Tanya Ethan: Apakah cahaya selalu bergerak dengan kecepatan yang sama?

Gambar pusat galaksi dalam beberapa rentang panjang gelombang menunjukkan sumber radiasi seperti bintang, gas, lubang hitam, dll. Tapi cahaya yang berasal dari semua sumber ini, dari radiasi gamma ke rentang yang terlihat dan radio, selalu bergerak melalui ruang kosong dengan kecepatan yang sama: kecepatan cahaya dalam ruang hampa udara.

Tidak peduli seberapa cepat Anda bergerak, satu hal yang tidak dapat Anda tangkap: cahaya. Kecepatan cahaya tidak hanya kecepatan maksimum yang dapat digerakkan oleh apa pun di alam semesta, tetapi juga dianggap sebagai konstanta universal. Apakah kita menyalakan lampu senter, melihat Bulan atau Matahari, atau mengukur parameter galaksi yang terletak miliaran tahun cahaya dari kita, kecepatan cahaya adalah satu-satunya hal yang tetap tidak berubah. Tetapi apakah ini selalu terjadi? Inilah yang ingin diketahui oleh pembaca kami:

Apakah cahaya bergerak dengan kecepatan yang sama sepanjang waktu? Jika sesuatu memperlambatnya, akankah ia tetap melambat setelah pengaruh ini menghilang? Apakah akan mempercepat kembali ke kecepatan cahaya?

Mari kita mulai dengan apa yang merupakan cahaya pada tingkat mendasar: kuanta.


Berosilasi dalam satu fase, medan listrik dan magnet yang merambat dengan kecepatan cahaya menentukan radiasi elektromagnetik. Unit terkecil dari radiasi elektromagnetik, sebuah kuantum, dikenal sebagai foton.

Cahaya bisa tidak seperti partikel jika Anda mengamati sumber cahaya seperti bola lampu, senter, laser pointer atau Matahari - tetapi ini semua karena kita tidak dapat melihat partikelnya sendiri. Jika kita menggunakan fotodetektor elektronik alih-alih mata kita, kita akan menemukan bahwa semua cahaya Semesta terdiri dari partikel yang sama, atau foton kuantum. Ini memiliki beberapa properti yang sama untuk semua foton:

• massa sama dengan 0;
• kecepatan selalu sama dengan s, kecepatan cahaya;
• spin, ukuran momentum sudut internal, selalu sama dengan 1;

dan satu sifat yang sangat penting yang berbeda untuk foton yang berbeda: energi. Dari semua foton yang terlihat oleh mata manusia, cahaya ungu memiliki energi paling besar, sedangkan merah memiliki paling sedikit. Foton dari rentang inframerah, gelombang mikro dan radio memiliki lebih sedikit energi, dan lebih banyak lagi - dari ultraviolet, sinar-X dan radiasi gamma.


Timbangan ukuran, panjang gelombang dan suhu / energi, sesuai dengan bagian spektrum elektromagnetik yang berbeda

Melalui ruang hampa udara, terlepas dari energi, mereka selalu bergerak dengan kecepatan cahaya. Dan tidak peduli seberapa cepat Anda mencoba bergerak setelah cahaya, atau ke arah itu: kecepatan foton yang Anda amati akan selalu sama. Alih-alih kecepatan, energi mereka akan berubah. Bergerak ke arah cahaya, dan itu akan tampak lebih biru, dan energinya akan lebih. Menjauh darinya, dan dia akan tampak merah, dan energinya akan berkurang. Tetapi tidak peduli bagaimana Anda bergerak, bagaimana cahaya bergerak, bagaimana Anda mengubah energi, kecepatan cahaya tidak akan berubah. Foton yang tertinggi atau terendah dari semua energi yang diamati akan selalu bergerak dengan kecepatan yang sama.


Semua partikel tanpa massa bergerak dengan kecepatan cahaya, termasuk foton, gluon, dan gelombang gravitasi yang masing-masing mentransfer interaksi elektromagnetik, nuklir kuat, dan gravitasi.

Tetapi jika Anda ingin pindah dari ruang hampa ke bahan tertentu, cahayanya bisa melambat. Bahan apa pun yang transparan terhadap cahaya akan memungkinkan foton bergerak di dalamnya - baik itu air, resin akrilik, kristal, kaca, dan bahkan udara. Tetapi karena ada partikel bermuatan dalam materi ini - elektron - mereka akan berinteraksi dengan foton, dan dengan demikian memperlambat mereka. Cahaya, meskipun tidak memiliki muatan, berperilaku seperti gelombang. Sebuah foton yang bergerak di ruang angkasa menyebabkan osilasi medan listrik dan magnet, sehingga dapat berinteraksi dengan partikel bermuatan. Interaksi ini memperlambatnya, membuatnya bergerak dengan kecepatan kurang dari kecepatan cahaya saat bergerak dalam medium.


