson kendisi yeniden ölçene kadar 40 yıl boyunca ışık hızının en doğru ölçümü olarak kabul edildi. İkinci deney turunda Michelson, daha kesin bir tahmin elde etmek için dikkatlice ölçülen mesafelerle iki dağ zirvesi arasında ışıklar yaktı. Ve Smithsonian'ın Air and Space dergisine göre, 1931'deki ölümünden hemen önceki üçüncü denemesinde, bir mil uzunluğunda, oluklu çelik borudan basınçsız bir boru inşa etti. Boru, daha da hassas bir ölçüm için havanın ışık hızı üzerindeki herhangi bir etkisini ortadan kaldıracak bir neredeyse vakumu simüle etti ve sonuçta bugün kabul edilen ışık hızı değerinden biraz daha düşüktü.

Michelson ayrıca ışığın doğasını da inceledi, Forbes bilim blogu Starts With a Bang'de astrofizikçi Ethan Siegal yazdı. Michelson'ın deneyleri sırasında fizikteki en iyi beyinler ikiye bölündü: Işık bir dalga mı yoksa bir parçacık mı?

Michelson, meslektaşı Edward Morley ile birlikte, ışığın tıpkı ses gibi bir dalga olarak hareket ettiği varsayımı altında çalıştı. Ve sesin hareket etmesi için parçacıklara ihtiyaç duyması gibi, Michelson ve Morley ve zamanın diğer fizikçileri, ışığın içinden geçmek için bir tür ortama sahip olması gerektiğini düşündüler. Bu görünmez, saptanamayan maddeye "ışıklı eter" ("eter" olarak da bilinir) adı verildi.

Michelson ve Morley sofistike bir interferometre (bugün LIGO tesislerinde kullanılan aletin çok temel bir versiyonu) inşa etseler de, Michelson herhangi bir tür ışık saçan eterin kanıtını bulamadı. Işık, diye belirledi, bir boşlukta seyahat edebilir ve yapar.

Siegal, "Deney - ve Michelson'ın çalışması - o kadar devrimciydi ki, tarihte hiçbir şeyi çok kesin bir şekilde keşfetmediği için Nobel Ödülü kazanan tek kişi oldu" dedi. "Deneyin kendisi tam bir başarısızlık olabilir, ancak ondan öğrendiklerimiz insanlık ve evren anlayışımız için herhangi bir başarının olabileceğinden daha büyük bir nimetti!"

Özel görelilik ve ışık hızı

Einstein'ın özel görelilik kuramı, enerji, madde ve ışık hızını ünlü bir denklemde birleştirdi: E = mc^2. Denklem, kütle ve enerji arasındaki ilişkiyi tanımlar - küçük miktarlarda kütle (m), doğası gereği çok büyük miktarda enerji (E) içerir veya bunlardan oluşur. (Nükleer bombaları bu kadar güçlü yapan da budur: Kütleyi enerji patlamalarına dönüştürüyorlar.) Enerji, kütle çarpı ışık hızının karesine eşit olduğundan, ışık hızı tam olarak ne kadar enerji olması gerektiğini açıklayan bir dönüşüm faktörü işlevi görür. madde içinde. Ve ışığın hızı çok büyük bir sayı olduğu için, küçük miktarlarda kütle bile büyük miktarda enerjiye eşit olmalıdır.

Evreni doğru bir şekilde tanımlamak için Einstein'ın zarif denklemi, ışık hızının değişmez bir sabit olmasını gerektirir. Einstein, ışığın herhangi bir ışık saçan eterden değil, bir boşlukta hareket ettiğini ve gözlemcinin hızı ne olursa olsun aynı hızda hareket ettiğini iddia etti.

Bunu şöyle düşünün: Bir trende oturan gözlemciler paralel bir hat boyunca hareket eden bir trene bakabilir ve kendilerine göre göreceli hareketini sıfır olarak düşünebilirler. Ancak, neredeyse ışık hızında hareket eden gözlemciler, ışığı hala 670 milyon milden fazla bir hızla kendilerinden uzaklaşıyormuş gibi algılayacaktır. (Çünkü gerçekten çok hızlı hareket etmek, zaman yolculuğunun onaylanmış tek yöntemlerinden biridir - zaman, daha yavaş yaşlanan ve daha yavaş hareket eden bir gözlemciden daha az an algılayan gözlemciler için aslında yavaşlar.)

Başka bir deyişle Einstein, ışığın hızının, ölçtüğünüz zamana veya yere veya sizin ne kadar hızlı hareket ettiğinize göre değişmediğini öne sürdü.

Bu nedenle kütlesi olan cisimler asla ışık hızına ulaşamazlar. Bir cisim ışık hızına ulaşabilseydi, kütlesi sonsuz olurdu. Ve sonuç olarak, cismi hareket ettirmek için gereken enerji de sonsuz hale gelecekti: imkansızlık.

Bu, fizik anlayışımızı (çoğu modern fizikçinin yaptığı gibi) özel göreliliğe dayandırırsak, ışık hızı, evrenimizin değişmez hız sınırıdır - herhangi bir şeyin seyahat edebileceği en hızlı hızdır.

Işık hızından daha hızlı giden nedir?

Işık hızı genellikle evrenin hız sınırı olarak anılsa da, evren aslında daha da hızlı genişler. Astrofizikçi Paul Sutter, Space.com için bir önceki makalesinde, gözlemciden her megaparsek uzaklık için evrenin saniyede 42 milden (68 kilometreden) biraz daha fazla genişlediğini yazdı. (Bir megaparsek, 3.26 milyon ışık yılıdır - gerçekten çok uzun bir yol.)

