Pytanie nie brzmi już, ile kilometrów ma rok świetlny, ale odwrotnie. Obecnie naukowcy definiują system metryczny na podstawie prędkości światła.
Spośród wszystkich zasad rządzących wszechświatem jedną z najbardziej charakterystycznych, a jednocześnie najtrudniejszych do zrozumienia jest ograniczenie prędkości światła. Prędkość światła jest nie tylko niezmienną stałą: jest łącznikiem między materią a energią, jak elegancko opisał to Albert Einstein w najsłynniejszym wzorze naukowym: E=mc². Możemy zajrzeć do fundamentów naszego własnego istnienia, ale nie możemy podróżować szybciej niż „c”. Tylko światło może pokonać odległość jednego roku świetlnego w ciągu jednego roku.
Zdefiniujmy stałe: prędkość światła
Prędkość światła jest kluczowym elementem równania Einsteina. Ta litera „c” to nie tylko liczba, ale współczynnik przeliczeniowy łączący pojęcia masy (m) i energii (E). Jest to stała reprezentująca prędkość światła w próżni, ale także ograniczenie prędkości rozprzestrzeniania się wszelkiego rodzaju informacji, sygnałów lub cząstek materialnych we wszechświecie. Jeśli dobrze się nad tym zastanowić, jest to granica samej przyczynowości: efekt nie może nastąpić, zanim jego przyczyna, rozprzestrzeniając się z maksymalną prędkością „c”, nie dotrze do niego.
Prędkość ta jest taka sama dla każdego obserwatora we wszechświecie, niezależnie od jego stanu ruchu. Jeśli podróżujesz hipotetycznym statkiem kosmicznym z prędkością 99% prędkości światła i włączysz latarkę, światło tej latarki będzie oddalać się od ciebie dokładnie z prędkością światła, a nie z ułamkiem tej prędkości. Jest to jedna z uniwersalnych stałych fizyki. Obserwacje mikrofalowego promieniowania tła, pozostałości po Wielkim Wybuchu, potwierdzają, że nie zmieniła się ona w sposób mierzalny od ponad 13,8 miliarda lat.
Jaką prędkość osiąga zatem światło? Choć może to brzmieć dziwnie, prędkość światła w próżni ma dokładną i określoną wartość: 299 792 458 metrów na sekundę. Aby ująć to w bardziej przyziemnych liczbach, odpowiada to prawie miliardowi kilometrów na godzinę. Foton światła okrążyłby równik Ziemi około 7,5 razy w ciągu jednej sekundy. Według szczególnej teorii względności Alberta Einsteina jest to ostateczna i niezmienna prędkość w wszechświecie.
Epopeja o mierzeniu tego, czego nie da się zmierzyć
Obliczenie prędkości światła było jedną z wielkich sag nauki. Po filozoficznych debatach w starożytnej Grecji i pomysłowej, ale nieudanej próbie Galileusza z wykorzystaniem lamp między odległymi wzgórzami, pierwsze oszacowanie pojawiło się w 1676 roku. Obserwując zaćmienia Io, jednego z księżyców Jowisza, duński astronom Ole Rømer zauważył, że mają one różną długość w zależności od pory roku. Wywnioskował, że wynika to z dodatkowego czasu potrzebnego światłu na przebycie orbity Ziemi, gdy nasza planeta oddala się od Jowisza. Rømer oszacował prędkość światła na 220 000 km/s, co było zadziwiająco dokładną wartością jak na tamte czasy.
Pół wieku później, w 1728 roku, angielski fizyk James Bradley udoskonalił ten pomiar, stosując inną metodę: aberrację światła gwiazd. Zauważył, że pozorne położenie gwiazd zmienia się nieznacznie z powodu prędkości Ziemi na jej orbicie. Jest to zjawisko podobne do tego, które obserwujemy, gdy biegniemy i deszcz wydaje się padać pod kątem. Na podstawie tego efektu obliczył prędkość wynoszącą 301 000 km/s, z błędem wynoszącym zaledwie 1%.
Dopiero w 1887 roku naukowcy odkryli najbardziej zaskakujący aspekt prędkości światła. Albert Michelson i Edward Morley próbowali wykryć „eter świetlny”, rzekome niewidzialne medium, które według ówczesnych przekonań wypełniało przestrzeń, umożliwiając rozprzestrzenianie się światła. Za pomocą swojego eksperymentu mieli nadzieję zmierzyć różnicę w prędkości światła w zależności od tego, czy poruszało się ono zgodnie z „wiatrem eterycznym” wytwarzanym przez ruch Ziemi, czy też pod jego wpływem. Nie znaleźli jednak żadnych różnic.
