Одакле брзина светлости и зашто је тако тврдоглава?
НАСА, ЕСА, ЦКСЦ, ССЦ
Следи извод из нашег билтена Лост ин Спаце-Тиме. Сваког месеца урањамо у фасцинантне идеје из целог универзума. Можеш пријавите се за Изгубљени у свемирском времену овде.
Ако сте похађали часове физике на универзитетском нивоу, имаћете „лепа“ сећања на то да сте замољени да измерите брзину светлости и – ако сте током неколико сати успели да правилно поставите огледала, сочива и извор светлости – да добијете одговор од нешто мање од 300 милиона метара у секунди. То је основна константа у физици, она коју је кључно разумети ако желите да научите било шта о универзуму.
Када погледамо у космос, светлост је наш једини ресурс – па, не баш једини, али гравитациони таласи су прилично ограничени у ономе што нам тренутно могу показати, па опростите на малом претеровању. Практично сваки напредак у астрономији и космологији заснива се на прикупљању светлости која је путовала милионима или милијардама година са ивица стварности. Чак је и светлост од најближе звезде нашем соларном систему путовала више од четири године да би стигла до нас. Време потребно светлости да путује може бити међу најкориснијим – и најмање интуитивним – деловима физике.
Људи се расправљају о брзини светлости много пре него што смо имали представу шта је светлост заправо. Вековима су многи најсјајнији умови мислили да се светлост заправо емитује из вашег ока као нека врста фењера, делом због тога како очи неких животиња светле под одређеним угловима у мраку. Упркос томе, и даље су се расправљали о томе да ли се светлост преноси тренутно или је требало времена да путује, а ово није било исправно тестирано све до 17. века.
Најранији покушаји да се квантификује укључивали су постављање фењера на извесној удаљености од посматрача и мерење временске разлике између лампе која се отвара и посматрача који види њену светлост. То није функционисало (Галилео и његови савременици нису могли да добију коначна мерења јер су посматрачи били превише близу фењера), и на крају су научници прешли на сложеније и прецизније методе. Први који је заиста функционисао појавио се 1675. године, када је Оле Ромер радио на мерењу орбиталног периода Јупитеровог месеца Ио. Ромер је приметио да се период мења како се растојање између Земље и Јупитера временом помера, што уопште није имало смисла – зашто би Иова орбита имала икакве везе са положајем Земље? У ствари, изгледало је другачије само због времена потребног светлости да путује од Иа до Земље, што је краће када су њих двоје ближе. Један од његових колега, Кристијан Хајгенс, извршио је математику и открио да је брзина светлости око 220.000.000 метара у секунди. Ово није било сасвим у реду, делимично зато што још нисмо знали детаље Земљиних кретања, али то је у плану, а процене су одатле постале боље како су научници развили прецизније технике мерења. До средине 18тх века, измерене вредности су биле унутар неколико процената тренутно прихваћеног броја од 299.792.458 метара у секунди за брзину светлости у вакууму.
То отвара два питања: зашто је брзина светлости тако насумичан број и зашто уопште постоји ограничење брзине? На прво је лако одговорити: има везе са нашим јединицама, јер су метри и секунде (или миље и сати, или које год свакодневне јединице желите да користите) прво дефинисани у смислу људског искуства света – на пример, миља је била хиљаду корака – што није имало никакве везе са фундаменталним константама. Други је компликованији и има везе са специјалном релативношћу.
Наш одговор ћемо пронаћи у можда најпознатијој једначини икада написаној: е=мц2. Ово има много импликација, али на свом најосновнијем нивоу, то значи да можемо замислити енергију и масу као заменљиве. Када се објекти крећу изузетно великим, или релативистичким, брзинама, волим да мислим о њима као да имају само импулс, који је комбинација њихове масе и брзине. Ако желите да убрзате неки објекат, морате наставити да уливате све више енергије у њега. Масивни објекат који се креће брзином светлости имао би бесконачан замах, који можете замислити као бесконачну енергију или бесконачну масу. То једноставно није могуће: док се објекат приближи брзини светлости, његова маса би постала толико огромна да би било немогуће даље убрзати. Али светлост нема масу, тако да лако заобилази овај проблем.
Специјална теорија релативности такође значи да би спољни стационарни посматрач видео нешто заиста откачено ако би ово посматрао. Када се објекат креће релативистичком брзином, споља изгледа да се време успорава за тај објекат. Да сам се удаљавао од тебе брзином од 99 процената брзине светлости, видео би како се моје старење успорава. Ово се зове дилатација времена. Други део се зове контракција дужине – да сам одлетео од вас главом, у Суперменовом стилу, такође бисте видели да постајем све краћи како сам био бржи. Из свог брзог референтног оквира, не бих осетио успоравање времена или себе како се смањујем, али споља, што сам се приближавао брзини светлости, постајао бих краћи и безстарији.
То је проблем, јер ако бих икада достигао брзину светлости, посматрач споља би видео да време потпуно стаје за мене када је моја висина достигла нулу. Избрисао бих из постојања, заједно са простор-време које путује са мном. На моју срећу, закони физике то не дозвољавају. Једине ствари које могу да достигну то ограничење брзине су безмасе: фотони, глуони, ефекти гравитације и то је то. Ништа не може брже путовати кроз простор-време.
Уместо да будемо фрустрирани овим космичким ограничењем брзине, можемо се радовати, јер брзина светлости има једну веома важну последицу: целокупну идеју последица. Цела физика, наше целокупно разумевање свега, засновано је на темељу узрочности, идеји да последица увек следи узрок и никада обрнуто.
Размислите о томе на овај начин: док се приближавам брзини светлости, ви посматрате како време за мене успорава. Када бих достигао брзину светлости, она би стала. А да идем још брже, кренуло би у супротном смеру. Путујући брже од брзине светлости, као што се посматра из вашег референтног оквира, кретао бих се уназад у времену. Ако бих вам послао сигнал који је путовао брже од брзине светлости, као нека врста магичне текстуалне поруке која пркоси физици, добили бисте га пре него што сам га послао. Без нашег универзалног ограничења брзине, било би немогуће рећи који је догађај изазвао какав ефекат – све у вези са универзумом било би прилично несхватљиво.
То ме води до моје последње тачке, оне за коју сматрам да је запањујуће и забавно размишљати. Ако је сваком сигналу потребно време да путује, а време се креће различито у референтним оквирима који путују различитим брзинама један у односу на други, шта значи да се два догађаја одвијају „у исто време“? Ако намигнем себи у огледалу, намигивање које видим рефлектовано се заправо дешава само мали део времена касније од намигивања које сам физички учинио, јер је светлост морала да се одбије од мог лица, затим од огледала, а затим се врати у моје очи да бих приметила. Ако кажете да су се два догађаја на различитим локацијама у свемиру догодила у исто време, морам да питам „по коме?“. У зависности од удаљености између две локације, могуће је да ће се за једног посматрача први десити Догађај 1, а за другог, Догађај 2 претходити Догађају 1. Не постоји таква ствар као што је објективна симултаност – не постоји таква ствар као што је „у исто време“ – и све зато што светлост има брзину. Дивље, зар не?
Теме:
