Скорость света. Понятие «Световой год». Размеры Солнечной системы, галактики Млечный Путь
Практически все измерения во Вселенной происходят в так называемых световых годах. Например, размер нашей галактики Млечный путь составляет сто тысяч световых лет, а размер видимой Вселенной, приблизительно 42 миллиарды световых лет. Давайте посмотрим как рассчитывается световой год, какова скорость света.
Начнём с первого. Самые последние измерения говорят, что скорость света равна 299 792 458 метров в секунду, или 1 079 252 848,8 км/ч. Для удобства, чаще всего используют цифру 300 000 километров в секунду.
299 792 458 метров в секунду
или 300 000 километров в секунду
или 1 079 252 484.8 километров в час
Скорость заставляющая задуматься о размерах нашей Вселенной. Учитывая то, что свет от Земли до Солнца пролетает за 8 минут 20 секунд. А это на минуточку порядка 150 000 000 километров.
Наши космически аппараты такое расстояние преодолевают месяцами или даже годами.
Кстати, что вызывает проблему управления марсоходами на поверхности «Красной планеты».
Из физики известно, электромагнитная волна летит со скорость равную свету. То есть, 300 000 км в секунду.
Расстояние между Землёй и Марсом, варьируется от 55,76 млн км (когда Земля находится точно между Солнцем и Марсом), до — 401 млн км (когда Солнце находится точно между Землёй и Марсом).
Получается сигнал посланный на марсоход с Земли будет добираться минимум 3 минуты 10 секунд. Получается з минуты туда, три обратно. Всего более шести минут. Когда между планетами максимальное расстояние, на отправку и получение сигнала уйдёт порядка часа.
Управлять на прямую при такой задержке сигнала невозможно. Мы немного отвлеклись, возвращаемся к свету и световому году.
И так, световой год равен расстоянию, которое свет преодолеет за год, распространяясь в вакууме. Сразу сложно представить. Для наглядности, для понимания размеров Вселенной, напишу весь расчёт.
Скорость света составляет 300 000 км в секунду.
За 60 сек (минута) свет преодолеет 18 000 000 км.
За 3 600 сек (час) — 1 080 000 00 000 км.
За 34 часа (сутки) — 25 920 000 000 км.
За месяц (30 суток) свет «просвестит» — 77 760 000 000 км.
За год (365,2468) свет пройдёт расстояние равное 9 467 280 000 000 км. (триллион)
Получается один световой год равен 9 467 280 000 000 км. (триллион)
Источник
Галактики, двигающиеся со скоростью света
Время нужно только для того, чтобы всё не происходило одновременно.
— Альберт Эйнштейн
Нам известно количество галактик в нашей расширяющейся Вселенной (не менее 100 миллиардов), но не менее интересный вопрос – с какими скоростями они могут двигаться. Ведь поскольку Вселенная расширяется, то чем дальше от нас галактика, тем больше её скорость убегания.
Более того, поскольку расширение тоже ускоряется, галактики с течением времени улетают от нас всё быстрее. Значит, неудивительно, что свет убегающих галактик сдвигается в красную часть спектра.
И в этом нет ничего странного. Если объект двигается в вашу сторону и испускает свет, его волна сжимается и свет кажется более синим. Если объект двигается от вас, длина волны увеличивается и свет кажется более красным. И чем быстрее двигается источник света, тем сильнее сдвиг длины волн.
Но задумайтесь – если объект двигается от вас всё быстрее и быстрее, не увидим ли мы в какой-то момент объектов, приближающихся к скорости света?
Как известно, при приближении к скорости света происходит много всего: и вот два самых контринтуитивных явления, относящихся к специальной теории относительности.
Если вы покоитесь, а объект движется относительно вас со скоростью, существенной по сравнению со световой, вы заметите два очень странных эффекта: его длина будет сокращаться в направлении его движения, а время – замедляться. И, конечно же, вас сразу заинтересует вопрос – наблюдаются ли эти эффекты у удалённых галактик!
Сокращение длины измерить невозможно, поскольку мы можем мерить длины только в направлении, перпендикулярном линии взгляда, а расширение происходит параллельно ей. А что насчёт замедления времени? Есть оно или нет? Давайте подумаем, чего мы можем ожидать на основании предсказаний теории.
Изучаемая галактика не двигается с релятивистскими скоростями относительно объектов, находящихся в её локальном пространстве-времени. Происходит расширение пространства между нами и удалённой галактикой. Именно это расширение увеличивает длины волн фотонов, что и заставляет свет выглядеть краснее.
