Kosminiai šviesos metai. Kas yra šviesmetis

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, jei išmatuotume jį kilometrais ar myliomis, astronomai turėtų 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 idėjomis, 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.

Kaip žinote, norėdami išmatuoti atstumus nuo Saulės iki planetų, taip pat tarp planetų, mokslininkai sugalvojo astronominį vienetą. kas tai yra šviesmetis?

Visų pirma, reikia pastebėti, kad šviesmetis taip pat yra astronomijoje priimtas matavimo vienetas, bet ne laiko (kaip gali atrodyti, sprendžiant iš žodžio „metai“ reikšmės), o atstumo matavimo vienetas.

Kam lygūs šviesmečiai?

Kai mokslininkams pavyko apskaičiuoti atstumus iki artimiausių žvaigždžių, tapo akivaizdu, kad astronominis vienetas yra nepatogus naudoti žvaigždžių pasaulyje. Tarkime, kad atstumas nuo Saulės iki artimiausios žvaigždės yra maždaug 4,5 šviesmečio. Tai reiškia, kad šviesa nuo mūsų Saulės iki artimiausios žvaigždės (beje, ji vadinama Proxima Centauri) nukeliauja per 4,5 metų! Kiek toli šis atstumas? Nevarginkime niekam matematikos, tik atkreipkime dėmesį, kad per sekundę šviesos dalelės nuskrenda 300 000 kilometrų. Tai yra, jei žibintuvėliu siunčiate signalą Mėnulio link, ši šviesa ten bus matoma greičiau nei per pusantros sekundės. Šviesa iš Saulės į Žemę nukeliauja per 8,5 minutės. Kiek tada šviesos spinduliai sklinda per metus?

Iš karto pasakykime: šviesmečiai yra maždaug 10 trilijonų kilometrų(trilijonas yra vienas, po kurio seka dvylika nulių). Tiksliau, 9 460 730 472 581 kilometras. Perskaičiavus astronominiais vienetais, tai bus maždaug 67 000 ir tai tik artimiausiai žvaigždei!

Akivaizdu, kad žvaigždžių ir galaktikų pasaulyje astronominis vienetas nėra tinkamas matavimams. Lengviau atlikti skaičiavimus su šviesmečiais.

Pritaikomumas žvaigždžių pasaulyje

Pavyzdžiui, atstumas nuo Žemės iki ryškiausios dangaus žvaigždės Sirijaus yra 8 šviesmečiai. O atstumas nuo Saulės iki Šiaurinės žvaigždės yra apie 600 šviesmečių. Tai yra, šviesa iš mūsų ten patenka per 600 metų. Tai būtų maždaug 40 milijonų astronominių vienetų. Palyginimui atkreipiame dėmesį, kad mūsų galaktikos – Paukščių Tako – dydis (skersmuo) yra apie 100 000 šviesmečių. Mūsų artimiausia kaimynė, spiralinė galaktika, vadinama Andromedos ūku, yra nutolusi nuo Žemės 2,52 mln. šviesmečių. Labai nepatogu tai nurodyti astronominiais vienetais. Tačiau Visatoje yra objektų, kurie paprastai yra nutolę nuo mūsų 15 milijardų šviesmečių. Taigi stebimos Visatos spindulys yra 13,77 milijardo šviesmečių. Ir visa Visata, kaip žinoma, tęsiasi už stebimos dalies.

Beje, stebimos Visatos skersmuo visai nėra 2 kartus didesnis už spindulį, kaip galėtumėte pagalvoti. Reikalas tas, kad laikui bėgant erdvė plečiasi. Tie tolimi objektai, skleidę šviesą prieš 13,77 milijardo metų, nuskrido dar toliau nuo mūsų. Šiandien jie yra nutolę daugiau nei 46,5 milijardo šviesmečių. Padvigubėjus tai, gauname 93 milijardus šviesmečių. Tai yra tikrasis stebimos Visatos skersmuo. Taigi stebimos erdvės dalies (kuri dar vadinama metagalaktika) dydis nuolat didėja.

