Lai saprastu jēdziena “gaismas gads” nozīmi, vispirms jāatceras skolas fizikas kurss, īpaši sadaļa, kas attiecas uz gaismas ātrumu. Tātad, gaismas ātrums vakuumā, kur to neietekmē dažādi faktori, piemēram, gravitācijas un magnētiskie lauki, suspendētās daļiņas, caurspīdīgas vides refrakcija utt., ir 299 792,5 kilometri sekundē. Jums jāsaprot, ka šajā gadījumā gaisma nozīmē to, ko uztver cilvēka redze.
Mazāk zināmās attāluma mērvienības ir gaismas mēnesis, nedēļa, diena, stunda, minūte un sekunde.Diezgan ilgu laiku gaisma tika uzskatīta par bezgalīgu lielumu, un pirmais cilvēks, kurš aprēķināja aptuveno gaismas staru ātrumu vakuumā, bija astronoms Olafs Rēmers 17. gadsimta vidū. Protams, viņa dati bija ļoti aptuveni, taču svarīgs ir pats gala ātruma vērtības noteikšanas fakts. 1970. gadā tika noteikts gaismas ātrums viena metra sekundē. Precīzāki rezultāti vēl nav sasniegti, jo radās problēmas ar skaitītāja standarta kļūdu.
Gaismas gads un citi attālumi
Tā kā attālumi ir milzīgi, to mērīšana parastajās vienībās būtu neracionāla un neērta. Pamatojoties uz šiem apsvērumiem, tika ieviests īpašs - gaismas gads, tas ir, attālums, ko gaisma veic tā sauktajā Jūlija gadā (vienāds ar 365,25 dienām). Ņemot vērā, ka katra diena satur 86 400 sekundes, var aprēķināt, ka gada laikā gaismas stars veic nedaudz vairāk kā 9,4 kilometrus. Šī vērtība šķiet milzīga, taču, piemēram, attālums līdz Zemei tuvākajai zvaigznei Proxima Centauri ir 4,2 gadi, un Piena Ceļa galaktikas diametrs pārsniedz 100 000 gaismas gadu, tas ir, vizuālie novērojumi, ko var veikt tagad atspoguļo attēlu, kas pastāvēja apmēram pirms simtiem tūkstošu gadu.
Gaismas stars attālumu no Zemes līdz Mēnesim veic aptuveni sekundē, bet saules gaisma Lai sasniegtu mūsu planētu, nepieciešamas vairāk nekā astoņas minūtes.
Profesionālajā astrofizikā gaismas gada jēdzienu izmanto reti. Zinātnieki galvenokārt izmanto tādas vienības kā parsec un astronomiskā vienība. Parseks ir attālums līdz iedomātajam punktam, no kura Zemes orbītas rādiuss ir redzams vienas loka sekundes (1/3600 grādu) leņķī. Orbītas vidējo rādiusu, tas ir, attālumu no Zemes līdz Saulei, sauc par astronomisko vienību. Parseks ir aptuveni trīs gaismas gadi jeb 30,8 triljoni kilometru. Astronomiskā vienība ir aptuveni vienāda ar 149,6 miljoniem kilometru.
Protams, kādā zinātniskās fantastikas asa sižeta filmā dzirdēts izteiciens a la “divdesmit līdz Tatooine gaismas gadi", daudzi uzdeva pamatotus jautājumus. Es minēšu dažus no tiem:
Vai gads nav laiks?
Tad kas tas ir gaismas gads?
Cik kilometru tas ir?
Cik ilgs laiks būs nepieciešams, lai pārvarētu gaismas gads kosmosa kuģis ar Zeme?
Es nolēmu šodienas rakstu veltīt tam, lai izskaidrotu šīs mērvienības nozīmi, salīdzinātu to ar mūsu parastajiem kilometriem un parādītu tās darbības mērogu. Visums.
Virtuālais sacīkšu braucējs.
Iedomāsimies, ka cilvēks, pārkāpjot visus noteikumus, steidzas pa šoseju ar ātrumu 250 km/h. Divās stundās tas veiks 500 km, bet četrās – pat 1000. Ja vien, protams, procesā nesaskrien...
Šķiet, ka tas ir ātrums! Bet, lai apbrauktu visu globuss(≈ 40 000 km), mūsu sacīkšu braucējam būs nepieciešams 40 reizes vairāk laika. Un tas jau ir 4 x 40 = 160 stundas. Vai gandrīz visu nedēļu nepārtraukta braukšana!
Beigās tomēr neteiksim, ka viņš pieveica 40 000 000 metru. Jo slinkums mūs vienmēr ir licis izdomāt un izmantot īsākas alternatīvas mērvienības.
Ierobežot.
