Gaisma pārvietojas pa Visumu ar ātrāko ātrumu, ko astronomi var izmērīt. Patiesībā gaismas ātrums ir kosmisks ātruma ierobežojums, un nekas nav zināms, kā kustēties ātrāk. Cik ātri pārvietojas gaisma? Šo robežu var izmērīt, un tas arī palīdz definēt mūsu izpratni par Visuma lielumu un vecumu.
Kas ir gaisma: vilnis vai daļiņa?
Gaisma pārvietojas ātri ar ātrumu 299, 792, 458 metri sekundē. Kā to var izdarīt? Lai to saprastu, ir noderīgi zināt, kas patiesībā ir gaisma, un tas lielākoties ir 20. gadsimta atklājums.
Gaismas daba gadsimtiem ilgi bija liela noslēpums. Zinātniekiem bija grūti aptvert tā viļņa un daļiņu rakstura jēdzienu. Ja tas bija vilnis, ar ko tas izplatījās? Kāpēc šķita, ka visos virzienos tas pārvietojas ar vienādu ātrumu? Un ko gaismas ātrums var mums pateikt par kosmosu? Tikai Alberts Einšteins aprakstīja šo teoriju īpaša relativitāte 1905. gadā tas viss nonāca uzmanības centrā. Einšteins apgalvoja, ka telpa un laiks ir relatīvi un ka gaismas ātrums ir nemainīgs, kas abus savieno.
Kāds ir gaismas ātrums?
Bieži tiek teikts, ka gaismas ātrums ir nemainīgs un ka nekas nevar ceļot ātrāk par gaismas ātrumu. Tas tā nav pilnībā precīzi. 299 792 458 metru sekundē (186 282 jūdzes sekundē) vērtība ir gaismas ātrums vakuumā. Tomēr gaisma faktiski palēninās, jo tā iziet cauri dažādiem nesējiem. Piemēram, pārvietojoties caur stiklu, tas vakuumā palēninās līdz aptuveni divām trešdaļām no tā ātruma. Pat gaisā, kas ir gandrīz vakuums, gaisma nedaudz palēninās. Pārvietojoties kosmosā, tas saskaras ar gāzes un putekļu mākoņiem, kā arī ar gravitācijas laukiem, un tie var nedaudz mainīt ātrumu. Gāzes un putekļu mākoņi absorbē arī daļu gaismas, kad tā iet cauri.
Šai parādībai ir sakars ar gaismas raksturu, kas ir elektromagnētiskais vilnis. Caur materiālu izplatoties, tā elektriskie un magnētiskie lauki "traucē" uzlādētajām daļiņām, ar kurām tas nonāk saskarē. Pēc šiem traucējumiem daļiņas izstaro gaismu ar tādu pašu frekvenci, bet ar fāzes nobīdi. Visu šo "traucējumu" radīto viļņu summa novedīs pie elektromagnētiskā viļņa ar tādu pašu frekvenci kā sākotnējai gaismai, bet ar īsāku viļņa garumu un līdz ar to arī ar mazāku ātrumu.
Interesanti, ka tik ātri, kamēr kustas gaisma, tā ceļu var saliekt, jo tas iet pa reģioniem telpā ar intensīviem gravitācijas laukiem. Tas ir diezgan viegli redzams galaktiku kopās, kurās ir daudz matērijas (ieskaitot tumšo matēriju), kas dedzina gaismas ceļu no attālākiem objektiem, piemēram, kvazāriem.
Gaismas ātrums un gravitācijas viļņi
Pašreizējās fizikas teorijas paredz, ka gravitācijas viļņi pārvietojas arī ar gaismas ātrumu, bet tas joprojām ir to apstiprina zinātnieki, pētot gravitācijas viļņu parādību, saskaroties ar melnajiem caurumiem un neitroniem zvaigznes. Pretējā gadījumā nav citu objektu, kas tik ātri pārvietojas. Teorētiski viņi var iegūt tuvu gaismas ātrumu, bet ne ātrāk.
Viens izņēmums var būt pats telpas laiks. Šķiet, ka tāls galaktikas attālinās no mums ātrāk nekā gaismas ātrums. Šī ir "problēma", kuru zinātnieki joprojām cenšas saprast. Tomēr viena no interesantajām sekām ir tāda, ka ceļojuma sistēma, kuras pamatā ir ideja par velku piedziņa. Šādā tehnoloģijā kosmosa kuģis atrodas miera stāvoklī attiecībā pret kosmosu, un tas patiesībā ir telpa kas kustas, piemēram, sērfotājs, kas brauc pa okeānu. Teorētiski tas varētu ļaut ceļot superluminali. Protams, pastāv arī citi praktiski un tehnoloģiski ierobežojumi, taču tā ir interesanta zinātniskās fantastikas ideja, kas izraisa zināmu zinātnisku interesi.
Ceļojumu laiki gaismai
Viens no jautājumiem, ko astronomi saņem no sabiedrības locekļiem, ir: "cik ilgs laiks būtu vajadzīgs, lai dotos prom objekts X objektam Y? "Gaisma viņiem dod ļoti precīzu veidu, kā izmērīt Visuma lielumu, nosakot to attālumi. Šeit ir daži no izplatītākajiem attāluma mērījumiem:
- Zeme uz Mēness: 1.255 sekundes
- Saule uz Zemi: 8,3 minūtes
- Mūsu saule līdz nākamajai tuvākajai zvaigznei: 4,24 gadi
- Visā mūsu piena ceļš galaktika: 100 000 gadu
- Uz tuvākajiem spirālveida galaktika (Andromeda): 2,5 miljoni gadu
- Novērojamā robeža visums uz Zemi: 13,8 miljardi gadu
Interesanti, ka ir objekti, kurus ārpus mūsu iespējām redzēt vairs nav tikai tāpēc, ka Visums paplašinās, un daži atrodas “virs horizonta”, aiz kura mēs nevaram redzēt. Viņi nekad neieradīsies mūsu skatījumā neatkarīgi no tā, cik ātri viņu gaisma ceļo. Tas ir viens no aizraujošajiem efektiem, kas rodas, paplašinoties Visumam.
Rediģēja Karolīna Kolinsa Petersena