ความเร็วแสงคืออะไร

Send

ตั้งแต่สมัยโบราณนักปรัชญาและนักวิชาการพยายามทำความเข้าใจเรื่องแสง นอกเหนือจากการพยายามแยกแยะคุณสมบัติพื้นฐานของมัน (เช่นสิ่งที่ทำจาก - อนุภาคหรือคลื่น ฯลฯ ) พวกเขายังพยายามทำการวัดอย่าง จำกัด ว่ามันเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน ตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 17 นักวิทยาศาสตร์ได้ทำเช่นนั้นและเพิ่มความแม่นยำ

ในการทำเช่นนั้นพวกเขาได้รับความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับกลไกของแสงและบทบาทสำคัญที่เล่นในฟิสิกส์ดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยา กล่าวง่ายๆคือแสงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเหลือเชื่อและเป็นสิ่งที่เคลื่อนไหวเร็วที่สุดในจักรวาล ความเร็วของมันถูกพิจารณาว่าเป็นค่าคงที่และไม่มีสิ่งกีดขวางและใช้เป็นเครื่องมือในการวัดระยะทาง แต่มันเดินทางเร็วแค่ไหน?

ความเร็วของแสง (ค):

แสงเดินทางด้วยความเร็วคงที่ 1,079,252,848.8 (1.07 พันล้าน) กิโลเมตรต่อชั่วโมง มีความยาวถึง 299,792,458 m / s หรือประมาณ 670,616,629 mph (ไมล์ต่อชั่วโมง) หากต้องการให้อยู่ในมุมมองถ้าคุณสามารถเดินทางด้วยความเร็วแสงคุณจะสามารถแล่นเรือรอบโลกได้ประมาณเจ็ดเท่าครึ่งในหนึ่งวินาที ในขณะเดียวกันคนที่บินด้วยความเร็วเฉลี่ยประมาณ 800 กม. / ชม. (500 ไมล์ต่อชั่วโมง) จะใช้เวลามากกว่า 50 ชั่วโมงในการหมุนรอบโลกเพียงครั้งเดียว

เพื่อกำหนดให้เป็นมุมมองทางดาราศาสตร์ระยะทางเฉลี่ยจากโลกถึงดวงจันทร์คือ 384,398.25 กม. (238,854 ไมล์) ดังนั้นแสงข้ามระยะทางนั้นในประมาณหนึ่งวินาที ในขณะเดียวกันระยะทางเฉลี่ยจากดวงอาทิตย์สู่โลกอยู่ที่ประมาณ 149,597,886 กม. (92,955,817 ไมล์) ซึ่งหมายความว่าแสงใช้เวลาประมาณ 8 นาทีในการเดินทาง

สงสัยเล็กน้อยว่าทำไมความเร็วแสงเป็นตัวชี้วัดที่ใช้ในการกำหนดระยะทางทางดาราศาสตร์ เมื่อเราบอกว่าดาวอย่าง Proxima Centauri อยู่ห่างออกไป 4.25 ปีแสงเรากำลังบอกว่ามันจะใช้เวลาเดินทางด้วยความเร็วคงที่ 1.07 พันล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง (670,616,629 ไมล์ต่อชั่วโมง) ประมาณ 4 ปี 3 เดือน แต่เรามาถึงการวัดที่เฉพาะเจาะจงสำหรับ“ ความเร็วแสง” ได้อย่างไร

ประวัติการศึกษา:

จนกระทั่งศตวรรษที่ 17 นักวิชาการไม่แน่ใจว่าแสงเดินทางด้วยความเร็วที่ จำกัด หรือในทันที ตั้งแต่สมัยกรีกโบราณไปจนถึงนักวิชาการอิสลามยุคกลางและนักวิทยาศาสตร์ในสมัยต้น ๆ การถกเถียงก็กลับไปกลับมา มันไม่ได้จนกว่าการทำงานของนักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์กØleRømer (1644-1710) ที่ทำการวัดเชิงปริมาณครั้งแรก

ในปีพ. ศ. 2219 Rømerได้สังเกตว่าช่วงเวลาของดวงจันทร์ภายในสุดของดวงจันทร์ไอโอนั้นดูเหมือนว่าจะสั้นลงเมื่อโลกใกล้เข้ามาถึงดาวพฤหัสบดีมากกว่าตอนที่มันเคลื่อนตัวออกจากโลก จากสิ่งนี้เขาสรุปว่าแสงเดินทางด้วยความเร็ว จำกัด และคาดว่าจะใช้เวลาประมาณ 22 นาทีในการข้ามเส้นผ่านศูนย์กลางวงโคจรของโลก

Christiaan Huygens ใช้การประมาณนี้และรวมเข้ากับการประมาณเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลกเพื่อให้ได้ค่าประมาณ 220,000 km / s Isaac Newton ยังพูดถึงการคำนวณของRømerในงานน้ำเชื้อของเขา Opticks (1706) การปรับระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์เขาคำนวณว่ามันต้องใช้เวลาเจ็ดถึงแปดนาทีในการเดินทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ในทั้งสองกรณีพวกเขาถูกขอบเล็กน้อย

การตรวจวัดในภายหลังโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) และLéon Foucault (1819 - 1868) ทำให้การตรวจวัดเหล่านี้ละเอียดยิ่งขึ้น - ส่งผลให้มีค่า 315,000 km / s (192,625 mi / s) และในครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์เริ่มตระหนักถึงความเชื่อมโยงระหว่างแสงและแม่เหล็กไฟฟ้า

สิ่งนี้สามารถทำได้โดยนักฟิสิกส์ที่วัดค่าประจุไฟฟ้าและไฟฟ้าสถิตซึ่งจากนั้นพบว่าค่าตัวเลขนั้นใกล้เคียงกับความเร็วของแสงมาก (ตามที่วัดโดย Fizeau) จากการทำงานของเขาเองซึ่งแสดงให้เห็นว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายในพื้นที่ว่างนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Wilhelm Eduard Weber เสนอว่าแสงนั้นเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

การค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ครั้งต่อไปเกิดขึ้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 / ในบทความปี 1905 ของเขามีชื่อว่า“ในกระแสไฟฟ้าของการเคลื่อนที่ร่างกาย”, อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ยืนยันว่าความเร็วของแสงในสุญญากาศวัดโดยผู้สังเกตการณ์แบบไม่เร่งความเร็วเหมือนกันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดและเป็นอิสระจากการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดหรือผู้สังเกตการณ์

การใช้หลักการสัมพัทธภาพนี้กับกาลิเลโอเป็นพื้นฐานไอน์สไตน์ได้รับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษซึ่งความเร็วของแสงในสุญญากาศ (ค) เป็นค่าคงที่พื้นฐาน ก่อนหน้านี้ฉันทามติการทำงานในหมู่นักวิทยาศาสตร์ระบุว่าพื้นที่นั้นเต็มไปด้วย“ เอเธอร์เรืองแสง” ซึ่งรับผิดชอบการแพร่กระจายของแสง - นั่นคือแสงที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่เคลื่อนที่จะถูกลากไปตามสื่อ

นี่หมายความว่าความเร็วของแสงที่วัดได้นั้นจะเป็นผลรวมของความเร็วอย่างง่าย ตลอด ขนาดกลางบวกกับความเร็ว ของ สื่อนั้น อย่างไรก็ตามทฤษฎีของไอน์สไตน์ทำให้แนวคิดของเครื่องเขียนไม่สามารถใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพและปฏิวัติแนวคิดของอวกาศและเวลา

ไม่เพียง แต่พัฒนาความคิดที่ว่าความเร็วของแสงจะเท่ากันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด แต่ยังแนะนำแนวคิดที่การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญเกิดขึ้นเมื่อสิ่งต่าง ๆ เคลื่อนที่ใกล้ความเร็วของแสง สิ่งเหล่านี้รวมถึงกรอบเวลาอวกาศของวัตถุที่เคลื่อนไหวซึ่งดูเหมือนว่าจะชะลอตัวลงและหดตัวในทิศทางของการเคลื่อนไหวเมื่อวัดในกรอบของผู้สังเกตการณ์ (เช่นการขยายเวลาโดยที่เวลาช้าลงเมื่อความเร็วของแสงเข้าใกล้)

การสังเกตการณ์ของเขายังปรับสมการของแมกซ์เวลด้านไฟฟ้าและแม่เหล็กให้สอดคล้องกับกฎของกลศาสตร์ทำให้การคำนวณทางคณิตศาสตร์ง่ายขึ้นด้วยการใช้คำอธิบายภายนอกที่นักวิทยาศาสตร์คนอื่นใช้และทำให้ความเร็วแสงที่สังเกตเห็นได้โดยตรง

ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 การตรวจวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นโดยใช้เครื่องตรวจวัดแสงด้วยเลเซอร์และเทคนิคการสั่นพ้องของโพรงจะช่วยปรับแต่งการประมาณความเร็วของแสง โดยปี 1972 กลุ่มที่สำนักงานมาตรฐานแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาในโบลเดอร์โคโลราโดใช้เทคนิคเลเซอร์ไฮดรอลิมิเตอร์เพื่อรับค่าที่ได้รับการยอมรับในปัจจุบันที่ 299,792,458 m / s

บทบาทในฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่:

ทฤษฏีของ Einstein ว่าความเร็วของแสงในสุญญากาศนั้นไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดและกรอบอ้างอิงเฉื่อยของผู้สังเกตการณ์ได้รับการยืนยันจากการทดลองหลายครั้งอย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ยังกำหนดขีด จำกัด บนของความเร็วที่อนุภาคและคลื่นที่ไม่มีมวลทั้งหมด (ซึ่งรวมถึงแสง) สามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้