No skolas kurss fiziķi, visiem būtu jāzina, ka ātrākais braucējs Visums- gaisma. Vienā sekundē tā stars veic aptuveni 300 000 km attālumu, un tādējādi tas apriņķos ap zemeslodi 0,134 sekundēs. Tas ir 4 298 507 reizes ātrāk nekā mūsu virtuālais braucējs!
No Zeme uz Mēness gaisma sasniedz vidēji 1,25 s, līdz Sv tā stars sasniegs nedaudz vairāk kā 8 minūtēs.
Kolosāli, vai ne? Bet par gaismas ātrumu lielāku ātrumu esamība vēl nav pierādīta. Tāpēc zinātniskā pasaule nolēma, ka būtu loģiski izmērīt kosmiskos mērogus vienībās, kuras radioviļņi (jo īpaši gaisma) pārvietojas noteiktos laika intervālos.
Attālumi.
Tādējādi gaismas gads- nekas vairāk kā attālums, ko gaismas stars veic viena gada laikā. Starpzvaigžņu mērogā nav jēgas izmantot attāluma vienības, kas ir mazākas par šo. Un tomēr viņi tur ir. Šeit ir to aptuvenās vērtības:
1 gaismas sekunde ≈ 300 000 km;
1 gaismas minūte ≈ 18 000 000 km;
1 gaismas stunda ≈ 1 080 000 000 km;
1 gaismas diena ≈ 26 000 000 000 km;
1 viegla nedēļa ≈ 181 000 000 000 km;
1 gaismas mēnesis ≈ 790 000 000 000 km.
Tagad, lai jūs saprastu, no kurienes nāk skaitļi, aprēķināsim, ar ko viens ir vienāds gaismas gads.
Gadā ir 365 dienas, dienā 24 stundas, stundā 60 minūtes un minūtē 60 sekundes. Tādējādi gads sastāv no 365 x 24 x 60 x 60 = 31 536 000 sekundēm. Vienā sekundē gaisma nobrauc 300 000 km. Tāpēc gada laikā tā stars veiks attālumu 31 536 000 x 300 000 = 9 460 800 000 000 km.
Šis skaitlis skan šādi: DEVIŅI TRILJONI, ČETRI SIMTI SEŠdesmit MILJARDI UN ASTOŅI SIMTI MILJONI kilometri.
Protams, precīza nozīme gaismas gadi nedaudz atšķiras no tā, ko mēs aprēķinājām. Bet, aprakstot attālumus līdz zvaigznēm populārzinātniskos rakstos, lielākā precizitāte principā nav vajadzīga, un simts vai divi miljoni kilometru šeit nespēlēs īpašu lomu.
Tagad turpināsim savus domu eksperimentus...
Mērogs.
Pieņemsim, ka mūsdienu kosmosa kuģis lapas saules sistēma ar trešo evakuācijas ātrumu (≈ 16,7 km/s). Pirmkārt gaismas gads viņš to pārvarēs 18 000 gadu laikā!
4,36 gaismas gadi uz mums tuvāko zvaigžņu sistēmu ( Alfa Kentauri, skatīt attēlu sākumā) tas pārvarēs aptuveni 78 tūkstošus gadu!
Mūsu Piena Ceļa galaktika, kura diametrs ir aptuveni 100 000 gaismas gadi, tas krustosies pēc 1 miljarda 780 miljonu gadu.
2017. gada 22. februārī NASA ziņoja, ka ap vienu zvaigzni TRAPPIST-1 tika atrastas 7 eksoplanetas. Trīs no tiem atrodas attāluma diapazonā no zvaigznes, kurā planētai var būt šķidrs ūdens, un ūdens ir galvenais dzīvības nosacījums. Tāpat tiek ziņots, ka šī zvaigžņu sistēma atrodas 40 gaismas gadu attālumā no Zemes.
Šī ziņa izraisīja lielu troksni plašsaziņas līdzekļos, daži pat domāja, ka cilvēce ir viena soļa attālumā no jaunu apmetņu izveides nova, bet tā nav taisnība. Bet 40 gaismas gadi ir daudz, tas ir DAUDZ, tas ir pārāk daudz kilometru, tas ir, tas ir briesmīgi kolosāls attālums!
No fizikas kursa ir zināms trešais bēgšanas ātrums - tas ir ātrums, kādam jābūt ķermenim uz Zemes virsmas, lai tas pārsniegtu robežas saules sistēma. Šī ātruma vērtība ir 16,65 km/sek. Parastie orbitālie kosmosa kuģi paceļas ar ātrumu 7,9 km/s un riņķo ap Zemi. Principā mūsdienu zemes tehnoloģijām ir diezgan pieejams ātrums 16-20 km/sek, bet ne vairāk!
Cilvēce vēl nav iemācījusies paātrināt kosmosa kuģus ātrāk par 20 km/sek.
