Ar žinote, kodėl astronomai nenaudoja šviesmečių, kad apskaičiuotų atstumus iki tolimų objektų erdvėje?
Šviesmetis yra nesisteminis atstumų kosminėje erdvėje matavimo vienetas. Jis plačiai naudojamas populiariose astronomijos knygose ir vadovėliuose. Tačiau profesionalioje astrofizikoje šis skaičius naudojamas itin retai ir dažnai naudojamas atstumams iki netoliese esančių objektų erdvėje nustatyti. To priežastis paprasta: jei nustatysite atstumą šviesmečiais iki tolimų Visatoje esančių objektų, skaičius pasirodys toks didžiulis, kad jį naudoti fiziniams ir matematiniams skaičiavimams bus nepraktiška ir nepatogu. Todėl vietoj šviesmečių profesionalioje astronomijoje naudojamas matavimo vienetas, kurį daug patogiau valdyti atliekant sudėtingus matematinius skaičiavimus.
Sąvokos apibrėžimas
Sąvokos „šviesmetis“ apibrėžimą galime rasti bet kuriame astronomijos vadovėlyje. Šviesmečiai – tai atstumas, kurį šviesos spindulys nukeliauja per vienerius Žemės metus. Toks apibrėžimas gali patenkinti mėgėją, bet kosmologui jis bus neišsamus. Jis pastebės, kad šviesmečiai yra ne tik atstumas, kurį šviesa nukeliauja per metus, bet ir atstumas, kurį šviesos spindulys nukeliauja vakuume per 365,25 Žemės paros, neveikiant magnetinių laukų.
Šviesmetis yra lygus 9,46 trilijono kilometrų. Būtent tokį atstumą šviesos spindulys nukeliauja per metus. Bet kaip astronomams pavyko taip tiksliai nustatyti spindulių kelią? Apie tai kalbėsime žemiau.
Kaip buvo nustatytas šviesos greitis?
Senovėje buvo tikima, kad šviesa po visatą pasklinda akimirksniu. Tačiau nuo XVII amžiaus mokslininkai pradėjo tuo abejoti. Galilėjus pirmasis suabejojo aukščiau pasiūlytu teiginiu. Būtent jis bandė nustatyti laiką, per kurį šviesos spindulys nukeliautų 8 km atstumą. Tačiau dėl to, kad toks atstumas buvo nežymiai mažas tokiam kiekiui kaip šviesos greitis, eksperimentas baigėsi nesėkme.
Pirmasis didelis poslinkis šiuo klausimu buvo garsaus danų astronomo Olafo Roemerio stebėjimas. 1676 metais jis pastebėjo užtemimų laiko skirtumą, priklausantį nuo Žemės artėjimo ir atstumo iki jų kosminėje erdvėje. Roemeris šį stebėjimą sėkmingai susiejo su tuo, kad kuo toliau Žemė tolsta, tuo ilgiau nuo jų atsispindėjusi šviesa nukeliauja iki mūsų planetos.
Roemeris tiksliai suvokė šio fakto esmę, tačiau jis niekada negalėjo apskaičiuoti patikimos šviesos greičio vertės. Jo skaičiavimai buvo neteisingi, nes XVII amžiuje jis negalėjo turėti tikslių duomenų apie atstumą nuo Žemės iki kitų Saulės sistemos planetų. Šie duomenys buvo nustatyti šiek tiek vėliau.
Tolesnė mokslinių tyrimų pažanga ir šviesmečio apibrėžimas
1728 metais anglų astronomas Jamesas Bradley, atradęs žvaigždžių aberacijos poveikį, pirmasis apskaičiavo apytikslį šviesos greitį. Jis nustatė jo vertę 301 tūkst. km/s. Tačiau ši vertė buvo netiksli. Pažangesni šviesos greičio skaičiavimo metodai buvo sukurti neatsižvelgiant į kosminius kūnus – Žemėje.
