لي تلسكوب، إعداد ل التصوير الفلكي في فناء منزلي الخلفي الملوث بالضوء في سان دييغو، تم توجيهه نحو مجرة ​​بعيدة بشكل لا يمكن فهمه أرض. صعدت زوجتي كريستينا في الوقت الذي تم فيه بث أول صورة فضائية على جهازي اللوحي. لقد تألق على الشاشة أمامنا.

“هذا هو مجرة دولاب الهواءقلت: الاسم مشتق من شكلها، وإن كانت هذه الدولاب تحتوي على نحو تريليون نجم.

سافر الضوء المنبعث من دولاب الهواء لمدة 25 مليون سنة عبر الكون – حوالي 150 كوينتيليون ميل – للوصول إلى التلسكوب الخاص بي.

تساءلت زوجتي: “ألا يتعب النور خلال هذه الرحلة الطويلة؟”

أثار فضولها محادثة مثيرة للتفكير حول الضوء. في النهاية، لماذا لا يبلى الضوء ويفقد الطاقة بمرور الوقت؟

دعونا نتحدث عن الضوء

أنا عالم فيزياء فلكيةوأحد الأشياء الأولى التي تعلمتها في دراستي هو كيف يتصرف الضوء في كثير من الأحيان بطرق تتحدى حدسنا.

الضوء هو الإشعاع الكهرومغناطيسي: في الأساس، موجة كهربائية وموجة مغناطيسية مقترنة ببعضها البعض وتنتقل عبرها الزمكان. هو – هي ليس لديه كتلة. هذه النقطة مهمة لأن كتلة الجسم، سواء كانت ذرة غبار أو سفينة فضائية، تحد من السرعة القصوى التي يمكن أن يسافر بها عبر الفضاء.

ولكن نظرًا لأن الضوء عديم الكتلة، فهو قادر على الوصول إلى الحد الأقصى للسرعة في الفراغ – حوالي 186000 ميل (300000 كيلومتر) في الثانية، أو ما يقرب من 6 تريليون ميل سنويا (9.6 تريليون كيلومتر). لا شيء يسافر عبر الفضاء بشكل أسرع. لوضع ذلك في منظوره الصحيح: في الوقت الذي تستغرقه لترمش عينيك، ينتقل جسيم من الضوء حول محيط الأرض أكثر من مرتين.

وبقدر هذه السرعة المذهلة، ينتشر الفضاء بشكل لا يصدق. الضوء القادم من الشمس، الذي يبعد 93 مليون ميل (حوالي 150 مليون كيلومتر) عن الأرض، يحتل مكانًا أعلى بقليل ثماني دقائق للوصول إلينا. بمعنى آخر، عمر ضوء الشمس الذي تراه هو ثماني دقائق.

ألفا سنتوري، وهو أقرب نجم لنا بعد الشمس، ويبعد عنا 26 تريليون ميل (حوالي 41 تريليون كيلومتر). لذا، بحلول الوقت الذي تراه في سماء الليل، يكون عمر ضوءه يزيد قليلاً عن أربع سنوات. أو كما يقول علماء الفلك على بعد أربع سنوات ضوئية.

متعلق ب: شكل الضوء: علماء يكشفون صورة فوتون فردي لأول مرة على الإطلاق

مع أخذ هذه المسافات الهائلة في الاعتبار، فكر في سؤال كريستينا: كيف يمكن للضوء أن ينتقل عبر الكون ولا يفقد الطاقة ببطء؟

في الواقع، بعض الضوء يفقد الطاقة. يحدث هذا عندما يرتد عن شيء مامثل الغبار الموجود بين النجوم، وهو منتشر في كل مكان.

لكن معظم الضوء يذهب ويذهب دون أن يصطدم بأي شيء. هذا هو الحال دائمًا تقريبًا بسبب المساحة فارغة في الغالب – العدم. لذلك لا يوجد شيء في الطريق.

عندما ينتقل الضوء دون عوائق، فإنه لا يفقد أي طاقة. يمكنها الحفاظ على سرعة 186000 ميل في الثانية إلى الأبد.

لقد حان الوقت

إليك مفهوم آخر: تصور نفسك كرائد فضاء على متن المركبة الفضائية محطة الفضاء الدولية. أنت تدور بسرعة 17000 ميل (حوالي 27000 كيلومتر) في الساعة. بالمقارنة مع أي شخص على وجه الأرض، ستكون ساعة يدك أبطأ بمقدار 0.01 ثانية على مدار عام واحد.

وهذا مثال على تمدد الوقت – الوقت يتحرك في سرعات مختلفة في ظل ظروف مختلفة. إذا كنت تتحرك بسرعة كبيرة، أو بالقرب من مجال جاذبية كبير، فسوف تدق ساعتك بشكل أبطأ من شخص يتحرك أبطأ منك، أو من هو أبعد عن مجال جاذبية كبير. لنقولها بإيجاز، الوقت نسبي.

الآن اعتبر أن الضوء هو مرتبطة بشكل لا ينفصم مع الوقت. صورة تجلس على أ الفوتونجسيم أساسي للضوء. هنا، سوف تواجه الحد الأقصى من تمدد الزمن. كل شخص على الأرض سيسجلك بسرعة الضوء، لكن من إطارك المرجعي، سيتوقف الزمن تمامًا.

وذلك لأن “الساعات” التي تقيس الوقت موجودة في مكانين مختلفين تسير بسرعات مختلفة إلى حد كبير: الفوتون يتحرك بسرعة الضوء، والسرعة البطيئة نسبيًا للأرض التي تدور حول الشمس.

علاوة على ذلك، عندما تسافر بسرعة الضوء أو تقترب منها، فإن المسافة بين مكانك والمكان الذي تتجه إليه تصبح أقصر. وهذا يعني أن الفضاء نفسه يصبح أكثر إحكاما في اتجاه الحركة، لذا كلما زادت سرعتك، يجب أن تكون رحلتك أقصر. وبعبارة أخرى، بالنسبة للفوتون، يتم سحق الفضاء.

وهو ما يعيدنا إلى صورتي لمجرة Pinwheel. من منظور الفوتون، أطلقه نجم داخل المجرة، ثم امتصه بكسل واحد في كاميرا الفناء الخلفي، في نفس الوقت تمامًا. ولأن الفضاء مضغوط، كانت الرحلة إلى الفوتون سريعة بلا حدود وقصيرة بلا حدود، وهي جزء صغير من الثانية.

لكن من وجهة نظرنا على الأرض، غادر الفوتون المجرة قبل 25 مليون سنة وسافر 25 مليون سنة ضوئية عبر الفضاء حتى هبط على جهازي اللوحي في الفناء الخلفي لمنزلي.

وهناك، في إحدى ليالي الربيع الباردة، ألهمت صورتها المذهلة محادثة ممتعة بين عالم مهووس وزوجته الفضولية.

أعيد نشر هذه المقالة المحررة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المادة الأصلية.