Başka bir deyişle, 1 megaparsec uzaklıktaki bir galaksi, Samanyolu'ndan saniyede 42 mil (68 km/s) hızla uzaklaşıyor gibi görünürken, iki megaparsek uzaktaki bir galaksi, saniyede yaklaşık 86 mil (136 km/s) hızla uzaklaşıyor. s) vb.

Sutter, "Bir noktada, müstehcen bir mesafede, hız ölçekleri aşıyor ve ışık hızını aşıyor, hepsi de uzayın doğal, düzenli genişlemesinden" dedi. "Yasadışı olması gerekiyor gibi görünüyor, değil mi?"

Sutter'a göre özel görelilik, evren içinde mutlak bir hız sınırı sağlar, ancak Einstein'ın genel görelilik ile ilgili 1915 teorisi, incelemekte olduğunuz fizik artık "yerel" olmadığında farklı davranışlara izin verir.

"Evrenin uzak ucundaki bir galaksi mi? Bu genel göreliliğin alanıdır ve genel görelilik şöyle der: Kimin umurunda! Bu galaksi, sizin yakınınızda değil, çok uzakta olduğu sürece istediği hıza sahip olabilir. yüz," diye yazdı Sutter. "Özel görelilik, uzak bir galaksinin hızı - süperluminal ya da başka bir şekilde - umurunda değil. Ve senin de yapmamalısın."

Işık hiç yavaşlar mı?

Bir boşluktaki ışık genellikle mutlak bir hızda hareket edecek şekilde tutulur, ancak herhangi bir malzemeden geçen ışık yavaşlatılabilir. Bir malzemenin ışığı yavaşlattığı miktara kırılma indisi denir. Işık, parçacıklarla temas ettiğinde bükülür ve bu da hızın düşmesine neden olur.

Örneğin, Dünya'nın atmosferinde seyahat eden ışık, boşluktaki ışık kadar hızlı hareket eder ve ışık hızının on binde üçü kadar yavaşlar. Ancak PBS NOVA, bir elmastan geçen ışığın tipik hızının yarısından daha azına yavaşladığını bildirdi. Buna rağmen, mücevherin içinden 277 milyon mil (neredeyse 124.000 km/sn) üzerinde - bir fark yaratmak için yeterli, ama yine de inanılmaz hızlı.

Nature dergisinde 2001 yılında yayınlanan bir araştırmaya göre, ışık ultra soğuk atom bulutlarının içinde tutulabilir ve hatta durdurulabilir. Daha yakın zamanda, Physical Review Letters dergisinde yayınlanan 2018 tarihli bir araştırma, ışığı "istisnai noktalarda" veya iki ayrı ışık emisyonunun kesiştiği ve birleştiği yerlerde yolunda durdurmak için yeni bir yol önerdi.

Araştırmacılar ayrıca bir boşlukta seyahat ederken bile ışığı yavaşlatmaya çalıştılar. İskoç bilim adamlarından oluşan bir ekip, Science dergisinde yayınlanan 2015 araştırmasında açıklandığı gibi, bir boşlukta hareket ederken bile tek bir fotonu veya ışık parçacığını başarılı bir şekilde yavaşlattı. Onların ölçümlerinde, yavaşlatılmış foton ile "normal" bir foton arasındaki fark, bir metrenin sadece birkaç milyonda biri kadardı, ancak boşluktaki ışığın resmi ışık hızından daha yavaş olabileceğini gösterdi.

Işıktan hızlı seyahat edebilir miyiz?

Bilim kurgu "warp hızı" fikrini sever. Işıktan daha hızlı seyahat, sayısız bilimkurgu serisini mümkün kılar, geniş alan genişliklerini yoğunlaştırır ve karakterlerin yıldız sistemleri arasında kolaylıkla gidip gelmesine izin verir.

Ancak ışıktan hızlı seyahatin imkansız olduğu garanti edilmese de, çalışması için oldukça egzotik fizikten yararlanmamız gerekir. Neyse ki bilim kurgu meraklıları ve teorik fizikçiler için keşfedilecek pek çok yol var.

Tek yapmamız gereken kendimizi nasıl hareket ettiremeyeceğimizi bulmaktır - çünkü özel görelilik yeterince yüksek hıza ulaşmadan uzun süre önce yok olmamızı sağlar - bunun yerine etrafımızdaki alanı hareket ettirir. Kolay değil mi?

Önerilen bir fikir, kendi etrafında bir uzay-zaman balonunu katlayabilen bir uzay gemisini içeriyor. Hem teoride hem de kurguda kulağa harika geliyor.

Dünya Dışı İstihbarat Araştırma Enstitüsü'nden (SETI) astronom Seth Shostak, "Kaptan Kirk, en hızlı roketlerimizin hızında hareket etmek zorunda olsaydı, bir sonraki yıldız sistemine ulaşması yüz bin yıl sürerdi" dedi. Mountain View, California'da, Space.com'un kardeş sitesi WordsSideKick.com ile 2010 yılında yapılan bir röportajda. "Dolayısıyla bilim kurgu, hikayenin biraz daha hızlı ilerleyebilmesi için ışık bariyerinin hızını geçmenin bir yolunu uzun süredir öne sürüyor."

Işıktan hızlı yolculuk olmadan, herhangi bir "Uzay Yolu" (veya bu konuda "Yıldız Savaşı") imkansız olurdu. Eğer insanlık, evrenimizin en uzak ve sürekli genişleyen köşelerine ulaşacaksa, daha önce kimsenin gitmediği yerlere cesurca gitmek geleceğin fizikçilerine kalmış olacak.

Kaynak: Space