Но когда свет был испущен, время от пика до пика каждой волны было гораздо меньше, чем время, которое вы сможете наблюдать, когда эти пики дойдут до вас. Так что хотя наблюдаемая галактика физически не движется с релятивистской скоростью, замедление времени вы должны увидеть. Так можете ли вы это сделать? Что вы будете искать?
К примеру, известно, что спиральные галактики вращаются. Вы можете спросить, возможно ли увидеть замедление их вращения. К сожалению, в прошлом связь между яркостью галактики и её скоростью вращения в прошлом была не такой, как сейчас, поскольку спиральные галактики эволюционируют со временем.
Вы можете решить заняться наблюдением за квазарами, поскольку это очень яркие объекты, которые хорошо видно на больших расстояниях. Однако окружение, в котором они находятся, и источники переменных характеристик (например, гравитационное микролинзирование), отличаются у удалённых и у более близких к нам квазаров.
Ещё один кандидат – гамма-всплески, их можно увидеть на больших расстояниях. Но нам бы подошёл очень хорошо изученный класс объектов с неменяющимися во времени свойствами, которые можно наблюдать при сильном красном смещении. Если мы сможем измерить замедление времени у них, это будет финальная проверка теории!
Сверхновая типа Ia! У этих объектов очень хорошо изучена временная шкала, согласно которой они становятся ярче, затухают и исчезают.
Так что, если мы обнаружим удалённую сверхновую с сильным красным смещением, её световая кривая должна быть вытянутой по шкале времени. Что же происходит в реальности? Есть ли такие сверхновые?
Хотите – верьте, хотите – нет, но таких нашлось полно! Первая – сверхновая, удаляющаяся от нас со скоростью почти в 50% от скорости света – появилась в 1996 году! Затем ещё одна, и ещё, и сегодня у нас их целая толпа, и мы однозначно видим замедление времени у этих далёких галактик!
Красная линия – предсказание без замедления, синяя – с замедлением. Так что это на самом деле происходит!
Что удивительно, так это при наличии в такой галактике наблюдателя с очень мощным телескопом, способным увидеть нас, уже мы для него покажемся замедленными, в то время как они будут двигаться с нормальной для них скоростью!
Так что, наблюдая за очень удалёнными объектами, вы не только видите их в прошлом, отдалённом на миллиарды лет, вы видите их в замедленном движении! И пока вы размышляете об этом, знайте, что некто в миллиардах световых лет от нас может видеть, как вы размышляете об этом гораздо дольше!
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут
Читают сейчас
Редакторский дайджест
Присылаем лучшие статьи раз в месяц
Скоро на этот адрес придет письмо. Подтвердите подписку, если всё в силе.
Похожие публикации
Сверхновые помогут уточнить историю расширения Вселенной
Проблематика измерения скорости света
WSJ: Высокочастотные трейдеры внедряют полое оптоволокно, чтобы приблизиться к скорости света при передаче данных
Средняя зарплата в IT
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут
Минуточку внимания
Комментарии 20
Не могу ничего возразить по сути, но внутри такое чувство, что меня в чем-то обманывают.
Ну не могут два зрителя одновременно быть замедленными друг относительно друга.
Вот вам ещё один, если вдуматься, столь же контринтуитивный пример. Ваш друг Вася стоит в ста метрах от вас. Вам он кажется на таком расстоянии уменьшенным. Но, внезапно, и вы ему тоже кажетесь уменьшенным в той же степени!
Оговорюсь — это очень грубая аналогия, математика тут совершенно другая, и, пожалуйста, не делайте из этого примера далеко идущих выводов. Это просто пример того, как два зрителя могут наблюдать одно и то же явление относительно друг друга.
Ну, тут можно спорить, что в СТО я именно „вижу“ своей оптикой Васю уменьшенным в своей СО, а он в его собственной СО никак не изменился. И что уменьшенное изображение в первом случае — тоже в некоторых смыслах полностью реальное искажение, например, световой поток от васиного фонарика, долетающий до вас будет меньше.
Но я сразу и сказал, что аналогия очень грубая.
Если вам так важна теоретическая точность, я мог бы обсудить значимость „чисто оптических“ искажений и корректность фразы „переместиться в соседнюю точку, оставаясь в своей СО, и провести любые измерения“.
Но я лишь опять отмечу, что мой исходный комментарий содержал все возможные оговорки по поводу моей аналогии.
> корректность фразы „переместиться в соседнюю точку, оставаясь в своей СО, и провести любые измерения“
Ну представьте, что вы телепортировались без изменения импульса, а еще лучше — представьте, что вы изначально находитесь возле Васи.
Просто ваша аналогия создает впечатление, что эффекты искажения в СТО чисто иллюзорные, что движущийся объект только воспринимается нами как искаженный, а на самом деле не искажается. Но он не воспринимается таким, он именно что абсолютно реально искажается в нашей СО.
Вы точно СТО знаете?
Как попасть в соседнюю точку — как раз не проблема. Например, дождаться, когда Вася мимо пролетит.
Ключевой вопрос, естественно, в проведении измерений. Что линейных размеров, что замедления времени, что относительной скорости. Всё это невозможно проделать в одной точке пространства-времени.
А уменьшение предметов с растоянием — это не абсолютно реальный эффект?
Естественно, под уменьшением я имею в виду уменьшение угловых размеров, а вы что подумали?
Мне кажется, что-то здесь не так.
А именно: сейчас с досветовой скоростью расширяется только часть Вселенной, ограниченная расстоянием с/H0, называемым радиусом Хаббла. Это лишь часть наблюдаемой Вселенной, которая втрое больше, и на границах которой скорость расширения Вселенной сейчас превышает световую тоже втрое. (На приведённом графике (5-ая картинка) сверхсветовая скорость тоже присутствует).
Но если в формулу специальной теории относительности t = t0 * квадратный корень (1 — v 2 /c 2 ) подставить сверхсветовую скорость, то получится мнимое значение.
Тем более, в космологии нельзя пренебречь общей теорией относительности, и только специальной не обойтись.
Значит, этот эффект замедления должен иметь какую-то другую причину… (Я бы предположил следующее: представьте источник, излучающий к нам 1 фотон в секунду. Если источник покоится, то мы будем получать тоже 1 фотон в секунду. Если же он удаляется, то — с меньшей частотой из-за постоянно растущего расстояния. Фактически, мы будем наблюдать замедление процессов в источнике. К тому же, на приведённом графике замедление зависит от красного смещения линейно).
Но если в формулу специальной теории относительности t = t0 квадратный корень (1 — v2/c2) подставить сверхсветовую скорость, то получится мнимое значение.*
А вот не надо её туда подставлять, не понимая границ применимости теории.
СТО справедлива для стационарного плоского пространства-времени, в космологически локальных масштабах, а не для расширяющейся вселенной.
Мой косяк. Когда я читал эту статью в декабре 2016 года, мне почему-то показалось, что автор считает, будто наблюдаемое замедление времени в галактиках происходит благодаря эффекту специальной теории относительности.
Сейчас я её перечитал и вижу, что это не так. Про замедление времени в специальной теории относительности говорится лишь в начале статьи, но потом сказано:
Изучаемая галактика не двигается с релятивистскими скоростями относительно объектов, находящихся в её локальном пространстве-времени. Происходит расширение пространства между нами и удалённой галактикой. Именно это расширение увеличивает длины волн фотонов, что и заставляет свет выглядеть краснее.
Но когда свет был испущен, время от пика до пика каждой волны было гораздо меньше, чем время, которое вы сможете наблюдать, когда эти пики дойдут до вас. Так что хотя наблюдаемая галактика физически не движется с релятивистской скоростью, замедление времени вы должны увидеть.
То есть автор считает причиной наблюдаемого замедления времени не скорость галактики, а расширение пространства. Что и есть правильно.
Вообще, я представляю ситуацию так. В космологии есть две скорости — рецессионная и пекулярная. Рецессионная — это скорость «расширения пространства». Она вычисляется по закону Хаббла v = H(t)*r. Пекулярная — это скорость объекта «относительно пространства». Скорость объекта складывается из его рецессионной и пекулярной скоростей. Для света пекулярная скорость равна c. Для больших объектов вроде галактик пекулярная скорость, как правило, близка к нулю. Так вот, эффекты СТО накладываются именно на пекулярную скорость, но не на рецессионную. В частности, у пекулярной скорости ограничение не более c, рецессионная же скорость может быть сколько угодно больше c (на бесконечном расстоянии она, соответственно, тоже стремится к бесконечности). И, поскольку у галактик пекулярная скорость небольшая, в них почти нет релятивистского замедления времени. Наблюдаемое замедление времени в галактиках имеет другую причину — увеличивается время, которое требуется свету для преодоления расстояния от галактики до нас. И это кажущееся замедление времени (в отличие от реального замедления времени в СТО). Кстати, красное смещение — это, фактически, тот же самый эффект. Ведь свет — это электромагнитная волна, то есть периодический процесс, а красное смещение можно рассматривать как замедление этого периодического процесса.
Специалисты по космологии, если не трудно, пожалуйста, проверьте вышесказанное.
Кстати, в формуле, которую я написал, t — это интервал времени, который показывают часы, движущиеся вместе с объектом, а t0 — покоящиеся (то есть «наши»). (Чаще это формула записывается наоборот).
Источник