Aby zrozumieć znaczenie pojęcia „rok świetlny”, należy najpierw przypomnieć sobie szkolny kurs fizyki, a zwłaszcza część dotyczącą prędkości światła. Zatem prędkość światła w próżni, gdzie nie mają na nią wpływu różne czynniki, takie jak grawitacja i pola magnetyczne, zawieszone cząstki, załamanie przezroczystego ośrodka itp. wynosi 299 792,5 km na sekundę. Musisz zrozumieć, że w tym przypadku światło oznacza to, co postrzega ludzki wzrok.
Mniej znane jednostki odległości to miesiąc świetlny, tydzień, dzień, godzina, minuta i sekunda.Przez długi czas światło uważano za ilość nieskończoną, a pierwszą osobą, która obliczyła przybliżoną prędkość promieni świetlnych w próżni, był astronom Olaf Roemer w połowie XVII wieku. Oczywiście jego dane były bardzo przybliżone, ale ważny jest sam fakt ustalenia końcowej wartości prędkości. W 1970 roku prędkość światła została określona z dokładnością do jednego metra na sekundę. Dokładniejszych wyników nie udało się jeszcze uzyskać, gdyż pojawiły się problemy związane z błędem wzorca miernika.
Rok świetlny i inne odległości
Ponieważ odległości są ogromne, mierzenie ich w konwencjonalnych jednostkach byłoby nieracjonalne i niewygodne. Na podstawie tych rozważań wprowadzono rok świetlny, czyli odległość, jaką światło pokonuje w tzw. roku juliańskim (równym 365,25 dni). Biorąc pod uwagę, że każdy dzień zawiera 86 400 sekund, można obliczyć, że w ciągu roku promień światła pokonuje odległość nieco ponad 9,4 km. Wartość ta wydaje się ogromna, jednak np. odległość do najbliższej Ziemi gwiazdy, Proxima Centauri, wynosi 4,2 roku, a średnica galaktyki Drogi Mlecznej przekracza 100 000 lat świetlnych, czyli obserwacje wizualne, jakie można obecnie wykonać odzwierciedlają obraz, który istniał około setek tysięcy lat temu.
Promień światła pokonuje odległość od Ziemi do Księżyca w ciągu około sekundy, ale światło słoneczne Dotarcie do naszej planety zajmuje ponad osiem minut.
W profesjonalnej astrofizyce pojęcie roku świetlnego jest rzadko używane. Naukowcy używają przede wszystkim jednostek takich jak parsek i jednostka astronomiczna. Parsek to odległość do wyimaginowanego punktu, z którego widoczny jest promień orbity Ziemi pod kątem jednej sekundy łukowej (1/3600 stopnia). Średni promień orbity, czyli odległość Ziemi od Słońca, nazywa się jednostką astronomiczną. Parsek to około trzy lata świetlne lub 30,8 biliona kilometrów. Jednostka astronomiczna wynosi w przybliżeniu 149,6 miliona kilometrów.
Z pewnością słysząc w jakimś filmie akcji science fiction wyrażenie a la „dwadzieścia na Tatooine”. lata świetlne„, wielu zadawało uzasadnione pytania. Wspomnę niektóre z nich:
Czy rok to nie czas?
Więc co to jest? rok świetlny?
Ile to kilometrów?
Ile czasu zajmie pokonanie rok świetlny statek kosmiczny z Ziemia?
Postanowiłem poświęcić dzisiejszy artykuł wyjaśnieniu znaczenia tej jednostki miary, porównaniu jej z naszymi zwykłymi kilometrami i pokazaniu skali, w jakiej działa Wszechświat.
Wirtualny zawodnik.
Wyobraźmy sobie człowieka, który łamiąc wszelkie przepisy, pędzi autostradą z prędkością 250 km/h. W dwie godziny pokona 500 km, a w cztery – aż 1000. O ile oczywiście przy okazji się nie rozbije…
Wydawałoby się, że to jest prędkość! Ale żeby obejść całość glob(≈ 40 000 km), nasz zawodnik będzie potrzebował 40 razy więcej czasu. A to już 4 x 40 = 160 godzin. Albo prawie cały tydzień ciągła jazda!
Ostatecznie nie powiemy jednak, że pokonał 40 000 000 metrów. Ponieważ lenistwo zawsze zmuszało nas do wymyślania i stosowania krótszych, alternatywnych jednostek miary.
Limit.
