Vysvětleno: Schopnost světla cestovat obrovské kosmické vzdálenosti bez ztráty energie

Můj dalekohled, zřízený pro astrofotografii v mém světle zbarveném v San Diegu, byl namířen na galaxii nepochopitelně daleko od Země. Moje žena Cristina vyšla stejně jako první vesmírná fotografie do mého tabletu. To jiskřilo na obrazovce před námi.

„To je galaxie vešpříčené,“ řekl jsem. Název je odvozen z jeho tvaru – i když tento větrník obsahuje asi biliony hvězd. Světlo z větru cestovalo po dobu 25 milionů let po celém vesmíru, aby se dostal k mému dalekohledu.

Moje žena přemýšlela: „Během tak dlouhé cesty není světlo unaveno?“

Její zvědavost spustila konverzaci o světle. Proč se nakonec lehké opotřebování a neztrácí energii v průběhu času?

Pojďme mluvit o světle

Jsem astrofyzik a jednou z prvních věcí, které jsem se ve svých studiích naučil, je to, jak se světlo často chová způsobem, který vzdoruje našim intuicím.

Světlo je elektromagnetické záření: v podstatě elektrická vlna a magnetická vlna spojená dohromady a cestování časem. Nemá žádnou hmotu. Tento bod je kritický, protože hmotnost předmětu, ať už skvrny prachu nebo kosmické lodi, omezuje nejvyšší rychlost, kterou může projít vesmírem.

Ale protože světlo je bezmasné, je schopen dosáhnout maximálního rychlostního limitu ve vakuu – asi 300 000 km za sekundu, nebo téměř 9,6 bilionu km za rok. Nic, kdo cestuje vesmírem, není rychlejší. Chcete -li to uvést do perspektivy: V době, kdy vás trvá, než mrknutí očí, cestuje částice světla po obvodu Země více než dvakrát.

Jak je to neuvěřitelně rychlé, prostor je neuvěřitelně rozprostřený. Světlo ze Slunce, které je asi 150 milionů km od Země, trvá něco přes osm minut. Jinými slovy, sluneční světlo, které vidíte, je osm minut staré.

Alpha Centauri, nejbližší hvězda k nám po slunci, je asi 41 bilionů km daleko. Takže v době, kdy to uvidíte na noční obloze, je jeho světlo něco starší než čtyři roky. Nebo, jak říkají astronomové, jsou to čtyři světelné roky.

S ohledem na tyto obrovské vzdálenosti zvažte otázku Cristiny: Jak může světlo cestovat přes vesmír a ne pomalu ztratit energii?

Ve skutečnosti některé světlo ztrácí energii. K tomu dochází, když něco odrazí, jako je mezihvězdné prach, a je rozptýleno.

Ale většina světla prostě jde a jde, aniž by se s něčím srazilo. To je téměř vždy, protože prostor je většinou prázdný – nicota. Takže v cestě není nic.

Když světlo cestuje neomezené, neztrácí žádnou energii. Může to udržovat, že rychlost 300 000 km na sekundu navždy.

Je čas

Tady je další koncept: Představte si sami sebe jako astronaut na palubě Mezinárodní kosmické stanice. Obíháte asi 27 000 km za hodinu. Ve srovnání s někým na Zemi bude vaše náramkové hodinky zaškrtnout o 0,01 sekundy pomalejší po dobu jednoho roku.

To je příklad dilatace času – čas se pohybuje různými rychlostmi za různých podmínek. Pokud se pohybujete opravdu rychle, nebo blízko velkého gravitačního pole, vaše hodiny budou zaškrtnout pomaleji než někdo, kdo se pohybuje pomaleji než vy nebo kdo je dále z velkého gravitačního pole. Stručně řečeno, čas je relativní.

Nyní zvažte, že světlo je neoddělitelně spojeno s časem. Obrázek sedí na fotonu, základní částice světla; Zde byste zažili maximální dilataci času. Každý na Zemi by vás hodil rychlostí světla, ale z vašeho referenčního rámce by se čas úplně zastavil.

Je to proto, že měřicí doba „hodin“ je na dvou různých místech výrazně odlišně: foton pohybující se rychlostí světla a poměrně pomalý rychlost Země kolem slunce.

A co víc, když cestujete na rychlosti světla nebo blízko, vzdálenost mezi tím, kam jste a kam jdete, se zkrátí. To znamená, že samotný prostor se stává kompaktnějším směrem k pohybu – takže čím rychleji můžete jít, čím musí být vaše cesta kratší. Jinými slovy, pro foton je prostor promíchán.

Což nás přivádí zpět k mému obrázku galaxie vešpříčené. Z pohledu fotonu ji vyzařovala hvězda v galaxii a poté ji ve stejnou dobu absorboval jediný pixel v mém dvorku. Vzhledem k tomu, že je prostor kvílen, byla cesta k fotonu nekonečně rychlá a nekonečně krátká, nepatrný zlomek sekundy.

Ale z našeho pohledu na Zemi opustil foton Galaxy před 25 miliony let a cestoval 25 milionů světelných let napříč vesmírem, dokud přistál na mém tabletu na mém dvorku.

A tam, za chladnou jarní noc, jeho ohromující obraz inspiroval nádherný rozhovor mezi hloupý vědec a jeho zvědavou manželkou.

Jarred Roberts je vědec projektu, University of California, San Diego. Tento článek je znovu publikován z Konverzace.