Šviesos greičio vakuume stebėjimus naudojant besisukantį ratą ir veidrodį atliko atitinkamai A. Fizeau ir L. Foucault. Jų pagalba fizikai sugebėjo priartėti prie tikrosios šio dydžio vertės.
Tikslus šviesos greitis
Tikslų šviesos greitį mokslininkams pavyko nustatyti tik praėjusiame amžiuje. Remdamiesi Maksvelo elektromagnetizmo teorija, pasitelkę šiuolaikines lazerių technologijas ir skaičiavimus, pataisytus pagal spindulių srauto ore lūžio rodiklį, mokslininkams pavyko apskaičiuoti tikslų šviesos greitį – 299 792,458 km/s. Astronomai vis dar naudoja šį kiekį. Tolesnis šviesos paros valandų, mėnesio ir metų nustatymas jau buvo technologijos reikalas. Atlikę paprastus skaičiavimus, mokslininkai pasiekė 9,46 trilijono kilometrų skaičių – būtent tiek laiko prireiktų šviesos pluoštui nukeliauti Žemės orbitos ilgį.
Tikrai, išgirdęs kokiame nors mokslinės fantastikos veiksmo filme posakį a la „dvidešimt iki Tatuino šviesmečiai“, – daugelis uždavė pagrįstų klausimų. Paminėsiu kai kuriuos iš jų:
Argi ne metai laiko?
Tada kas yra šviesmetis?
Kiek tai kilometrų?
Kiek laiko reikės įveikti šviesmetis erdvėlaivis su Žemė?
Šiandienos straipsnį nusprendžiau skirti šio matavimo vieneto reikšmės paaiškinimui, palyginimui su įprastais kilometrais ir jo veikimo skalės demonstravimui. Visata.
Virtualus lenktynininkas.
Įsivaizduokime žmogų, pažeisdamas visas taisykles, greitkeliu lekiantį 250 km/h greičiu. Per dvi valandas jis įveiks 500 km, o per keturias – net 1000. Nebent, žinoma, proceso metu sudužtų...
Atrodytų, tai greitis! Tačiau norint apvažiuoti visą Žemės rutulį (≈ 40 000 km), mūsų lenktynininkui prireiks 40 kartų daugiau laiko. Ir tai jau yra 4 x 40 = 160 valandų. Arba beveik visą savaitę nepertraukiamo vairavimo!
Tačiau galiausiai nepasakysime, kad jis įveikė 40 000 000 metrų. Nes tinginystė mus visada vertė sugalvoti ir naudoti trumpesnius alternatyvius matavimo vienetus.
Riba.
Iš mokyklos fizikos kurso visi turėtų žinoti, kad greičiausias motociklininkas Visata- šviesa. Per vieną sekundę jo spindulys įveikia maždaug 300 000 km atstumą, taigi jis aplink Žemės rutulį apskris per 0,134 sekundės. Tai 4 298 507 kartus greičiau nei mūsų virtualus lenktynininkas!
Iš Žemėį Mėnulisšviesa vidutiniškai siekia 1,25 s, iki Saulė jo spindulys pasieks kiek daugiau nei per 8 minutes.
Kolosalu, ar ne? Tačiau didesnių už šviesos greitį greičių egzistavimas dar neįrodytas. Todėl mokslo pasaulis nusprendė, kad būtų logiška kosmines skales matuoti vienetais, kuriuos radijo banga (kurią ypač šviesa) sklinda tam tikrais laiko intervalais.
Atstumai.
Taigi, šviesmetis- ne daugiau kaip atstumas, kurį šviesos spindulys nukeliauja per vienerius metus. Tarpžvaigždinėse skalėse naudoti mažesnius atstumo vienetus nėra prasmės. Ir vis dėlto jie ten yra. Štai apytikslės jų vertės:
1 šviesos sekundė ≈ 300 000 km;
1 šviesos minutė ≈ 18 000 000 km;
1 šviesos valanda ≈ 1 080 000 000 km;
1 šviesi diena ≈ 26 000 000 000 km;
1 šviesos savaitė ≈ 181 000 000 000 km;
1 šviesos mėnuo ≈ 790 000 000 000 km.
Dabar, kad suprastumėte, iš kur kilę skaičiai, paskaičiuokime, kam vienas yra lygus šviesmetis.
Metuose yra 365 dienos, paroje – 24 valandos, valandoje – 60 minučių, o minutę – 60 sekundžių. Taigi metai susideda iš 365 x 24 x 60 x 60 = 31 536 000 sekundžių. Per vieną sekundę šviesa nukeliauja 300 000 km. Todėl per metus jo spindulys įveiks 31 536 000 x 300 000 = 9 460 800 000 000 km atstumą.
Šis skaičius skamba taip: Devyni TRILIJONAI, KETURI Šimtai ŠEŠIASdešimt milijardų IR AŠTUoni šimtai MILIJONŲ kilometrų.
Žinoma, tiksli prasmė šviesmečiaišiek tiek skiriasi nuo to, ką apskaičiavome. Tačiau mokslo populiarinimo straipsniuose aprašant atstumus iki žvaigždžių didžiausio tikslumo iš principo nereikia, o šimtas ar du milijonai kilometrų čia neturės ypatingo vaidmens.
Dabar tęskime minčių eksperimentus...
Skalė.
Tarkime, kad šiuolaikiška erdvėlaivis lapai saulės sistema su trečiuoju pabėgimo greičiu (≈ 16,7 km/s). Pirma šviesmetis jis tai įveiks per 18 000 metų!
4,36 šviesmečiaiį artimiausią mums žvaigždžių sistemą ( Alfa Kentauras, žiūrėkite paveikslėlį pradžioje) jis įveiks maždaug per 78 tūkstančius metų!
Mūsų Paukščių Tako galaktika, kurio skersmuo yra maždaug 100 000 šviesmečiai, jis kirs po 1 milijardo 780 milijonų metų.
Kad ir kokį gyvenimo būdą begyventume, kad ir ką darytume, vienaip ar kitaip, kiekvieną dieną naudojame tam tikrus matavimo vienetus. Paprašome stiklinės vandens, pašildome pusryčius iki tam tikros temperatūros, vizualiai įvertiname, kiek reikia nueiti iki artimiausio pašto, susitariame dėl susitikimo tam tikru laiku ir pan. Visi šie veiksmai reikalauja
Ne tik skaičiavimai, bet ir tam tikras įvairių skaitinių kategorijų matavimas: atstumas, kiekis, svoris, laikas ir kt. Kasdieniame gyvenime reguliariai naudojame skaičius. Ir mes jau seniai pripratome prie šių skaičių, tarsi prie kažkokių instrumentų. Bet kas nutinka, kai išeiname iš kasdienės komforto zonos ir susiduriame su mums neįprastomis skaitinėmis reikšmėmis? Šiame straipsnyje kalbėsime apie fantastiškas Visatos figūras.
Universalios erdvės
Dar labiau stebina situacija su kosminiais atstumais. Puikiai žinome kilometrus iki gretimo miesto ir net nuo Maskvos iki Niujorko. Tačiau sunku įsivaizduoti atstumus, kai kalbama apie žvaigždžių spiečių mastą. Būtent dabar mums reikės vadinamųjų šviesmečių. Juk atstumai net tarp gretimų žvaigždžių yra itin dideli, o matuoti juos kilometrais ar myliomis yra tiesiog neracionalu. Ir čia svarbu ne tik didžiulių gautų skaičių suvokimo sunkumai, bet ir jų nulių skaičius. Tai tampa problema parašyti numerį. Pavyzdžiui, atstumas nuo Žemės iki Marso artimiausio priartėjimo laikotarpiu yra 55,7 milijono kilometrų. Vertė su šešiais nuliais. Tačiau Marsas yra vienas iš artimiausių mūsų kosminių kaimynų! Atstumas iki artimiausios žvaigždės, išskyrus Saulę, bus milijonus kartų didesnis. Ir tada, nesvarbu, ar mes jį matuotume kilometrais ar myliomis, astronomai turės praleisti valandas savo laiko vien fiksuodami šiuos milžiniškus kiekius. Šviesmečiai išsprendė šią problemą. Sprendimas buvo gana išradingas.
Kam lygūs šviesmečiai?
Užuot sugalvojus naują matavimo vienetą, kuris yra mažesnės eilės vienetų suma (kaip nutinka su milimetrais, centimetrais, metrais, kilometrais), buvo nuspręsta susieti atstumą su laiku. Tiesą sakant, tai, kad laikas taip pat yra fizinis laukas, turintis įtakos įvykiams, yra daugiau
Be to, sujungtą ir konvertuojamą su erdve, jį atrado Albertas Einšteinas ir įrodė jo reliatyvumo teorija. Šviesos greitis tapo pastovus. O tam tikro atstumo praėjimas šviesos pluoštu per laiko vienetą davė naujus fizikinius erdvinius dydžius: šviesos sekundę, šviesos minutę, šviesos dieną, šviesų mėnesį, šviesmetį. Pavyzdžiui, per sekundę šviesos spindulys (kosmoso sąlygomis – vakuumas) nukeliauja maždaug 300 tūkstančių kilometrų atstumą. Nesunku apskaičiuoti, kad vieni šviesmečiai yra lygūs maždaug 9,46 * 10 15. Taigi atstumas nuo Žemės iki artimiausio kosminio kūno Mėnulio yra šiek tiek didesnis nei viena šviesos sekundė, o iki Saulės – apie aštuonias šviesos minutes. Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, išoriniai Saulės sistemos kūnai sukasi orbitoje vienų šviesmečių atstumu. Kita artimiausia mums žvaigždė, tiksliau, dvigubų žvaigždžių sistema Alfa ir Proksima Centauri yra taip toli, kad net iš jų šviesa mūsų teleskopus pasiekia tik praėjus ketveriems metams po paleidimo. Ir tai vis dar yra arčiausiai mūsų esantys dangaus kūnai. Šviesa iš kito Paukščių Tako galo mus pasiekia daugiau nei šimtą tūkstančių metų.
Medžiagą parengė Aleksandras Zaninas
Šviesos sekundė yra ilgio vienetas, naudojamas astronomijoje, telekomunikacijose ir reliatyvistinėje fizikoje. Jis apibrėžiamas kaip atstumas, kurį šviesa nukeliauja laisvoje erdvėje per vieną sekundę, ir yra lygiai 299 792 458 metrai. Tai yra šiek tiek daugiau nei 186 282 mylių ir beveik 9,84 x 10 8 pėdų.
Be to, šviesos greitis yra pagrindas kitiems laiko ir ilgio vienetams, pradedant nuo šviesos nanosekundės (šiek tiek mažiau nei viena JAV ar Didžiosios Britanijos pėda) iki šviesos minutės, šviesos valandos ir šviesos dienos, kuri kartais naudojama. mokslo populiarinimo leidiniuose. Šiuo metu dažniausiai naudojami šviesmečiai apibrėžiami kaip tiksliai 31 557 600 šviesos sekundžių, nes metų apibrėžimas pagrįstas Julijaus metų trukmės apibrėžimu (ne Grigaliaus) 365,25 dienos, kurių kiekviena yra lygiai 86 400 SI sekundžių.
Skaitiklio apibrėžimas
Metras yra atstumas, kurį šviesa nukeliauja vakuume per 1/299792458 sekundės intervalą.
Pagal šį apibrėžimą šviesos greitis vakuume yra 299792458 m/s, todėl šviesos sekundė atitinka 299792458 m.
Naudojimas telekomunikacijose
Ryšio signalai į Žemę retai kada sklinda tiksliai šviesos greičiu laisvoje erdvėje, tačiau šviesos sekundžių dalių atstumai vis tiek yra naudingi planuojant telekomunikacijų tinklus, nes jie rodo mažiausią įmanomą delsą tarp siuntėjo ir gavėjo.
Viena nanosekundė šviesos yra beveik 300 milimetrų (299,8 mm, 5 mm mažiau nei viena pėda), o tai riboja duomenų perdavimo greitį tarp skirtingų didelio kompiuterio dalių.
Viena šviesos mikrosekundė atitinka maždaug 300 metrų atstumą.
Vidutinis atstumas, jei signalas sklinda palei Žemės perimetrą, tarp priešingų Žemės kraštų yra 66,8 šviesos milisekundės.
Ryšių palydovai paprastai yra nuo 1,337 šviesos milisekundžių (žemos Žemės orbitos) iki 119,4 šviesos milisekundžių (geostacionarios orbitos) aukštyje nuo Žemės paviršiaus. Todėl ryšys per geostacionarines palydovines sistemas visada vėluoja mažiausiai ketvirtadaliu sekundės (119,4 ms *2 kartus); šis delsimas vos pastebimas transokeaniniuose telefono pokalbiuose, nukreiptuose per palydovą.
Naudojimas astronomijoje
Šviesos sekundė yra patogus vienetas atstumams vidinėje Saulės sistemoje matuoti, nes labai tiksliai atitinka radiometrinius duomenis, naudojamus jiems nustatyti (antžeminiam stebėtojui atitiktis nėra tiksli, nes labai mažai koreguojama dėl reliatyvumo poveikio). . Astronominio vieneto reikšmė (pvz., atstumas nuo Žemės iki Saulės) šviesos sekundėmis yra vienas iš pagrindinių šiuolaikinių efemerų (planetų koordinačių lentelės) skaičiavimo matavimų: tai paprastai vadinama "šviesos laiko vienetu per atstumo vienetą". astronominių konstantų lentelėse, o Šiuo metu jo reikšmė (atstumas nuo Žemės iki Saulės) yra 499,004786385 (20) s.
- Vidutinis Žemės skersmuo yra apie 0,0425 šviesos sekundės.
- Vidutinis atstumas nuo Žemės iki Mėnulio yra apie 1,282 šviesos sekundės.
- Saulės skersmuo yra apie 4,643 šviesos sekundės.
- Vidutinis atstumas nuo Žemės iki Saulės yra 499,0 šviesos sekundės.
- Šviesos sekundės kartotinis gali būti nustatytas, nors, be šviesmečio, jis dažniau naudojamas mokslo populiarinimo leidiniuose nei moksliniuose tiriamuosiuose darbuose. Pavyzdžiui, šviesos minutė yra lygi 60 šviesos sekundžių, o vidutinis atstumas nuo Žemės iki Saulės yra 8,317 šviesos minučių.
- Šviesos sekundė: 2,997924580 × 10^8 m 2,998 * 10^5 km 1,863 × 10^5 mylių. Vidutinis atstumas nuo Žemės iki Mėnulio yra apie 1,282 šviesos sekundės.
- Šviesos minutė = 60 šviesos sekundžių – 1,798754748 × 10^10 m = 1,799 × 10^7 km = 1,118 × 107 mylių. Vidutinis atstumas nuo Žemės iki Saulės yra 8,317 šviesos minučių.
- šviesos valanda = 60 šviesos minučių
- = 3600 šviesos sekundžių 1,079252849 × 10^12 m = 1,079 × 10^9 km = 6,706 × 108 mylių. Pusiau pagrindinė Plutono orbitos ašis yra apie 5473 šviesos valandos.
- dienos šviesa = 24 dienos šviesos valandos =
- = 86400 šviesos sekundžių – 2,590206837 × 10^13 m = 2,590 *10^10 km = 1,609 × 10^10 mylių. Labiausiai nutolusi nuo Saulės planeta Sedna šiuo metu yra nutolusi nuo Saulės per 0,52 šviesdienių orbita, kuri svyruoja nuo 0,44 šviesdienos perigėjuje iki 5,41 šviesdienos apogėjuje.
- Šviesi savaitė = 7 šviesos dienos
- = 604800 šviesos sekundžių -1,813144786 × 10^14 m = 1,813 × 10^11 km = 1,127 × 10^11 mylių. Manoma, kad Oorto ūkas užima 41–82 šviesos savaičių atstumu nuo Saulės.
- Šviesmečiai = 365,25 šviesos dienos =
- = 31557600 šviesos sekundžių 9,460730473 × 1015 m = 9,461 × 1012 km = 5,879 × 1012 mylių. Proxima Centauri yra arčiausiai Saulės esanti žvaigždė, esanti maždaug 4,24 šviesmečio atstumu nuo Žemės.
Tyrinėdami savo planetą, šimtus metų žmonės išrado vis daugiau naujų sistemų, skirtų atstumo segmentams matuoti. Dėl to universaliu ilgio vienetu nuspręsta laikyti metrą, o ilgą atstumą matuoti kilometrais.
Tačiau dvidešimtojo amžiaus atėjimas žmonijai iškėlė naują problemą. Žmonės pradėjo atidžiai tyrinėti kosmosą – ir paaiškėjo, kad Visatos platybės yra tokios didelės, kad kilometrai čia tiesiog netinka. Įprastiniais vienetais vis tiek galite išreikšti atstumą nuo Žemės iki Mėnulio arba nuo Žemės iki Marso. Bet jei bandysite nustatyti, kiek kilometrų yra artimiausia žvaigždė nuo mūsų planetos, skaičius „užauga“ neįsivaizduojamu skaičiumi po kablelio.
Kam lygus 1 šviesmetis?
Tapo akivaizdu, kad kosmoso erdvėms tyrinėti reikia naujo matavimo vieneto – juo tapo šviesmetis. Per vieną sekundę šviesa nukeliauja 300 000 kilometrų. Šviesmetis - tai atstumas, kurį šviesa nukeliaus lygiai per vienerius metus – ir išvertus į labiau pažįstamą skaičių sistemą, šis atstumas lygus 9 460 730 472 580,8 kilometro. Akivaizdu, kad naudoti lakonišką „vienus šviesmečius“ yra daug patogiau, nei kiekvieną kartą naudoti šį didžiulį skaičių skaičiavimuose.
Iš visų žvaigždžių Proxima Centauri yra arčiausiai mūsų - ji yra „tik“ už 4,22 šviesmečio. Žinoma, kilometrais skaičius bus neįsivaizduojamai didžiulis. Tačiau viskas išmokstama lyginant – jeigu pagalvoti, kad artimiausia galaktika, vadinama Andromeda, nuo Paukščių Tako nutolusi net per 2,5 milijono šviesmečių, minėta žvaigždė išties ima atrodyti kaip labai artima kaimynė.
Beje, šviesmečių naudojimas padeda mokslininkams suprasti, kuriuose Visatos kampeliuose prasminga ieškoti protingos gyvybės, o kur radijo signalų siuntimas yra visiškai nenaudingas. Juk radijo signalo greitis panašus į šviesos greitį – atitinkamai link tolimos galaktikos siunčiamas linkėjimas tikslą pasieks tik po milijonų metų. Protingiau tikėtis atsakymo iš artimesnių „kaimynų“ – objektų, kurių hipotetiniai atsako signalai žemiškuosius prietaisus pasieks bent jau per žmogaus gyvenimą.
Kiek Žemės metų yra 1 šviesmetis?
Yra plačiai paplitusi klaidinga nuomonė, kad šviesmetis yra laiko vienetas. Tiesą sakant, tai netiesa. Šis terminas neturi nieko bendra su žemiškais metais, niekaip su jais nesusijęs ir reiškia tik atstumą, kurį šviesa nukeliauja per vienerius žemiškuosius metus.