Z kurs szkolny fizycy, każdy powinien wiedzieć, że najszybszy jeździec Wszechświat- światło. W ciągu jednej sekundy jego wiązka pokonuje odległość około 300 000 km i tym samym okrąża kulę ziemską w 0,134 sekundy. To 4 298 507 razy szybciej niż nasz wirtualny kierowca!
Z Ziemia Do Księżycświatło dociera średnio 1,25 s, aż do Słoneczny jego promień dotrze za nieco ponad 8 minut.
Kolosalne, prawda? Jednak istnienia prędkości większych od prędkości światła nie udowodniono jeszcze. Dlatego świat naukowy zdecydował, że logiczne byłoby mierzenie skal kosmicznych w jednostkach, w których fala radiowa (w szczególności światło) przemieszcza się w określonych odstępach czasu.
Odległości.
Zatem, rok świetlny- nic więcej niż odległość, jaką promień światła pokonuje w ciągu jednego roku. W skalach międzygwiazdowych używanie mniejszych jednostek odległości nie ma większego sensu. A jednak oni tam są. Oto ich przybliżone wartości:
1 sekunda świetlna ≈ 300 000 km;
1 minuta świetlna ≈ 18 000 000 km;
1 godzina świetlna ≈ 1 080 000 000 km;
1 dzień świetlny ≈ 26 000 000 000 km;
1 tydzień świetlny ≈ 181 000 000 000 km;
1 miesiąc świetlny ≈ 790 000 000 000 km.
A teraz, żebyś wiedział, skąd pochodzą te liczby, obliczmy, ile jeden jest równe rok świetlny.
Rok ma 365 dni, 24 godziny na dobę, 60 minut na godzinę i 60 sekund na minutę. Zatem rok składa się z 365 x 24 x 60 x 60 = 31 536 000 sekund. W ciągu jednej sekundy światło pokonuje 300 000 km. Zatem w ciągu roku jego wiązka pokona odległość 31 536 000 x 300 000 = 9 460 800 000 000 km.
Numer ten brzmi następująco: Dziewięć bilionów czterysta sześćdziesiąt miliardów osiemset milionów kilometrów.
Oczywiście dokładne znaczenie lata świetlne nieznacznie różni się od tego, co obliczyliśmy. Ale przy opisywaniu odległości do gwiazd w artykułach popularnonaukowych najwyższa dokładność w zasadzie nie jest potrzebna, a sto czy dwa miliony kilometrów nie będą tutaj odgrywać szczególnej roli.
Kontynuujmy teraz nasze eksperymenty myślowe...
Skala.
Załóżmy, że nowoczesny statek kosmiczny liście układ słoneczny z trzecią prędkością ucieczki (≈ 16,7 km/s). Pierwszy rok świetlny pokona go za 18 000 lat!
4,36 lata świetlne do najbliższego nam układu gwiezdnego ( Alfa Centauri, patrz obrazek na początku) pokona za około 78 tysięcy lat!
Nasz Galaktyka Drogi Mlecznej, o średnicy około 100 000 lata świetlne, przekroczy ją za 1 miliard 780 milionów lat.
22 lutego 2017 roku NASA poinformowała, że wokół pojedynczej gwiazdy TRAPPIST-1 odkryto 7 egzoplanet. Trzy z nich mieszczą się w zakresie odległości od gwiazdy, w których na planecie może znajdować się woda w stanie ciekłym, a woda jest kluczowym warunkiem życia. Poinformowano również, że ten układ gwiazd znajduje się w odległości 40 lat świetlnych od Ziemi.
Ta wiadomość wywołała wiele szumu w mediach; niektórzy myśleli nawet, że ludzkość jest o krok od budowy nowych osiedli nowa, ale to nieprawda. Ale 40 lat świetlnych to dużo, to DUŻO, to zbyt wiele kilometrów, czyli potwornie kolosalna odległość!
Z kursu fizyki znana jest trzecia prędkość ucieczki - jest to prędkość, jaką musi mieć ciało na powierzchni Ziemi, aby przekroczyć granice układ słoneczny. Wartość tej prędkości wynosi 16,65 km/s. Konwencjonalny orbitalny statek kosmiczny startuje z prędkością 7,9 km/s i okrąża Ziemię. W zasadzie prędkość 16-20 km/s jest całkiem dostępna dla nowoczesnych ziemskich technologii, ale nie więcej!
Ludzkość nie nauczyła się jeszcze przyspieszać statków kosmicznych szybciej niż 20 km/s.
