هل تلبس الفوتونات؟ يشرح عالم الفيزياء الفلكية قدرة الضوء على السفر مسافات كونية شاسعة دون فقدان الطاقة

تم توجيه التلسكوب الخاص بي ، الذي تم إعداده للتصوير الفلكي في الفناء الخلفي لسان دييغو المصحوب بالضوء ، إلى مجرة ​​لا تُعرف عن الأرض. مشيت زوجتي ، كريستينا ، مثل أول صورة فضائية تم بثها على الجهاز اللوحي. تألق على الشاشة أمامنا.

قلت: “هذه هي مجرة ​​Pinwheel”. الاسم مشتق من شكله – وإن كان هذا الدبوس يحتوي على حوالي تريليون نجوم.

سافر الضوء من inwheel لمدة 25 مليون عام في جميع أنحاء الكون – على بعد حوالي 150 كوينتليون ميل – للوصول إلى التلسكوب الخاص بي.

تساءلت زوجتي: “ألا تتعب الضوء خلال مثل هذه الرحلة الطويلة؟”

أثار فضولها محادثة مثيرة للتفكير حول الضوء. في النهاية ، لماذا لا يلبس الضوء ويفقد الطاقة مع مرور الوقت؟

لنتحدث عن الضوء

أنا عالم الفيزياء الفلكية ، وأحد أول الأشياء التي تعلمتها في دراستي هي كيف يتصرف الضوء في كثير من الأحيان بطرق تتحدى الحدس لدينا.

الضوء هو الإشعاع الكهرومغناطيسي: في الأساس ، موجة كهربائية وموجة مغناطيسية مقترنة معًا وتسافر عبر الزمان. ليس لها كتلة. هذه النقطة أمر بالغ الأهمية لأن كتلة الكائن ، سواء كانت بقعة من الغبار أو سفينة الفضاء ، تحد من السرعة القصوى التي يمكن أن تسير عبر الفضاء.

ولكن نظرًا لأن الضوء بدون كتلة ، فإنه قادر على الوصول إلى الحد الأقصى للسرعة في فراغ – على بعد حوالي 186000 ميل (300000 كيلومتر) في الثانية ، أو ما يقرب من 6 تريليونات ميل في السنة (9.6 تريليون كيلومتر). لا شيء السفر عبر الفضاء أسرع. لوضع ذلك في منظورها الصحيح: في الوقت الذي يأخذك فيه أن تومض عينيك ، ينتقل جسيم من الضوء حول محيط الأرض أكثر من مرتين.

بسرعة لا تصدق ، فإن الفضاء ينتشر بشكل لا يصدق. يستغرق الضوء من الشمس ، التي تبعد 93 مليون ميل (حوالي 150 مليون كيلومتر) من الأرض ، ما يزيد قليلاً عن ثماني دقائق للوصول إلينا. وبعبارة أخرى ، فإن ضوء الشمس الذي تراه عمره ثماني دقائق.

Alpha Centauri ، أقرب نجم لنا بعد الشمس ، على بعد 26 تريليون ميل (حوالي 41 تريليون كيلومتر). لذلك بحلول الوقت الذي تراه فيه في سماء الليل ، يبلغ عمر الضوء أكثر من أربع سنوات. أو ، كما يقول علماء الفلك ، إنه على بعد أربع سنوات ضوئية.

مع وضع تلك المسافات الهائلة في الاعتبار ، فكر في سؤال كريستينا: كيف يمكن للضوء السفر عبر الكون وعدم فقدان الطاقة ببطء؟

في الواقع ، بعض الضوء يفقد الطاقة. يحدث هذا عندما يرتد شيئًا ما ، مثل الغبار بين النجوم ، وهو منتشرة.

لكن معظم الضوء يذهب ويذهب ، دون التصادم مع أي شيء. هذا هو الحال دائمًا لأن المساحة فارغة في الغالب – العدم. لذلك لا يوجد شيء في الطريق.

عندما يسافر الضوء دون عوائق ، فإنه لا يفقد أي طاقة. يمكن أن تحافظ على أن السرعة 186،000 ميل في الثانية إلى الأبد.

حان الوقت

إليك مفهوم آخر: تصور نفسك كرائد فضاء على متن محطة الفضاء الدولية. أنت تدور حول 17000 ميل (حوالي 27000 كيلومتر) في الساعة. بالمقارنة مع شخص ما على وجه الأرض ، ستقوم ساعة الاغتصاب الخاصة بك بوضع علامة على 0.01 ثانية أبطأ على مدار عام واحد.

هذا مثال على تمدد الوقت – الوقت في التحرك بسرعات مختلفة في ظل ظروف مختلفة. إذا كنت تتحرك سريعًا حقًا ، أو بالقرب من حقل جاذبية كبير ، فستكون الساعة الخاصة بك تبطئ أكثر من شخص يتحرك أبطأ منك ، أو من هو أبعد من حقل جاذبية كبير. أن أقول ذلك بإيجاز ، الوقت نسبي.

الآن فكر في أن الضوء مرتبط بشكل لا ينفصم بالوقت. صورة جالسة على فوتون ، جسيم أساسي من الضوء ؛ هنا ، ستختبر أقصى وقت تمدد الوقت. كل شخص على وجه الأرض سوف يسجلونك بسرعة الضوء ، ولكن من إطارك المرجعي ، سيتوقف الوقت تمامًا.

ذلك لأن وقت قياس “الساعات” في مكانين مختلفين يسيران سرعتين مختلفة تمامًا: يتحرك الفوتون بسرعة الضوء ، وسرعة الأرض البطيئة نسبيًا تتجول في الشمس.

ما هو أكثر من ذلك ، عندما تسافر أو بالقرب من سرعة الضوء ، فإن المسافة بين مكانك وأين ستذهب أقصر. وهذا يعني أن المساحة نفسها تصبح أكثر إحكاما في اتجاه الحركة – لذلك كلما كانت أسرع ، كلما كانت رحلتك أقصر. بمعنى آخر ، بالنسبة للفوتون ، يتم سحق الفوتون.

وهو ما يعيدنا إلى صورتي لمجرة العجلة. من منظور الفوتون ، قام نجم داخل المجرة بإبعاده ، ثم تمتصه بكاميرا واحدة في كاميرا الفناء الخلفي ، في نفس الوقت بالضبط. نظرًا لأن المساحة سحق ، إلى الفوتون ، كانت الرحلة سريعة بلا حدود وقصيرة بلا حدود ، وهو جزء صغير من الثانية.

ولكن من وجهة نظرنا على الأرض ، غادر الفوتون المجرة قبل 25 مليون عام وسافر 25 مليون سنة ضوئية عبر الفضاء حتى هبطت على جهاز الكمبيوتر اللوحي في الفناء الخلفي.

وهناك ، في ليلة الربيع الباردة ، ألهمت صورتها المذهلة محادثة مبهجة بين عالم نردي وزوجته الغريبة.

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: جاريد روبرتس ، جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو

اقرأ المزيد:

جاريد روبرتس يتلقى تمويل من ناسا.