Медленный свет и бесконечная Вселенная

Скорость света — самая высокая скорость, с которой можно перемещаться в пространстве.  В совершенно пустом вакууме частица света, которая называется фотоном, может путешествовать со скоростью 299 792 километров в секунду, или около 1,079 миллиарда километров в час.

Это невероятно быстро. Тем не менее, скорость света может быть невероятно медленной, если вы пытаетесь общаться или достичь других планет, особенно любых миров за пределами нашей солнечной системы.

Чтобы изобразить ограничение скорости света таким способом, который мог понять каждый, Джеймс О’Донохью, ученый-планетолог из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, взял на себя задачу оживить его. «Мои анимации были сделаны так, чтобы как можно быстрее показать весь контекст того, что я пытаюсь передать», — сказал О’Донохью Business Insider через Twitter.

О’Донохью сказал, что он относительно недавно узнал, как создавать эти анимации — его первым клипом был выпуск новостей НАСА об исчезающих кольцах Сатурна. После этого он перешел к анимации других трудных для понимания концепций пространства, включая видео, иллюстрирующее скорости вращения и размеры планет. В последних попытках О’Донохью рассматриваются три различных сценария скорости света, чтобы показать, насколько быстрыми (и медленными) могут быть фотоны.

Как быстро свет распространяется относительно Земли

Первая анимация показывает, как быстро свет движется относительно Земли. Расстояние Земли по экватору около 40000 километров. Если бы в нашем мире не было атмосферы (воздух преломляет и немного замедляет свет), фотон, скользящий по его поверхности, мог бы проходить по экватору почти 7,5 раз каждую секунду.

Как быстро свет распространяется между Землей и Луной

Вторая анимация делает большой шаг назад от Земли и включает Луну. В среднем расстояние между нашей планетой и ее большим естественным спутником составляет около 384 400 км.

Это означает, что весь лунный свет, который мы видим, доходит до нас за 1,255 секунды, а полет между Землей и Луной со скоростью света занимает около 2,51 секунды.

Однако это время растет с каждым днем, так как Луна все дальше отдаляется от Земли со скоростью около 3,8 сантиметра в год. (Луна постоянно истощает энергию вращения Земли через океанские приливы, увеличивая свою орбиту на все большее и большее расстояние.)

Как быстро свет распространяется между Землей и Марсом

Третья анимация скорости света иллюстрирует проблему, с которой ежедневно сталкиваются исследователи космоса.

Когда НАСА пытается общаться или загружать данные с космического аппарата, такого как зонд InSight на Марсе, оно может делать это только со скоростью света. Это слишком медленно, чтобы управлять космическим аппаратом в реальном времени, как это делает машина с дистанционным управлением. Таким образом, команды должны быть тщательно продуманы, скомпонованы и нацелены на точное местоположение в пространстве в точное время, чтобы они не пропустили свою цель.

Самый быстрый обмен данными между Землей и Марсом может произойти, когда планеты находятся в их самой близкой точке друг к другу, событие, называемое самым близким приближением, которое происходит примерно раз в два года. В среднем это расстояние в лучшем случае составляет около 54,6 миллиона километров.

Как показывает этот 60-секундный клип, свету требуется 3 минуты 2 секунды, чтобы преодолеть расстояние между Землей и Марсом при минимальном расстоянии. Это шесть минут и четыре секунды для полета в оба конца.

Но в среднем Марс находится на расстоянии около 250 миллионов километров от Земли, поэтому в среднем двусторонняя связь занимает около 28 минут и 12 секунд.

Связь со скоростью света становится еще более сложной для таких космических аппаратов, как «Новые горизонты», которые теперь находятся на расстоянии более  6 миллиардов километров от Земли, и «Вояджер 1» и «2», каждый из которых достиг межзвездного пространства.

Ситуация становится совершенно удручающей, когда вы начинаете смотреть за пределы Солнечной системы. Ближайшая известная экзопланета, называемая Проксима b, находится на расстоянии около 4,2 световых лет от нас (расстояние около 39,7 триллиона километров).

Самым быстрым из всех космических аппаратов, которые когда-либо летали, является Solar Probe от NASA — он движется со скоростью около 341 000 километров в час; на такой скорости ему потребуется 13 211 лет, чтобы достичь Проксимы b.

Пространство невероятно обширно. Хотя возраст Вселенной составляет около 13,77 миллиардов лет, ее край находится на расстоянии около 45,34 миллиардов световых лет в любом направлении и увеличивается из-за расширения.

Это слишком много, чтобы проиллюстрировать это простой анимацией. Однако одна иллюстрация приближается к этому: изображение, созданное музыкантом Пабло Карлосом Будасси, которое объединяет логарифмические карты вселенной из Принстона и изображения из НАСА, чтобы запечатлеть все это на одном снимке.

Наша Солнце и Солнечная система находятся в самом центре изображения, за которым следует внешнее кольцо нашей галактики Млечный Путь, кольцо других близлежащих галактик, таких как Андромеда, остальная часть космической паутины, космическая. микроволновое фоновое излучение, оставшееся от большого взрыва, и, наконец, кольцо плазмы, также генерируемое большим взрывом.

Логарифмы помогают нам понять огромные числа, и в этом случае огромные расстояния. Например, когда мы уменьшаем масштаб с 1 сантиметра до 1 дециметра, а затем с 1 дециметра до 1 метра, мы меняем шкалы на два порядка или на 10².

Вместо того, чтобы показывать все части вселенной в линейном масштабе, Будасси заставил каждый кусок круга представлять поле зрения на несколько порядков больше, чем предыдущий. Вот почему вся наблюдаемая вселенная может вписаться в круг.

Более новая и не менее впечатляющая иллюстрация показывает масштаб Вселенной на вертикальном изображении ниже. Она логарифмически уменьшает масштаб от бесконечно малой «квантовой пены» ткани пространства (изумительный масштаб 10^–32 метра) вплоть до краев наблюдаемой вселенной (которая примерно на 10⁵⁸ больше).

Теперь космологи считают, что граница наблюдаемой Вселенной составляет 45,34 миллиарда световых лет в любом направлении, или, если вы предпочитаете, сферу шириной около 90,72 миллиарда световых лет. Однако реальный размер космоса, который находится за пределами того, что мы можем наблюдать, вполне может быть бесконечным.