Obliczmy, ile lat zajmie statkowi kosmicznemu lecącemu z prędkością 20 km/s przebycie 40 lat świetlnych i dotarcie do gwiazdy TRAPPIST-1.
Jeden rok świetlny to odległość, jaką wiązka światła pokonuje w próżni, a prędkość światła wynosi około 300 tysięcy km/s.
Stworzony przez człowieka statek kosmiczny leci z prędkością 20 km/s, czyli 15 000 razy wolniejszą od prędkości światła. Taki statek przeleci 40 lat świetlnych w czasie równym 40*15000=600000 lat!
Statek ziemski (at nowoczesny poziom technologia) dotrze do gwiazdy TRAPPIST-1 za około 600 tysięcy lat! Homo sapiens istnieje na Ziemi (według naukowców) zaledwie 35-40 tysięcy lat, a tutaj żyje już aż 600 tysięcy lat!
W najbliższej przyszłości technologia nie pozwoli ludziom dotrzeć do gwiazdy TRAPPIST-1. Szacuje się, że nawet obiecujące silniki (jonowe, fotonowe, żagle kosmiczne itp.), które nie istnieją w ziemskiej rzeczywistości, będą w stanie rozpędzić statek do prędkości 10 000 km/s, co oznacza, że czas lotu do TRAPPIST -1 system zostanie skrócony do 120 lat. To już mniej więcej akceptowalny czas na loty z zawieszoną animacją czy dla kilku pokoleń imigrantów, ale dziś wszystkie te silniki są fantastyczne.
Nawet najbliższe gwiazdy są wciąż za daleko od ludzi, za daleko, nie mówiąc już o gwiazdach naszej Galaktyki czy innych galaktyk.
Średnica naszej galaktyki Drogi Mlecznej wynosi około 100 tysięcy lat świetlnych, co oznacza, że podróż współczesnego statku ziemskiego od końca do końca wyniesie 1,5 miliarda lat! Nauka sugeruje, że nasza Ziemia ma 4,5 miliarda lat, a życie wielokomórkowe około 2 miliardy lat. Odległość do najbliższej nam galaktyki - Mgławicy Andromedy - 2,5 miliona lat świetlnych od Ziemi - co za potworne odległości!
Jak widać, ze wszystkich żyjących ludzi, nikt nigdy nie postawi stopy na ziemi planety znajdującej się w pobliżu innej gwiazdy.
Jak wiadomo, aby zmierzyć odległości od Słońca do planet, a także między planetami, naukowcy wymyślili jednostkę astronomiczną. Co to jest rok świetlny?
Przede wszystkim należy zauważyć, że rok świetlny to także jednostka miary przyjęta w astronomii, ale nie czasu (jak mogłoby się wydawać, sądząc po znaczeniu słowa „rok”), ale odległości.
Ile równa się rok świetlny?
Kiedy naukowcom udało się obliczyć odległości do do najbliższych gwiazd, stało się oczywiste, że w świecie gwiazd jednostka astronomiczna jest niewygodna w użyciu. Załóżmy na początek, że odległość od Słońca do najbliższej gwiazdy wynosi około 4,5 roku świetlnego. Oznacza to, że światło od naszego Słońca do najbliższej gwiazdy (nawiasem mówiąc, nazywa się to Proxima Centauri) podróżuje 4,5 roku! Jak daleko jest ta odległość? Nie zanudzajmy nikogo matematyką, zauważmy tylko, że w ciągu sekundy cząstki światła przelatują 300 000 kilometrów. Oznacza to, że jeśli wyślesz sygnał za pomocą latarki w stronę Księżyca, światło to będzie tam widoczne w mniej niż półtorej sekundy. Światło podróżuje ze Słońca na Ziemię w 8,5 minuty. Jak długo zatem promienie światła pokonują w ciągu roku?
Powiedzmy od razu: rok świetlny to około 10 bilionów kilometrów(bilion to jeden, po którym następuje dwanaście zer). Dokładniej 9 460 730 472 581 kilometrów. Jeśli przeliczyć na jednostki astronomiczne, będzie to około 67 000. I to tylko dla najbliższej gwiazdy!
Oczywiste jest, że w świecie gwiazd i galaktyk jednostka astronomiczna nie nadaje się do pomiarów. Łatwiej jest operować obliczeniami na lata świetlne.
