Prečo je rýchlosť svetla taká, aká je?

Einsteinova teória špeciálnej relativity nám hovorí, že rýchlosť svetla je 186 000 míľ za sekundu (300 miliónov metrov za sekundu). (Obrazový kredit: Iscatel | Shutterstock )

Paul M. Sutter je astrofyzik v SUNY Stony Brook a Flatiron Institute, hostiteľ Spýtajte sa Spacemana a Vesmírne rádio a autor knihy Ako zomrieť vo vesmíre . ' Prispel k tomuto článku Expertné hlasy guesswhozoo.com: Op-Ed & Insights .

Všetci to poznáme a milujeme rýchlosť svetla - 299 792 458 metrov za sekundu - ale prečo má takú hodnotu, akú má? Prečo to nie je iné číslo? A prečo nám tak záleží na nejakej náhodnej rýchlosti elektromagnetických vĺn? Prečo sa stal takým základným kameňom fyziky?

Je to preto, že rýchlosť svetla je jednoducho čudná.

Súvisiace: Konštantná rýchlosť svetla: Einsteinova špeciálna relativita prežije test s vysokou energiou

Uvedenie svetla do testu

Prvým človekom, ktorý si uvedomil, že svetlo má skutočne rýchlosť, bol astronóm menom Ole Romer. Koncom 16. storočia bol posadnutý zvláštnymi pohybmi mesiaca Io okolo Jupitera. Čas od času nám veľká planéta zablokuje výhľad na malý mesiac a spôsobí zatmenie, ale zdá sa, že načasovanie medzi zatmeniami sa v priebehu roka mení. Buď sa na obežnej dráhe Io dialo niečo funky - čo sa zdalo podozrivé - alebo sa dialo niečo iné.

Po niekoľkých rokoch pozorovania sa Romer spojil. Keď vidíme, že Io je zatmený, sme v určitej polohe na vlastnej obežnej dráhe okolo Slnka. Ale keď nabudúce uvidíme ďalšie zatmenie, o niekoľko dní neskôr, budeme v trochu inej polohe, možno bližšie alebo ďalej od Jupiter než naposledy. Ak sme ešte ďalej, ako keď sme zatmenie videli naposledy, znamená to, že na to ďalšie musíme chvíľu počkať, pretože svetlo k nám prejde oveľa dlhšie a opak je pravdou. ak sme náhodou trochu bližšie k Jupiteru.

Rozdiely v načasovaní zatmení Io je možné vysvetliť iba vtedy, ak má svetlo konečnú rýchlosť.

Aby to niečo znamenalo

Pokračujúce merania v priebehu niekoľkých nasledujúcich storočí upevnili meranie rýchlosti svetla, ale až v polovici 19. storočia sa veci začali skutočne spájať. Vtedy fyzik James Clerk Maxwell omylom vynašiel svetlo.

Maxwell sa pohrával s vtedy zle pochopenými fenoménmi elektriny a magnetizmu, keď objavil jediný jednotný obraz, ktorý by mohol vysvetliť všetky nesúrodé pozorovania. Položiť základy toho, čo teraz chápeme elektromagnetická sila , v týchto rovniciach zistil, že zmena elektrických polí môže vytvárať magnetické polia a naopak. To umožňuje vlnám elektriny vytvárať vlny magnetizmu, ktoré pokračujú vo vytváraní vĺn elektriny a tam a späť a tam a späť, skákajúc cez seba, schopné cestovať priestorom.

A keď išiel vypočítať rýchlosť týchto takzvaných elektromagnetických vĺn, Maxwell dostal rovnaké číslo, aké vedci merali ako rýchlosť svetla po stáročia. Ergo, svetlo je vyrobené z elektromagnetických vĺn a pohybuje sa touto rýchlosťou, pretože presne tak rýchlo cestujú vlny elektriny a magnetizmu priestorom.

A to bolo všetko dobré, kým Einstein o niekoľko desaťročí neskôr neprišiel a neuvedomil si, že rýchlosť svetla nemá so svetlom vôbec nič spoločné. So svojou špeciálnou teóriou relativity si Einstein uvedomil skutočné spojenie medzi časom a priestorom, jednotnú štruktúru známu ako časopriestor. Ale ako všetci vieme, priestor je veľmi odlišný od času. Meter alebo stopa sa veľmi líši od sekundy alebo roka. Zdá sa, že ide o dve úplne odlišné veci.

Ako by teda mohli byť na rovnakej úrovni?

Potrebovalo to nejaké lepidlo, nejaké spojenie, ktoré nám umožnilo prekladať medzi pohybom v priestore a pohybom v čase. Inými slovami, musíme vedieť, koľko stojí napríklad jeden meter priestoru za čas. Aký je výmenný kurz? Einstein zistil, že existuje jedna konštanta, určitá rýchlosť, ktorá nám môže povedať, koľko priestoru je ekvivalentom času a naopak.

Einsteinove teórie nehovorili, čo to je za číslo, ale potom aplikoval špeciálnu relativitu na staré Maxwellove rovnice a zistil, že tento konverzný pomer je presne rýchlosť svetla.

Tento konverzný pomer, táto základná konštanta, ktorá zjednocuje priestor a čas, samozrejme nevie, čo je to elektromagnetická vlna, a dokonca ju to ani veľmi nezaujíma. Je to len nejaké číslo, ale ukazuje sa, že Maxwell už toto číslo vypočítal a objavil ho bez toho, aby o tom vôbec vedel. Je to preto, že všetky bezhmotné častice sú schopné cestovať touto rýchlosťou, a keďže svetlo je bezhmotné, môže sa pohybovať touto rýchlosťou. Rýchlosť svetla sa tak stala dôležitým základným kameňom modernej fyziky.

Ale napriek tomu, prečo to číslo s touto hodnotou, a nie nejaké iné náhodné číslo? Prečo si príroda vybrala toho a nikoho iného? Čo sa deje?

Súvisiace: Génius Alberta Einsteina: jeho život, teórie a vplyv na vedu

Robiť to bezvýznamným

Na čísle vlastne nezáleží. Má to predsa jednotky: metre za sekundu. A vo fyzike akékoľvek číslo, ku ktorému sú priradené jednotky, môže mať akúkoľvek starú hodnotu, ktorú chce, pretože to znamená, že musíte definovať, aké jednotky sú. Napríklad, aby ste mohli vyjadriť rýchlosť svetla v metroch za sekundu, musíte sa najskôr rozhodnúť, čo je to meter a čo je to sakra za sekundu. A tak je definícia rýchlosti svetla spojená s definíciami dĺžky a času.

Vo fyzike sa viac zaoberáme konštantami, ktoré nemajú jednotky ani rozmery - inými slovami, konštantami, ktoré sa v našich fyzikálnych teóriách objavujú iba ako obyčajné čísla. Zdá sa, že sú oveľa zásadnejšie, pretože nezávisia od žiadnej inej definície. Ďalší spôsob, ako to povedať, je, že keby sme sa stretli s nejakou mimozemskou civilizáciou, nemali by sme spôsob, ako porozumieť ich meraniu rýchlosti svetla, ale pokiaľ ide o bezrozmerné konštanty, všetci môžeme súhlasiť. Sú to len čísla.

Jedno také číslo je známe ako konštanta jemnej štruktúry, ktorá je kombináciou rýchlosti svetla, Planckova konštanta , a niečo známe ako permitivita voľného priestoru. Jeho hodnota je približne 0,007. 0,007 čo? Len 0,007. Ako som povedal, je to len číslo.

Na jednej strane môže byť rýchlosť svetla akákoľvek, čím chce byť, pretože má jednotky a my musíme jednotky definovať. Ale na druhej strane, rýchlosť svetla nemôže byť nič iné, ako presne taká, aká je, pretože ak by ste zmenili rýchlosť svetla, zmenili by ste konštantu jemnej štruktúry. ale náš vesmír vybral konštantu jemnej štruktúry na približne 0,007 a nič iné. To je jednoducho vesmír, v ktorom žijeme, a my v ňom nemáme vôbec na výber. A pretože je to pevné a univerzálne, rýchlosť svetla musí byť presne taká, aká je.

Prečo je teda konštanta jemnej štruktúry presne to číslo, aké je, a nie niečo iné? Dobrá otázka. Nevieme

Zistite viac počúvaním epizódy „Prečo je rýchlosť svetla taká, aká je?“ v podcaste Ask A Spaceman, dostupnom v iTunes a na webe http://www.askaspaceman.com. Ďakujem Robertovi H, Michaelovi E., @DesRon94, Evan W., Harry A., @twdixon, Hein P., Colin E. a Lothian53 za otázky, ktoré viedli k tomuto dielu! Položte si vlastnú otázku na Twitteri pomocou #AskASpaceman alebo sledovaním Paula @PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter.