Для того, щоб усвідомити сенс поняття «світловий рік», спочатку необхідно згадати шкільний курс фізики, особливо його розділ, який стосується швидкості світла. Отже, швидкість світла у вакуумі, де на нього не впливають різні фактори, такі як гравітаційні та магнітні поля, зважені частинки, заломлення прозорого середовища та інше, становить 299 792,5 кілометра на секунду. Потрібно розуміти, що в даному випадку під світлом маються на увазі, що сприймаються людським зором.
Менш відомими одиницями вимірювання відстані є світловий місяць, тиждень, доба, година, хвилина та секунда.Досить довге світла вважалася нескінченною величиною, а першою людиною, яка обчислила зразкову швидкість світлових променів у вакуумі, став астроном Олаф Ремер у середині XVII століття. Звичайно, його дані були дуже приблизними, але важливим є сам факт визначення кінцевого значення швидкості. 1970 року швидкість світла була визначена з точністю до одного метра за секунду. Точніших результатів досягти не вдалося досі, оскільки виникли проблеми з похибкою еталона метра.
Світловий рік та інші відстані
Оскільки відстані величезні, вимір їх у звичних одиницях було б нераціональним і незручним. Виходячи з цих міркувань, було запроваджено спеціальну – світловий рік, тобто відстань, яка світло проходить за так званий юліанський рік (рівний 365,25 діб). Враховуючи, що кожну добу містять у собі 86 400 секунд, можна вирахувати, що за рік промінь світла долає відстань дещо більше 9,4 кілометрів. Ця величина здається величезною, однак, наприклад, відстань до найближчої до Землі зірки Проксіми Центавра становить 4,2 роки, а діаметр галактики Чумацький Шлях перевищує 100 000 світлових років, тобто візуальні спостереження, які можна зробити зараз, відображають картину, що існувала близько сотні тисяч років тому.
Промінь світла долає відстань від Землі до Місяця приблизно за секунду, а ось сонячне світлодобирається до нашої планети понад вісім хвилин.
У професійній астрофізиці поняття світлового року використовується рідко. Вчені переважно оперують такими одиницями, як парсек та астрономічна одиниця. Парсек – це відстань до уявної точки, з якою радіус орбіти Землі видно під кутом за одну кутову секунду (1/3600 градуса). Середній радіус орбіти, тобто відстань від Землі до Сонця, називається астрономічною одиницею. Парсек дорівнює приблизно трьом світловим рокам або 30,8 трильйона кілометрів. Астрономічна одиниця приблизно дорівнює 149,6 мільйонів кілометрів.
Напевно, почувши в якомусь фантастичному бойовику вираз а-ля «до Татуїна двадцять. світлових років», багато хто ставився закономірними питаннями. Озвучу деякі з них:
Хіба рік це не час?
Тоді що ж таке світловий рік?
Скільки у ньому кілометрів?
За скільки подолає світловий ріккосмічний корабель з Землі?
Сьогоднішню статтю я вирішив присвятити поясненню значення цієї одиниці виміру, порівнянню її з нашими звичними кілометрами та демонстрації масштабів, якими оперує Всесвіт.
Віртуальний гонщик.
Уявімо собі людину, порушуючи всі правила, що несеться по шосе зі швидкістю 250 км/год. За дві години він подолає 500 км, а за чотири – цілих 1000. Якщо, звичайно, не розіб'ється у процесі…
Здавалося б, ось це швидкість! Але для того, щоб обійти весь земна куля(≈ 40 000 км), нашому гонщику знадобиться у 40 разів більше часу. А це вже 4х40 = 160 годин. Або майже цілий тижденьбезперервної їзди!
У результаті, однак, ми не скажемо, що він подолав 40 000 000 метрів. Так як лінь завжди змушувала нас вигадувати і використовувати коротші альтернативні одиниці виміру.
Межа.
З шкільного курсуфізики кожному має бути відомо, що найшвидший їздок у Всесвіту- Світло. За одну секунду його промінь долає відстань приблизно 300 000 км, а земна куля, таким чином, вона обігне за 0,134 секунди. Це в 4298507 разів швидше, ніж наш віртуальний гонщик!
Від Землідо Місяцясвітло доходить у середньому за 1,25 с, до Сонцяа його промінь домчить трохи більше, ніж за 8 хвилин.
Колосально, чи не так? Адже поки що не доведено існування швидкостей, більших швидкості світла. Тому вчений світ вирішив, що логічно вимірюватиме космічні масштаби в одиницях, які за певні інтервали часу проходить радіохвиля (яке світло, зокрема, і є).
Відстань.
Таким чином, світловий рік- ні що інше, як відстань, яку промінь світла долає за один рік. У міжзоряних масштабах використовувати одиниці відстані, менші за цю, не має особливого сенсу. І все-таки вони є. Ось їх наближені значення:
1 світлова секунда - 300 000 км;
1 світлова хвилина ≈ 18000000 км;
1 світлова година ≈ 1080000000 км;
1 світлова доба ≈ 26 000 000 000 км;
1 світловий тиждень ≈ 181 000 000 000 км;
1 світловий місяць ≈ 790 000 000 000 км.
А тепер, щоб ви розуміли, звідки беруться цифри, обчислимо, до чого дорівнює один світловий рік.
У році 365 діб, на добу 24 години, у годині 60 хвилин, а в хвилині 60 секунд. Таким чином, рік складається з 365 х 24 х 60 х 60 = 31536000 секунд. За секунду світло проходить 300 000 км. Отже, протягом року його промінь подолає відстань 31 536 000 x 300 000 = 9 460 800 000 000 км.
Це число читається так: Дев'ять трильйонів, чотириста шістдесят мільярдів і вісімсот мільйонівкілометрів.
Звичайно, точне значення світлового рокутрохи відрізняється від обчисленого нами. Але при описі відстаней до зірок у науково-популярних статтях найвища точність у принципі не потрібна, і сотня-друга мільйонів кілометрів тут особливої ролі не зіграють.
А тепер продовжимо наші мисленні експерименти…
Масштаби.
Припустимо, що сучасний космічний корабельзалишає Сонячну системуіз третьою космічною швидкістю (≈ 16,7 км/с). Перший світловий ріквін подолає за 18 000 років!
4,36 світлових роківдо найближчої до нас зіркової системи ( Альфи Центавра, див. зображення на початку) він подолає приблизно за 78 тисяч років!
Нашу галактику Чумацький Шлях, що має в діаметрі приблизно 100 000 світлових років, він перетне за 1 млрд. 780 млн. років.
22 лютого 2017 року NASA повідомило, що у одиночної зірки TRAPPIST-1 знайдено 7 екзопланет. Три з них знаходяться в тому діапазоні відстаней від зірки, в якому планета може мати рідку воду, а вода - це ключова умова для життя. Повідомляється також, що дана зіркова система знаходиться на відстані 40 світлових років від Землі.
Це повідомлення наробило багато шуму в ЗМІ, декому навіть здалося, що людство знаходиться за крок від будівництва нових поселень у нової зіркиале це не так. Але 40 світлових років - це багато, це багато, це занадто багато кілометрів, тобто це жахливо колосальна відстань!
З курсу фізики відома третя космічна швидкість - це така швидкість, яку має мати тіло біля Землі, щоб вийти межі Сонячна система. Значення цієї швидкості дорівнює 16,65 км/сек. Звичайні орбітальні космічні кораблі стартують зі швидкістю 7,9 км/сек і обертаються навколо Землі. В принципі, швидкість в 16-20 км/сек є цілком доступною сучасним земним технологіям, але не більше!
Людство ще навчилося розганяти космічні кораблі швидше, ніж 20 км/сек.
Розрахуємо, скільки років знадобиться зорельоту, що летить зі швидкістю 20 км/сек, щоб подолати 40 світлових років і досягти зірки TRAPPIST-1.
Один світловий рік – це відстань, яка проходить промінь світла у вакуумі, а швидкість світла дорівнює приблизно 300 тис. км/сек.
Космічний корабель, зроблений руками людей, летить зі швидкістю в 20 км/сек, тобто в 15000 разів повільніше за швидкість світла. 40 світлових років такий корабель подолає за час, що дорівнює 40*15000=600000 років!
Земний корабель (при сучасному рівнітехнології) долетить до зірки TRAPPIST-1 приблизно за 600 тис. років! Людина розумна існує на Землі (на думку вчених) всього 35-40 тис. років, а тут цілих 600 тис. років!
Найближчим часом технології не дозволять людині досягти зірки TRAPPIST-1. Навіть перспективні двигуни (іонні, фотонні, космічні вітрила тощо), яких немає в земній реальності, оцінно можуть розігнати корабель до швидкості в 10000 км/сек, а значить, час польоту до системи TRAPPIST-1 скоротиться до 120 років. . Це вже більш-менш прийнятний час для польоту за допомогою анабіозу або кількох поколінь переселенців, але на сьогоднішній день усі ці двигуни – фантастика.
Навіть найближчі зірки поки що надто далекі від людей, надто далекі, не кажучи вже про зірки нашої Галактики чи інші галактики.
Діаметр нашої галактики Чумацький Шлях становить приблизно 100 тис. світлових років, тобто шлях з кінця в кінець для сучасного земного корабля становитиме 1,5 млрд. років! Наука передбачає, що Землі 4,5 млрд. років, а багатоклітинного життя приблизно 2 млрд. років. Відстань до найближчої до нас галактики – Туманності Андромеди – 2,5 млн. світлових років від Землі – які жахливі відстані!
Як видно, з усіх людей, що нині живуть, ніхто і ніколи не ступить ногою на землю планети у іншої зірки.
Як ви знаєте, для вимірювання відстаней від Сонця до планет, а також між планетами вчені вигадали астрономічну одиницю. А що таке світловий рік?
Насамперед, слід зазначити, що світловий рік - теж одиниця виміру, прийнята в астрономії, проте часу (як здається, якщо судити за значенням слова «рік»), а відстані.
Чому дорівнює світловий рік
Коли вченим вдалося розрахувати відстані до найближчим зіркам, стало очевидно, що у зоряному світі астрономічна одиниця незручна для застосування. Скажімо для початку, що відстань від Сонця до найближчої зірки становить приблизно 4,5 світлових років. Це означає, що світло від нашого Сонця до найближчої зірки (називається вона, до речі, Проксима Центавра) летить 4,5 роки! Наскільки велика ця відстань? Не будемо нікого втомлювати математикою, зазначимо лише, що за секунду частки світла пролітають 300 000 км. Тобто, якщо надіслати ліхтариком сигнал у бік Місяця, це світло побачать там менш ніж за півтори секунди. Від Сонця до Землі світло сягає 8,5 хвилин. А скільки ж тоді промені світла пролітають за рік?
Відразу скажемо: світловий рік дорівнює приблизно 10 трильйонам кілометрів(Трільйон - це одиниця з дванадцятьма нулями). Точніше, 9460730472581 кілометр. Якщо перерахувати в астрономічних одиницях, це буде приблизно 67 000. І це тільки до найближчої зірки!
Зрозуміло, що у світі зірок та галактик астрономічна одиниця не придатна для вимірів. Простіше оперувати у обчисленнях світловими роками.
Застосовність у зоряному світі
Наприклад, відстань від Землі до найяскравішої на небі зірки Сіріуса становить 8 світлових років. А відстань від Сонця до Полярної зіркискладає близько 600 світлових років. Тобто світло від нас дістається туди за 600 років. Це буде приблизно 40 мільйонів астрономічних одиниць. Для порівняння вкажемо, що розмір (діаметр) нашої Галактики - Чумацького шляху- Близько 100 000 світлових років. Найближча наша сусідка – спіральна галактика, яка називається Туманність Андромеди, віддалена від Землі на відстань 2,52 мільйона світлових років. Дуже незручно вказувати це у астрономічних одиницях. Адже є у Всесвіті об'єкти, віддалені від нас взагалі на 15 мільярдів світлових років. Так, радіус Всесвіту, що спостерігається, становить 13,77 мільярда світлових років. А повний Всесвіт, як відомо, простягається далі частини, що спостерігається.
До речі, діаметр Всесвіту, що спостерігається, зовсім не в 2 рази більше радіусу, як можна подумати. Справа в тому, що з часом космос розширюється. Ті далекі об'єкти, які випустили світло 13,77 мільярда років тому, відлетіли ще далі від нас. Сьогодні вони більш ніж за 46,5 мільярдів світлових років від нас. Подвоївши це, отримуємо 93 мільярди світлових років. Це і є справжній діаметр Всесвіту, що спостерігається. Отже, розміри частини космосу, за якою спостерігають (і яку називають ще Метагалактикою), постійно збільшуються.
Вимірювати такі відстані в кілометрах чи астрономічних одиницях немає сенсу. Чесно кажучи, не зовсім підходять тут світлові роки. Але нічого кращого люди поки що не придумали. Числа виходять настільки величезними, що з ними може впоратися лише комп'ютер.
Визначення та сутність світлового року
Таким чином, світловий рік (св. р.) - це одиниця довжини, а не часу, яка є відстанню, що проходить сонячним променем за рік, тобто за 365 днів. Ця одиниця виміру дуже зручна своєю наочністю. Вона дозволяє відповісти на запитання, через який період часу можна очікувати на відповідь, якщо до певної зірки відправити електромагнітне повідомлення. І якщо це термін занадто великий (наприклад, становить тисячу років), то сенсу таких діях немає.
Часто у фантастичному кіно на космічну тематику можна почути: Альфа Центавра знаходиться від Землі на відстані 4500 світлових років. Або нам залишилося летіти 200 парсек. Відразу постає питання: світловий рік, це скільки? І чи дорівнює він парсеку?
Чому дорівнює світловий рік
За визначенням МАК (Міжнародний астрономічний союз) світловий рік дорівнює відстані, яка пройде фотон світла у вакуумі, за один юліанський рік (становить 365,25 діб, у яких 86 400 секунд СІ), коли на нього не впливають гравітаційні поля планет.
Це визначення вірне з 1984 року. До цього, в розрахунках використовували величину, так званого, тропічного або сонячного року. Нове значення відрізняється від старих на 0,002%. Але у зв'язку з тим, що ця одиниця виміру не застосовується у високоточних обчисленнях, різниця на 0,002% не має практичного значення.
Числові значення виміру світлового року
- У метрах - 9460730472580800 м, або 9,46 петометрів.
- В астрономічних одиницях – 63 241,1 а. А.е. – це середня відстань між Сонцем та Землею.
- У парсеках - 0,306 601 рс.
У популярних виданнях прийнято використовувати пов'язані одиниці виміру, які показують відстань за одиницю часу пройдену фотоном світла. Одна світлова секунда дорівнює 299792,458 км.
Знаючи відстань між Землею та Сонцем з Місяцем, можна підрахувати, що промінь світла досягає поверхні Місяця за 1,3 секунди. А астрономічна одиниця дорівнює 500 секундам.