Fizicianul scoțian James Clerk Maxwell a descoperit undele electromagnetice, iar când a calculat viteza acestora, a descoperit că viteza luminii este constantă. În vid, lumina călătorește cu viteza de 299.792.458 de metri pe secundă sau aproximativ 300.000 de kilometri pe secundă.
Astronauții misiunii Apollo 10 au călători cu o viteză de 0, 006% din viteza luminii, fiind cei mai rapizi oameni din istorie. Cel mai rapid obiect creat de om a fost sonda Juno, care s-a deplasat cu 0,025% din viteza luminii. Iar Galaxia Andromeda se îndreaptă spre Calea Lactee cu o viteză de 0,04% din viteza luminii.
Toate aceste viteze sunt minuscule în comparație cu cei 300.000 de kilometri pe secundă ai luminii. Experimentele efectuate de fizicieni s-au apropiat de viteza luminii doar cu particulele subatomice, recordul vitezei unui proton de la Large Hadron Collider fiind de 99,999999% din viteza luminii.
Ce este lumina?
Lumina este o undă electromagnetică, o perturbare în câmpurile electric și magnetic. Lumina poate fi împărțită în mai multe tipuri, iar combinarea tuturor acestora reprezintă spectrul electromagnetic.
Lumina poate fi creată în urma oscilației unui electron și, la rândul său, creează un câmp magnetic oscilant. Un câmp electric oscilant este o undă electromagnetică sau lumină.
Dacă există o sarcină electrică, atunci există și un câmp electric, iar dacă această sarcină electrică se deplasează, atunci apare și un câmp magnetic. Așadar, câmpul electric și câmpul magnetic sunt două lucruri diferite.
De ce lumina călătorește atât de repede?
Lumina călătorește incredibil de repede pentru că este o undă electromagnetică ce nu are nevoie de un mediu pentru a se propaga. Iată câțiva factori-cheie care contribuie la viteza luminii:
- Natura undelor electromagnetice – lumina este o undă electromagnetică a câmpurilor electric și magnetic oscilante. Aceste câmpuri interacționează unul cu celălalt, creând o undă care se autopropagă. Proprietățile undelor electromagnetice, inclusiv ale luminii, sunt determinate de constantele fizice fundamentale ale universului.
- Absența unui mediu – spre deosebire de undele sonore sau alte unde mecanice, care necesită un mediu (cum sunt aerul sau apa) pentru a călători, lumina se poate propaga prin vid. Absența unui mediu reduce factorii care ar putea încetini viteza luminii.
- Interacțiunea cu câmpurile electromagnetice – lumina interacționează cu câmpurile electromagnetice într-un fel în care poate călători cu viteză constantă. Potrivit ecuațiilor lui Maxwell, care descriu comportamentul undelor electromagnetice, viteza luminii în vid este o constantă universală notată cu litera c și este egală cu aproximativ 299.792 de kilometri pe secundă.
- Legătura cu constantele universale – viteza luminii în vid este legată de alte constante fundamentale ale fizicii, cum sunt permeabilitatea și permisivitatea spațiului. Aceste constante definesc viteza cu care câmpurile electrice și magnetice se pot influența reciproc și determina viteza luminii.
Undele de lumină călătoresc în linie dreaptă prin aer, iar acest linii se numesc raze. Dacă în calea luminii apare un obiect, razele de lumină nu se pot curba pentru a-l ocoli, ci ele sunt reflectate, absorbite sau refractate. Lumina reflectată ne ajută se vedem obiectele.
Lumina reprezintă doar o porțiune a spectrului electromagnetic, care se întinde de la razele gamma până la undele radio.
Ecuația vitezei luminii este E = mc2 (adică energia este egală cu masa înmulțită cu viteza luminii la pătrat), unde E = energia totală, m = masa și c = viteza luminii.
Teoria relativității: cu cât te apropii mai mult de viteza luminii, cu atât timpul încetinește pentru un obiect aflat în același sistem de referință. – Albert Einstein
Dacă ceva atinge viteza luminii, atunci timpul se oprește complet, iar lumina prin spațiu-timp și-ar schimba sensul și ar călători în direcție inversă, distrugând cauzalitatea. Acest efect ar face ca viteza luminii să se transforme în viteza cauzalității.
Cauzalitatea este motivul pentru care viteza luminii este notată cu litera c în ecuații. O altă predicție care susține viteza luminii este faptul că inerția crește odată ce viteza se apropie de viteza luminii, ceea ce înseamnă că masa crește și ea.
Așadar, masa este un impediment pentru viteză și nimic care are masă nu poate atinge viteza luminii. Dar dacă există ceva fără masă, acel ceva poate călători doar cu viteza luminii, deoarece nu există masă care să împiedice viteza. De exemplu, fotonii sunt particule lipsite de masă. Particulele trebuie să se deplaseze cu viteza luminii și astfel timpul poate exista.
Mai există o altă teorie mai controversată, dar care câștigă tot mai mulți adepți. Potrivit acesteia, fluctuațiile cuantice din vid perturbă viteza luminii. Spațiu nu este deloc gol, ci este umplut cu particule virtuale care apar și dispar. Calculele unor cercetători arată că fluctuațiile cuantice încetinesc viteza luminii.
Teoria relativității a lui Einstein descrie spațiul și timpul drept o țesătură fină distorsionată sau curbată de obiectele masive. Pe de altă parte, mecanica cuantică descrie funcționarea atomilor, particulelor subatomice și a unor forțe fundamentale ale naturii. Însă oamenii de știință nu au reușit niciodată să unifice cele două teorii.
Potrivit teoriei speciale a relativității a lui Einstein, toate formele de radiație electromagnetică călătoresc cu aceeași viteză. Deci ce anume explică aceste diferențe în timp? Fotonii poartă lumina vizibilă. O idee simplă este aceea că fotonii ar putea fi emiși la timpi diferiți. Ori poate că ceva din țesătura spațiului încetinește particulele de energie înaltă.
Unele idei care încearcă să reconcilieze relativitatea și mecanica cuantică sugerează că spațiul și timpul nu ar fi netede și uniforme. În schimb, ele ar arăta că o „spumă clocotitoare” atunci când sunt văzute la scară mică și că o „folie cu bule” atunci când sunt văzute de la scară umană.
Un foton cu lungimea de undă mare (și cu energie scăzută) nu este afectat de aglomerația din spațiu, însă un foton cu lungimea de undă scurtă (și energie mare) este afectat, ceea ce îl face să se deplaseze mai încet decât radiația cu energie scăzută. Drept urmare, este încălcată legea lui Einstein care spune că toate particulele trebuie să se deplaseze cu aceeași viteză. În plus, această teorie era susținută și puține dovezi experimentale până pe vremea lui Fermi.
Exploziile de raze gamma au produs numeroși fotoni, dintre care unii cu energii enorme și lungimi de undă scurte. Acești fotoni au călătorit șapte miliarde de ani pentru a ajunge la noi. Și totuși, un foton cu energie înaltă și lungime de undă scurtă a ajuns cu o întârziere de 900 de milisecunde comparativ cu un foton energie joasă.
Acest lucru confirmă predicția lui Einstein că spațiul și timpul sunt netede și continue. De asemenea, infirmă celelalte teorii care susțin că spațiul și timpul sunt ca o spumă ce interferează cu lumina.
Cum călătorește lumina atât de repede?
Lumina este o undă electromagnetică ce transportă energia cu viteza de 300.000 de kilometri pe secundă. Acestă viteză constantă este viteza luminii în vid. Atunci când lumina întâlnește un mediu precum aerul, apa sau sticla, ea se propagă prin acea substanță cu o viteză netă mai mică decât viteza luminii (c). Această încetinire a luminii prin obiectele transparente este o formă de transport al energiei care implică absorbția și re-emiterea energiei undei luminoase de către atomii substanței respective.
Atomii vibrează sub acțiunea energiei particulelor de lumină (fotonii). Atunci când lumina se ciocnește cu atomii substanței, energia sa este absorbită, iar această energie face ca electronii să sufere vibrații subtile temporare. Aceste vibrații sunt transmise de la un atom la altul până când ajung de partea cealaltă a materialului cu aceeași frecvență și viteză a undei de lumină. Chiar dacă aceste vibrații au o durată scurtă la nivel de atom, aceste interferențe întârzie transmiterea energiei undei prin mediul respectiv.
Așadar, în timp ce lumina călătorește cu viteza de 300.000 de kilometri pe secundă în vid și în spațiile dintre atomi, fenomenul de absorbție și re-emitere la nivelul diverselor materiale duce la o viteză netă a undei de lumină mai mică decât viteza luminii:
- prin apă, lumină se deplasează cu viteza de 225.000 km/s (circa 75% din viteza luminii în vid);
- prin sticlă, lumina se deplasează cu viteza de 200.000 km/s (circa 67% din viteza luminii în vid);
- prin diamant, lumina se deplasează cu viteza de 125.000 km/s (circa 41% din viteza luminii în vid).
Sursa: JournalHow.com