Zastosowanie w gwiezdnym świecie
Na przykład odległość Ziemi od najjaśniejszej gwiazdy na niebie, Syriusza, wynosi 8 lat świetlnych. Oraz odległość od Słońca do tramontana wynosi około 600 lat świetlnych. Oznacza to, że światło z nas dociera tam w ciągu 600 lat. Byłoby to około 40 milionów jednostek astronomicznych. Dla porównania zwracamy uwagę, że rozmiar (średnica) naszej Galaktyki wynosi Droga Mleczna- około 100 000 lat świetlnych. Nasza najbliższa sąsiadka, galaktyka spiralna zwana Mgławicą Andromedy, znajduje się 2,52 miliona lat świetlnych od Ziemi. Podawanie tego w jednostkach astronomicznych jest bardzo niewygodne. Istnieją jednak obiekty we Wszechświecie, które są oddalone od nas o około 15 miliardów lat świetlnych. Zatem promień obserwowalnego Wszechświata wynosi 13,77 miliardów lat świetlnych. A kompletny Wszechświat, jak wiadomo, rozciąga się poza obserwowalną część.
Nawiasem mówiąc, średnica obserwowalnego Wszechświata wcale nie jest 2 razy większa niż promień, jak mogłoby się wydawać. Rzecz w tym, że z biegiem czasu przestrzeń się rozszerza. Te odległe obiekty, które emitowały światło 13,77 miliarda lat temu, odleciały od nas jeszcze dalej. Dziś są od nas oddalone o ponad 46,5 miliarda lat świetlnych. Podwojenie tej liczby daje nam 93 miliardy lat świetlnych. To jest prawdziwa średnica obserwowalnego Wszechświata. Zatem rozmiar obserwowanej części przestrzeni (zwanej także Metagalaktyką) cały czas rośnie.
Mierzenie takich odległości w kilometrach lub jednostkach astronomicznych nie ma sensu. Szczerze mówiąc, lata świetlne też tu nie do końca pasują. Ale ludzie nie wymyślili jeszcze nic lepszego. Liczby są tak ogromne, że tylko komputer może je obsłużyć.
Definicja i istota roku świetlnego
Zatem, rok świetlny (rok świetlny) to jednostka długości, a nie czasu, która reprezentuje odległość, jaką pokonuje promień słoneczny w ciągu roku, czyli w ciągu 365 dni. Ta jednostka miary jest bardzo wygodna ze względu na jej przejrzystość. Pozwala odpowiedzieć na pytanie, po jakim czasie możesz spodziewać się odpowiedzi, jeśli wyślesz wiadomość elektromagnetyczną do określonej gwiazdy. A jeśli ten okres jest zbyt długi (na przykład tysiąc lat), wówczas takie działania nie mają sensu.
Często w filmach science fiction o tematyce kosmicznej można usłyszeć: Alfa Centauri znajduje się w odległości 4500 lat świetlnych od Ziemi. Lub: zostało nam 200 parseków do lotu. Od razu pojawia się pytanie: ile kosztuje rok świetlny? I czy jest to równe parsekowi?
Ile równa się rok świetlny?
Według definicji IAU (Międzynarodowej Unii Astronomicznej) rok świetlny to odległość, jaką foton światła przebędzie w próżni w ciągu jednego roku juliańskiego (czyli 365,25 dni, w którym jest 86 400 sekund SI), gdy nie zależy od pola grawitacyjnego planet.
Definicja ta obowiązuje od 1984 roku. Wcześniej w obliczeniach wykorzystywano wartość tzw. tropikalnej lub rok słoneczny. Nowa wartość różni się od starej o 0,002%. Ponieważ jednak ta jednostka miary nie jest używana w obliczeniach o dużej precyzji, różnica 0,002% nie ma praktycznego znaczenia.
Wartości liczbowe pomiaru roku świetlnego
- W metrach - 9 460 730 472 580 800 m, czyli 9,46 petametra.
- W jednostkach astronomicznych - 63 241,1 a.u. A.e. to średnia odległość między Słońcem a Ziemią.
- W parsekach – 0,306601 rs.
W popularnych publikacjach zwyczajowo stosuje się powiązane jednostki miary, które pokazują odległość, jaką przebywa foton światła w jednostce czasu. Jedna sekunda świetlna równa się 299 792,458 km.
Znając odległość Ziemi od Słońca i Księżyca, możemy obliczyć, że promień światła dociera do powierzchni Księżyca w ciągu 1,3 sekundy. Jednostka astronomiczna równa się 500 sekundom.