Matuoti tokius atstumus kilometrais ar astronominiais vienetais nėra prasmės. Tiesą sakant, šviesmečiai čia taip pat netinka. Tačiau žmonės dar nieko geresnio nesugalvojo. Skaičiai tokie didžiuliai, kad su jais gali susidoroti tik kompiuteris.

Šviesmečio apibrėžimas ir esmė

Taigi, šviesmečiai (šviesmečiai) yra ilgio, o ne laiko vienetas, reiškiantis atstumą, kurį saulės spindulias nukeliauja per metus, tai yra per 365 dienas.. Šis matavimo vienetas yra labai patogus dėl savo aiškumo. Tai leidžia atsakyti į klausimą, po kurio laiko galite tikėtis atsakymo, jei išsiųsite elektromagnetinį pranešimą tam tikrai žvaigždei. Ir jei šis laikotarpis yra per ilgas (pavyzdžiui, tūkstantis metų), tada tokiems veiksmams nėra prasmės.

Ar žinote, kodėl astronomai nenaudoja šviesmečių, norėdami apskaičiuoti atstumus iki tolimų objektų erdvėje?

Šviesmetis yra nesisteminis atstumų kosmose 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 nustatysime 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. Šviesmetis – tai atstumas, kurį šviesos spindulys nukeliauja per vienerius Žemės metus. Toks apibrėžimas gali patenkinti mėgėją, tačiau 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.

Didžiules erdves labai sunku apskaičiuoti kilometrais ar myliomis. Mokslininkai svarsto ieškoti kitų vienetų dideliems atstumams matuoti. Mokslinės fantastikos filmų ir knygų gerbėjai dažnai girdi apie šviesmetį. Tačiau ne visi gali paaiškinti, ką šie žodžiai reiškia. Kai kurie nemato jo skirtumo nuo įprasto žemiškojo.

Ši vertė yra populiarus kosminio atstumo matavimo vienetas. Nustatydami jį naudokite:

• šviesos greitis,
• sekundžių skaičius lygus 365 dienoms.

Svarbi tokio skaičiavimo sąlyga yra gravitacinių laukų įtakos šviesai nebuvimas. Vakuumas atitinka šį reikalavimą. Būtent jame bet kokių elektromagnetinių spindulių sklidimo greitis išlieka pastovus.

Dar XVII amžiuje mokslininkai bandė nustatyti šviesos greitis. Anksčiau astronomai manė, kad spinduliai kosmose sklinda akimirksniu. Galilėjus Galilėjus tuo abejojo. Jo tikslas buvo apskaičiuoti laiką, per kurį šviesos pluoštas nukeliautų tam tikrą atstumą, lygų aštuoniems kilometrams. Tačiau jo eksperimentai buvo nesėkmingi. Nesėkmingi buvo ir danų mokslininko O. Roemerio tyrimai. Jis pastebėjo laikiną kitų planetų palydovų užtemimų skirtumą, priklausantį nuo Žemės padėties. Kai jis yra toliau nuo kito kosminio objekto, šviesos spinduliai pasiekia žemės paviršių ilgiau. Jis negalėjo apskaičiuoti jų greičio.

Anglas Džeimsas Bredlis pirmasis apytiksliai apskaičiavo šviesos greitį XVIII amžiuje. Šis astronomas nustatė jo vertę 301 000 km/s. Praėjusiame amžiuje, pasitelkę Maksvelo elektromagnetizmo teoriją, mokslininkai sugebėjo tiksliai apskaičiuoti spindulio greitį. Tyrimai atlikti naudojant naujausias lazerių technologijas, atsižvelgiant į jų lūžio rodiklius. Paaiškėjo, kad apskaičiuotas šviesos greitis yra 299 792 kilometrai 458 metrai per sekundę. Tai padėjo nustatyti patogų kosmoso matavimo vienetą.

Kas yra 1 šviesmetis kilometrais?

Skaičiuodami ėmėme 365 dienas.. Jei apskaičiuosite dienos vertę sekundėmis, gausite 86 400 sekundžių. O visomis nurodytomis dienomis jų skaičius bus 31 557 600.

Apskaičiavome, kiek toli šviesos spindulys nukeliauja per sekundę. Padauginus šią vertę iš 31 557 600, gauname kiek daugiau nei 9,4 trln. Tai šviesmetis, matuojamas kilometrais. Tai atstumas, kurį šviesos spindulys nukeliaus per 365 dienas vakuume. Jis keliaus šiuo keliu, skrisdamas aplink Žemės orbitą be gravitacinių laukų įtakos.

Kai kurių atstumų, apskaičiuotų tokiu būdu, pavyzdžiai

• Šviesos spindulys atstumą nuo Žemės iki Mėnulio nukeliauja per 1 minutę 3 sekundes;
• Per 100 000 tokių metų galima nustatyti mūsų galaktikos disko skersmenį;
• Atstumas šviesos valandomis nuo Saulės iki Plutono yra 5,25 valandos;
• Žemės spindulys Andromedos galaktiką pasieks per 2 500 000 šviesmečių, o žvaigždę Proksima Kentauro – vos per 4;
• Saulės šviesa mūsų planetą pasiekia per 8,20 minučių;
• Mūsų galaktikos centras yra 26 tūkstančių šviesmečių atstumu nuo Saulės;
• Mergelės spiečius yra 58 000 tūkstančių panašių metų atstumu nuo mūsų planetos;
• Dešimtys milijonų tokių metų matuoja galaktikų spiečius pagal skersmenį;
• Didžiausias išmatuotas atstumas nuo Žemės iki matomos Visatos krašto buvo 45 milijardai šviesmečių.

Kodėl jis toks svarbus?

Apskaičiuotas šviesos greitis leido astronomams nustatyti atstumas tarp planetų, žvaigždžių, galaktikų. Tapo akivaizdu, kad žvaigždės skleidžiama šviesa nepasiekia Žemės žaibo greičiu. Stebėdami kosminius objektus danguje, matome praeitį. Prieš šimtus metų įvykusį tolimos planetos sprogimą mokslininkai užfiksuos tik šiandien.

Mūsų Visatoje patogu naudoti šio matavimo vieneto skaičiavimus. Rečiau naudojamos valandos, savaitės ar mėnesiai. Nustatant atstumą iki tolimų erdvės objektų, gauta vertė bus didžiulė. Naudoti tokias vertes matematiniuose skaičiavimuose tampa sunku ir nepraktiška. Mokslininkai į tai atsižvelgė ir astronominiams didelių atstumų skaičiavimams naudoja kitą matavimo vienetą – parseką. Sudėtingiems matematiniams skaičiavimams tai priimtinesnė. Šviesmetis yra lygus trečdaliui parseko.

Šviesmečių ir Žemės metų santykis

Savo gyvenime mes dažnai matuojame atstumą:į darbą, artimiausią parduotuvę, kitą miestą. Skirtingus kiekius lyginame tarpusavyje. Tai padeda įvertinti skirtumą. Šviesmečių ir žemės metų sąvokos daugeliui atrodo panašios, jei ne vienodos. Kyla noras juos palyginti. Čia pirmiausia reikia pasirinkti, ką reiškia žemiškieji metai. Jį galima apibrėžti kaip atstumą, kurį mūsų planeta nukeliavo per 365 dienas. Esant šiems parametrams, vienas šviesos periodas bus lygus 63 tūkstančiams Žemės metų.

Jei žemiškasis skaičiuojamas dienomis, tai jis bus laikomas laiko vienetu. O šviesa simbolizuoja atstumą. Ir tokių vertybių lyginimas yra beprasmis. Šiuo atveju atsakymo į klausimą nėra.

Vaizdo įrašas

Šis vaizdo įrašas padės suprasti, kas yra šviesmetis.

Negavai atsakymo į savo klausimą? Siūlykite temą autoriams.

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 versdavo 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, todėl Žemės rutulį jis apskris per 0,134 sekundės. Tai 4 298 507 kartus greičiau nei mūsų virtualus lenktynininkas!

Nuo 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 savo 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.