Aprēķināsim, cik gadu būs nepieciešams zvaigžņu kuģim, kas lido ar ātrumu 20 km/sek, lai nobrauktu 40 gaismas gadus un sasniegtu zvaigzni TRAPPIST-1.
Viens gaismas gads ir attālums, ko gaismas stars veic vakuumā, un gaismas ātrums ir aptuveni 300 tūkstoši km/s.
Cilvēka radīts kosmosa kuģis lido ar ātrumu 20 km/s, tas ir, 15 000 reižu lēnāk nekā gaismas ātrums. Šāds kuģis aptvers 40 gaismas gadus laikā, kas vienāds ar 40*15000=600000 gadiem!
Zemes kuģis (plkst mūsdienīgs līmenis tehnoloģija) sasniegs zvaigzni TRAPPIST-1 aptuveni 600 tūkstošu gadu laikā! Homo sapiens uz Zemes pastāv (pēc zinātnieku domām) tikai 35-40 tūkstošus gadu, bet šeit tas ir pat 600 tūkstošus gadu!
Tuvākajā nākotnē tehnoloģijas neļaus cilvēkiem sasniegt zvaigzni TRAPPIST-1. Tiek lēsts, ka pat perspektīvi dzinēji (joni, fotoni, kosmosa buras u.c.), kas sauszemes realitātē neeksistē, spēj paātrināt kuģi līdz 10 000 km/sek, kas nozīmē, ka lidojuma laiks līdz TRAPPIST -1 sistēma tiks samazināta līdz 120 gadiem. Šis jau ir vairāk vai mazāk pieņemams laiks lidojumam, izmantojot suspendēto animāciju vai vairākām imigrantu paaudzēm, taču šodien visi šie dzinēji ir fantastiski.
Pat tuvākās zvaigznes joprojām ir pārāk tālu no cilvēkiem, pārāk tālu, nemaz nerunājot par mūsu Galaktikas vai citu galaktiku zvaigznēm.
Mūsu Piena Ceļa galaktikas diametrs ir aptuveni 100 tūkstoši gaismas gadu, tas ir, ceļš no gala līdz galam mūsdienu Zemes kuģim būs 1,5 miljardi gadu! Zinātne liecina, ka mūsu Zeme ir 4,5 miljardus gadu veca, un daudzšūnu dzīvība ir aptuveni 2 miljardus gadu veca. Attālums līdz mums tuvākajai galaktikai - Andromedas miglājam - 2,5 miljoni gaismas gadu no Zemes - cik milzīgi attālumi!
Kā redzat, no visiem dzīvajiem cilvēkiem neviens nekad nespers kāju uz planētas, kas atrodas netālu no citas zvaigznes.
Kā zināms, lai izmērītu attālumus no Saules līdz planētām, kā arī starp planētām, zinātnieki nāca klajā ar astronomisku vienību. Kas tas ir gaismas gads?
Pirmkārt, jāatzīmē, ka arī gaismas gads ir astronomijā pieņemta mērvienība, bet nevis laika (kā varētu šķist, spriežot pēc vārda “gads”) nozīmes, bet gan attāluma mērvienība.
Ar ko ir vienāds gaismas gads?
Kad zinātniekiem izdevās aprēķināt attālumus līdz līdz tuvākajām zvaigznēm, kļuva skaidrs, ka zvaigžņu pasaulē astronomiskā vienība ir neērta lietošanai. Iesākumā pieņemsim, ka attālums no Saules līdz tuvākajai zvaigznei ir aptuveni 4,5 gaismas gadi. Tas nozīmē, ka gaismai no mūsu Saules līdz tuvākajai zvaigznei (starp citu, to sauc Proxima Centauri) ir nepieciešami 4,5 gadi, lai ceļotu! Cik tālu ir šis attālums? Nenogurdināsim nevienu ar matemātiku, tikai ņemsim vērā, ka sekundē gaismas daļiņas nolido 300 000 kilometru. Tas ir, ja ar lukturīti raidīsi signālu Mēness virzienā, šī gaisma tur būs redzama nepilnas pusotras sekundes laikā. Gaisma no Saules uz Zemi pārvietojas 8,5 minūtēs. Cik ilgi tad gaismas stari pārvietojas gadā?
Teiksim uzreiz: gaismas gads ir aptuveni 10 triljoni kilometru(triljons ir viens, kam seko divpadsmit nulles). Precīzāk, 9 460 730 472 581 kilometrs. Ja pārrēķina astronomiskajās vienībās, tas būs aptuveni 67 000, un tas attiecas tikai uz tuvāko zvaigzni.
Skaidrs, ka zvaigžņu un galaktiku pasaulē astronomiskā vienība mērījumiem nav piemērota. Aprēķinos ir vieglāk darboties ar gaismas gadiem.