Czasami postęp naukowy nie wynika z odkrycia tego, czego się szuka, ale z zaakceptowania dowodów, które podważają stare pewniki. W ten sposób ta porażka stała się jednym z najważniejszych wyników w historii fizyki. Wykazała ona, że prędkość światła jest stała niezależnie od ruchu obserwatora, obalając teorię eteru i kładąc empiryczne podstawy pod rewolucję, którą później wywołał Einstein.
Co to jest rok świetlny i do czego służy
Od 1983 roku prędkość światła nie jest już czymś, co naukowcy próbują mierzyć z coraz większą dokładnością. Jej wartość została ustalona z taką dokładnością, że obecnie to sam metr jest definiowany w odniesieniu do światła. Metr to „długość drogi przebytej przez światło w próżni w czasie 1/299792458 sekundy”.
Zmiana ta kryje w sobie głęboką prawdę: stałość prędkości światła jest bardziej fundamentalną właściwością naszego wszechświata niż nasze własne jednostki miary. Nie używamy już metrów do pomiaru prędkości światła, ale prędkość światła do zdefiniowania metra. W ten sposób powstała jedna z największych jednostek miary, jakiej używamy, i która miała kluczowe znaczenie dla zrozumienia ogromnych rozmiarów wszechświata.
Pomimo tego, że nazwa zawiera słowo „rok”, rok świetlny nie jest miarą czasu, ale odległości. Mówiąc najprościej, rok świetlny to odległość, jaką promień światła pokonuje w próżni w ciągu jednego roku ziemskiego. Czyli w ciągu 365 dni. Biorąc pod uwagę niesamowitą prędkość, z jaką porusza się światło, jest to odległość astronomiczna, wynosząca około 9,5 biliona kilometrów.
Używamy lat świetlnych, ponieważ odległości w przestrzeni kosmicznej są tak ogromne, że mierzenie ich w kilometrach byłoby całkowicie niepraktyczne. Na przykład najbliższa Ziemi egzoplaneta, Proxima Centauri b, znajduje się w odległości około 4,2 lat świetlnych. W kilometrach byłaby to liczba prawie 40 bilionów, znacznie trudniejsza do ogarnięcia i umiejscowienia w kontekście.
Jak obliczyć rok świetlny w kilometrach
Posuńmy się krok po kroku. Jeśli prędkość światła jest stałą uniwersalną, dlaczego trzeba wyjaśniać, że „c” oznacza prędkość światła w próżni? Ponieważ w rzeczywistości jedno nie wyklucza drugiego. Światło porusza się wolniej, przechodząc przez materiały takie jak woda (225 000 km/s) lub szkło (200 000 km/s). Nie jest to sprzeczność, ale wynik oddziaływania światła z materią.
Światło składa się z cząstek bez masy zwanych fotonami. Pojedyncze fotony zawsze poruszają się z prędkością 299 792 km/s. Jednak gdy wiązka światła przechodzi przez ośrodek materialny, jego fotony są nieustannie pochłaniane i ponownie emitowane przez atomy tego materiału. Każda z tych interakcji powoduje niewielkie opóźnienie. Suma miliardów opóźnień sprawia, że efektywna prędkość fali świetlnej jako całości jest mniejsza niż c.
Światło jest również falą elektromagnetyczną. Po wejściu w ośrodek jego pole elektryczne powoduje oscylacje elektronów atomów. Te oscylujące elektrony generują z kolei własne fale elektromagnetyczne. Pierwotna fala i fale generowane przez elektrony interferują ze sobą, tworząc połączoną falę, która rozchodzi się wolniej. Jednak światło porusza się ze stałą prędkością: jego spowolnienie jest efektem przejścia przez pole atomów.
Nie oznacza to jednak, że próżnia kosmiczna jest idealną próżnią. Znajdują się w niej wolne elektrony i protony w postaci plazmy, rozproszone atomy i cząsteczki, głównie wodoru i helu, pył międzygwiazdowy, a także promieniowanie tła i pola magnetyczne. Jednak ich gęstość jest bardzo niska, co oznacza, że światło porusza się w przestrzeni kosmicznej z prędkością bardzo zbliżoną do c. W związku z tym rok świetlny oblicza się na podstawie idealnej próżni.
Rok świetlny to odległość, jaką pokonuje światło w ciągu roku. Jeśli coś nauczyliśmy się w szkole średniej, to fakt, że odległość = prędkość × czas. Zatem odległość równą rokowi świetlnemu oblicza się, mnożąc prędkość światła przez czas trwania roku ziemskiego:
- W zaokrągleniu światło porusza się z prędkością 300 000 km/s, a rok ma 365 dni. 365 dni × 24 godziny × 3600 sekund to 31,6 miliona sekund. 300 000 km/s pomnożone przez 31 600 000 sekund daje odległość około 9,5 biliona kilometrów.
- Przyjmując dokładną prędkość światła (299 792,458 km/s) i uwzględniając lata przestępne (365,25 dni), wynik wynosi 9 460 730 472 581 km.
Ile wynosi rok świetlny w kategoriach ziemskich
Rok świetlny mierzy odległości tak duże, że wymykają się naszej wyobraźni. Światło potrzebuje około ośmiu minut, aby pokonać odległość między Słońcem a Ziemią. Jeśli w ciągu ośmiu minut pokonuje 150 milionów kilometrów dzielących nas od Słońca, to w ciągu godziny pokonałoby 11 razy tę samą odległość; w ciągu dnia pokonałoby 24 razy dzienną odległość; a w ciągu 365 dni, sumując wszystkie te trasy, osiągnęłoby wspomniane 9,5 biliona kilometrów.
Ten gigantyczny dystans nazywamy rokiem świetlnym. Nie oznacza on czasu, ale odległość obiektów w kosmosie. Do pomiaru czasu w astronomii nadal używamy lat, dni, sekund itp., natomiast do pomiaru bardzo dużych odległości, dla wygody, używamy lat świetlnych lub parseków, innych jednostek astronomicznych.
Wystarczy spojrzeć na nocne niebo, aby zrozumieć ogrom kosmosu. Najjaśniejsze gwiazdy znajdują się w odległości dziesiątek lat świetlnych. Przy niewielkim zanieczyszczeniu światłem gołym okiem możemy również dostrzec galaktykę Andromedy, najbliższą naszej Drodze Mlecznej, która znajduje się w odległości 2,5 miliona lat świetlnych.
Światło, które dociera do naszych oczu, wyruszyło z Andromedy, kiedy Ziemię zamieszkiwały australopitek, przeżywające wówczas wiele epok lodowcowych. W pewnym sensie patrzenie w nocne niebo to patrzenie w przeszłość. Im dalej patrzymy, tym dalej cofamy się w czasie. W ten sposób dzięki naszym najpotężniejszym teleskopom mogliśmy zobaczyć, co wydarzyło się po Wielkim Wybuchu.
Nie da się podróżować z prędkością światła
Czy można podróżować z prędkością światła? Odpowiedź na to pytanie jest jedną z najsłynniejszych teorii fizyki: szczególna teoria względności Einsteina. Aby to wyjaśnić, musimy powrócić do kultowego wzoru E=mc², który łączy prędkość światła z dwoma bardzo różnymi pojęciami.
Przemieszczenie obiektu o masie wymaga energii. Wraz ze wzrostem masy obiektu wzrasta również energia potrzebna do jego dalszego przemieszczania. Słynna zasada równoważności masy i energii Einsteina mówi nam, że energia i masa są ze sobą nierozerwalnie związane.
Zgodnie z teorią względności, gdy obiekt o masie przyspiesza i zbliża się do prędkości światła, jego masa relatywistyczna wzrasta. Aby przyspieszyć obiekt o masie nieskończonej, potrzebna byłaby nieskończona ilość energii, co jest po prostu niemożliwe. Prędkość światła działa jako ostateczna kosmiczna bariera prędkości.
Dlaczego? Ponieważ tylko cząstki bez masy w stanie spoczynku, takie jak fotony, mogą poruszać się z tą prędkością. Nie mając masy, nie napotykają bariery nieskończonej energii i masy. Dla reszty z nas i dla każdego statku kosmicznego, jaki możemy zbudować, prędkość światła pozostanie nieosiągalnym horyzontem. Nic, co ma masę, nie może jej osiągnąć. Jest to ograniczenie prędkości we wszechświecie.