Perilaku cahaya putih yang melewati prisma menunjukkan bagaimana cahaya dari energi yang berbeda bergerak dengan kecepatan yang berbeda dalam suatu media - tetapi tidak dalam ruang hampa

Foton yang berbeda akan memiliki energi yang berbeda, yang berarti bahwa medan listrik dan magnetnya akan berosilasi pada frekuensi yang berbeda. Dalam ruang hampa, kecepatan berbagai jenis cahaya adalah sama, tetapi dalam medium bisa berbeda. Enlighten dengan cahaya putih, yang terdiri dari semua warna, setetes air atau prisma, dan foton berenergi tinggi akan melambat lebih kuat daripada foton berenergi lebih rendah, yang akan menyebabkan cahaya terpecah menjadi warna.


Pelangi primer (cerah) dan sekunder (redup) muncul karena interaksi sinar matahari dan tetesan air, dan yang lainnya karena pantulan di dalam air. Warna dipisahkan karena kecepatan foton berbeda dari energi yang berbeda yang bergerak dalam medium - dalam hal ini, dalam air

Ini adalah bagaimana cahaya, melewati tetesan air, menciptakan pelangi - foton dari energi yang berbeda berinteraksi dengan partikel bermuatan medium, dan melambat dengan cara yang berbeda.


Beberapa pantulan cahaya dalam setetes air menyebabkan pemisahan cahaya pada sudut yang berbeda, ketika lampu merah di lingkungan akuatik bergerak lebih cepat dan lebih lambat ungu.

Penting untuk diingat bahwa dalam hal ini tidak ada sifat perubahan cahaya. Dia tidak kehilangan energi, tidak mengubah sifat intrinsiknya, tidak berubah menjadi apa pun. Hanya ruang di sekitarnya yang berubah. Ketika cahaya ini meninggalkan medium dan kembali ke ruang hampa, ia kembali bergerak dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa: 299 792 458 meter per detik. Bahkan, definisi jarak dan waktu - meter dan detik - dihitung melalui kecepatan cahaya. Atom dapat menyerap atau memancarkan cahaya, tergantung pada transisi elektron di dalam atom.


Transisi atom dari orbital 6s, 1f ₁ , menentukan meter, detik dan kecepatan cahaya

Cesium, unsur ke-55 dari tabel periodik, memiliki 55 elektron dalam satu atom netral yang stabil. 54 elektron pertama biasanya ada di negara bagian dengan energi terendah, tetapi ke-55 memiliki dua tingkat energi yang dapat ditempati, yang terletak sangat dekat satu sama lain. Jika ia beralih dari yang sedikit lebih tinggi ke yang sedikit lebih rendah, maka energi transisi beralih ke foton dengan energi yang sepenuhnya ditentukan. Jika Anda mengambil 9 192 631 770 siklus foton ini, Anda mendapatkan 1 detik. Jika kita mengambil jarak yang akan mencakup dalam 30,663319 siklus (9 192 631 770/299 792 458), kita mendapatkan 1 meter.

Hal yang sangat mengejutkan terjadi setelah ini: sampai atom-atom di seluruh Alam Semesta persis sama, definisi waktu, jarak, dan kecepatan cahaya kita tidak akan berubah, terlepas dari di mana di Semesta kita menggunakannya.


Tidak peduli seberapa jauh kita melihat ke Alam Semesta, fisika yang mengendalikan atom dan menentukan panjang, waktu dan kecepatan cahaya akan tetap tidak berubah.

Jadi apa yang kita pelajari sebagai hasilnya?

1. Cahaya, terlepas dari apakah energinya tinggi atau rendah, selalu bergerak dengan kecepatan cahaya, sementara itu bergerak dalam ruang hampa yang kosong.
2. Tidak ada perubahan dalam gerakan Anda atau gerakan cahaya mengubah kecepatan ini.
3. Dengan mengirimkan cahaya ke media selain dari vakum, Anda dapat mengubah kecepatannya saat bergerak di media ini.
4. Cahaya dari energi yang berbeda akan mengubah kecepatan secara berbeda, tergantung pada sifat medianya.
5. Meninggalkan medium dan kembali ke ruang hampa, cahaya mulai bergerak lagi dengan kecepatan cahaya.
6. Menurut pengetahuan kami dan pengukuran terbaik, kecepatan cahaya tetap sekitar 299 792 458 m / s di semua tempat dan setiap saat di Semesta.

Dalam banyak hal, cahaya adalah partikel paling sederhana di alam semesta. Dan meskipun selalu bergerak dengan kecepatan cahaya, itu tidak selalu bergerak di ruang yang benar-benar kosong. Selama materi transparan dipertahankan di Semesta, Anda tidak akan bisa menghindari moderasi cahaya di dalamnya. Tetapi segera setelah cahaya kembali ke ruang kosong, ia kembali bergerak dengan kecepatan cahaya, dan setiap foton bergerak seolah-olah tidak pernah bergerak dengan kecepatan yang berbeda!

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: jika Semesta berkembang, mengapa kita tidak berkembang ; mengapa usia Alam Semesta tidak bertepatan dengan jari-jari bagian yang diamati .