Pielietojamība zvaigžņu pasaulē
Piemēram, attālums no Zemes līdz spožākajai zvaigznei debesīs Sīriusam ir 8 gaismas gadi. Un attālums no Saules līdz Ziemeļzvaigzne ir aptuveni 600 gaismas gadi. Tas ir, gaisma no mums tur nonāk 600 gadu laikā. Tas būtu aptuveni 40 miljoni astronomisko vienību. Salīdzinājumam mēs norādām, ka mūsu galaktikas izmērs (diametrs) ir piena ceļš- apmēram 100 000 gaismas gadu. Mūsu tuvākais kaimiņš, spirālveida galaktika, ko sauc par Andromedas miglāju, atrodas 2,52 miljonu gaismas gadu attālumā no Zemes. Ir ļoti neērti to norādīt astronomiskajās vienībās. Bet Visumā ir objekti, kas parasti atrodas 15 miljardu gaismas gadu attālumā no mums. Tādējādi novērojamā Visuma rādiuss ir 13,77 miljardi gaismas gadu. Un viss Visums, kā zināms, sniedzas tālāk par novērojamo daļu.
Starp citu, novērojamā Visuma diametrs nemaz nav 2 reizes lielāks par rādiusu, kā varētu domāt. Lieta tāda, ka laika gaitā telpa paplašinās. Tie tālu objekti, kas izstaroja gaismu pirms 13,77 miljardiem gadu, ir aizlidojuši vēl tālāk no mums. Mūsdienās tie atrodas vairāk nekā 46,5 miljardu gaismas gadu attālumā. To dubultojot, mēs iegūstam 93 miljardus gaismas gadu. Tas ir patiesais novērojamā Visuma diametrs. Tātad tās telpas daļas lielums, kas tiek novērots (un ko sauc arī par metagalaktiku), visu laiku palielinās.
Mērīt šādus attālumus kilometros vai astronomiskās vienībās nav jēgas. Godīgi sakot, gaismas gadi arī šeit neder. Bet cilvēki vēl neko labāku nav izdomājuši. Skaitļi ir tik milzīgi, ka ar tiem var tikt galā tikai dators.
Gaismas gada definīcija un būtība
Tādējādi gaismas gads (gaismas gads) ir garuma, nevis laika vienība, kas apzīmē attālumu, ko Saules stars nobraucis gadā, tas ir, 365 dienās.. Šī mērvienība ir ļoti ērta tās skaidrības dēļ. Tas ļauj jums atbildēt uz jautājumu, pēc kāda laika jūs varat sagaidīt atbildi, ja nosūtīsiet elektromagnētisko ziņojumu noteiktai zvaigznei. Un, ja šis periods ir pārāk garš (piemēram, tūkstoš gadu), tad šādām darbībām nav jēgas.
Bieži vien zinātniskās fantastikas filmās par kosmosa tēmām var dzirdēt: Alpha Centauri atrodas 4500 gaismas gadu attālumā no Zemes. Vai arī: mums atlicis lidot 200 parseku. Tūlīt rodas jautājums: cik daudz ir gaismas gads? Un vai tas ir vienāds ar parseku?
Ar ko ir vienāds gaismas gads?
Saskaņā ar IAU (Starptautiskās Astronomijas savienības) definīciju gaismas gads ir vienāds ar attālumu, ko gaismas fotons vakuumā nobrauks vienā Jūlija gadā (kas ir 365,25 dienas, kurās ir 86 400 SI sekundes), kad tas notiek. planētu gravitācijas lauki neietekmē.
Šī definīcija ir spēkā kopš 1984. gada. Pirms tam aprēķinos tika izmantota tā sauktā tropiskā vai saules gads. Jaunā vērtība atšķiras no vecās par 0,002%. Bet, tā kā šī mērvienība netiek izmantota augstas precizitātes aprēķinos, atšķirībai 0,002% nav praktiskas nozīmes.
Gaismas gada mērījumu skaitliskās vērtības
- Metros - 9 460 730 472 580 800 m jeb 9,46 petametri.
- Astronomiskajās vienībās - 63 241,1 a.u. A.e. ir vidējais attālums starp Sauli un Zemi.
- Parsekos – 0,306601 rs.
Populārās publikācijās ir ierasts izmantot saistītas mērvienības, kas parāda attālumu, ko nobrauc gaismas fotons laika vienībā. Viena gaismas sekunde ir vienāda ar 299 792,458 km.
Zinot attālumu starp Zemi un Sauli un Mēnesi, varam aprēķināt, ka gaismas stars Mēness virsmu sasniedz 1,3 sekundēs. Astronomiskā vienība ir vienāda ar 500 sekundēm.