หนึ่งในผลพลอยได้ของเรื่องนี้ก็คือตอนนี้จักรวาลวิทยารักษาพื้นที่และเวลาเป็นโครงสร้างแบบครบวงจรเดียวที่รู้จักกันเป็นกาลอวกาศซึ่งความเร็วของแสงสามารถใช้เพื่อกำหนดค่าสำหรับทั้งสอง (เช่น "lightyears", "นาทีแสง" และ “ วินาทีแสง”) การวัดความเร็วของแสงก็กลายเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดอัตราการขยายตัวของจักรวาล

เริ่มต้นในปี 1920 ด้วยการสังเกต Lemaitre และฮับเบิลนักวิทยาศาสตร์และนักดาราศาสตร์เริ่มตระหนักว่าจักรวาลกำลังขยายตัวจากจุดกำเนิด ฮับเบิลยังตั้งข้อสังเกตอีกว่ากาแลคซีที่อยู่ห่างออกไปยิ่งไกลเท่าไหร่ก็ยิ่งเคลื่อนไหวได้เร็วขึ้นเท่านั้น ในสิ่งที่เรียกว่าพารามิเตอร์ฮับเบิลความเร็วในการขยายตัวของจักรวาลจะถูกคำนวณเป็น 68 km / s ต่อเมกะไบต์

ปรากฏการณ์นี้ซึ่งได้รับการทฤษฏีแล้วว่าหมายความว่ากาแลคซีบางแห่งสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าความเร็วแสงอาจกำหนดขอบเขตของสิ่งที่สามารถสังเกตเห็นได้ในจักรวาลของเรา โดยพื้นฐานแล้วกาแลคซีที่เดินทางเร็วกว่าความเร็วแสงจะข้าม“ ขอบฟ้าเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์” ซึ่งพวกมันไม่สามารถมองเห็นได้อีกต่อไป

นอกจากนี้ในปี 1990 การตรวจวัดกาแลกซีที่อยู่ห่างไกลของ redshift แสดงให้เห็นว่าการขยายตัวของเอกภพกำลังเร่งตัวขึ้นในช่วงไม่กี่พันล้านปีที่ผ่านมา สิ่งนี้นำไปสู่ทฤษฎีเช่น "พลังงานมืด" ที่ซึ่งพลังที่มองไม่เห็นกำลังผลักดันการขยายตัวของอวกาศแทนที่จะเป็นวัตถุที่เคลื่อนที่ผ่านมัน (ดังนั้นอย่าวางข้อ จำกัด ความเร็วของแสง

นอกจากสัมพัทธภาพพิเศษและทั่วไปแล้วค่าความทันสมัยของความเร็วแสงในสุญญากาศได้แจ้งให้ทราบเกี่ยวกับจักรวาลวิทยาฟิสิกส์ควอนตัมและแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค มันยังคงเป็นค่าคงที่เมื่อพูดถึงขีด จำกัด สูงสุดที่อนุภาคที่ไม่มีมวลสามารถเดินทางได้และยังคงเป็นสิ่งกีดขวางที่ไม่สามารถทำได้สำหรับอนุภาคที่มีมวล

บางทีสักวันหนึ่งเราอาจหาวิธีที่จะเร่งความเร็วแสงได้ ในขณะที่เราไม่มีแนวคิดเชิงปฏิบัติสำหรับสิ่งที่อาจเกิดขึ้นได้เงินอัจฉริยะดูเหมือนจะเป็นเทคโนโลยีที่จะช่วยให้เราหลีกเลี่ยงกฎหมายของกาลอวกาศไม่ว่าจะโดยการสร้างฟองวาร์ป (aka. Warp Drive Alcubierre) หรือเจาะผ่านมัน ( aka. หนอน)

จนกว่าจะถึงเวลานั้นเราจะต้องพอใจกับจักรวาลที่เราเห็นและยึดติดกับการสำรวจส่วนของมันที่สามารถเข้าถึงได้โดยใช้วิธีการทั่วไป

เราได้เขียนบทความมากมายเกี่ยวกับความเร็วแสงสำหรับนิตยสารอวกาศ นี่คือความเร็วของแสงที่รวดเร็วเพียงใดกาแลคซีเคลื่อนตัวออกไปเร็วกว่าแสงได้อย่างไรและอวกาศเดินทางเร็วกว่าความเร็วแสงได้อย่างไรและทำลายความเร็วแสง

นี่คือเครื่องคิดเลขสุดเจ๋งที่ให้คุณแปลงหน่วยต่าง ๆ มากมายสำหรับความเร็วแสงและนี่คือเครื่องคิดเลขสัมพัทธภาพในกรณีที่คุณต้องการเดินทางด้วยความเร็วแสงเกือบ

นักดาราศาสตร์ยังมีตอนที่ตอบคำถามเกี่ยวกับความเร็วแสงคำถามแสดง: สัมพัทธภาพสัมพัทธภาพและสัมพัทธภาพเพิ่มเติม

แหล่งที่มา: