Όλα τα φωτόνια στον κόσμο κινούνται με την ίδια ταχύτητα;

Η ταχύτητα του φωτός στο κενό, που συμβολίζεται με c είναι μια καθολική σταθερά. Όμως, δεν είναι απαραίτητο τα φωτόνια (σωματίδια φωτός) να ταξιδεύουν με αυτή την ταχύτητα παντού.

Τι κοινό έχουν ένα φωτόνιο και ένας πειρατής;

Και οι δύο ταξιδεύουν στο "c"!

Το «C» είναι, φυσικά, η ταχύτητα του φωτός!

Ωστόσο, είναι αλήθεια ότι ένα φωτόνιο ταξιδεύει πάντα με την ταχύτητα του φωτός στο κενό, που είναι η επίσημη ένδειξη του «c»;

Υπάρχουν μερικά πράγματα που πρέπει να κατανοήσουμε για να μπορέσουμε να απαντήσουμε σωστά σε αυτήν την ερώτηση.

Επιστροφή στα βασικά

Σύμφωνα με τη φωτοηλεκτρική θεωρία του Άλμπερτ Αϊνστάιν, το φως δεν εκπέμπεται συνεχώς, αλλά σε διακριτά, κβαντισμένα πακέτα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Βασικά, ένα φωτόνιο είναι η μικρότερη διακριτή ποσότητα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η οποία είναι χωρίς μάζα.

Ένα φωτόνιο δείχνει δυαδικότητα από την άποψη ότι είναι ταυτόχρονα κύμα και σωματίδιο

Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι ένα φωτόνιο είναι ταυτόχρονα κύμα και σωματίδιο, σύμφωνα με την υπόθεση του de Broglie. Τα φωτόνια εμφανίζουν επίσης τις ιδιότητες τόσο των κυμάτων όσο και των σωματιδίων. Τα φωτόνια συμμετέχουν στο κυματοειδές φαινόμενο της πόλωσης, της περίθλασης και της παρεμβολής, καθώς και στο φαινόμενο που μοιάζει με σωματίδιο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και της σκέδασης Compton.

Διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Δεδομένου ότι ένα φωτόνιο από μόνο του είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, θα πρέπει να σκάψουμε λίγο βαθύτερα στη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα παράγονται ως αποτέλεσμα δονήσεων μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, όπου τα διανύσματα του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου είναι κάθετα μεταξύ τους. Η κατεύθυνση διάδοσης ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι κάθετη τόσο στο ηλεκτρικό όσο και στο μαγνητικό στοιχείο.

Σε ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο δονούνται κάθετα μεταξύ τους (Photo Credit :udaix/Shutterstock)

Από την εξίσωση του Maxwell, η ταχύτητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μέσω ενός μέσου προκύπτει ως:

όπου «c» υποδηλώνει την ταχύτητα του φωτός στο κενό, η οποία είναι ίση με 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο
Το ξ δηλώνει διηλεκτρική σταθερά του μέσου μ υποδηλώνει τη μαγνητική διαπερατότητα του μέσου

Ως εκ τούτου, από την παραπάνω εξίσωση, είναι σαφές ότι παρόλο που η ταχύτητα του φωτός (που είναι από μόνο του ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα) μέσω ενός κενού είναι σταθερή ποσότητα, η ταχύτητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος μέσω ενός μέσου εξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου .

Κινούνται όλα τα φωτόνια στον κόσμο με την ίδια ταχύτητα;

Από την παραπάνω εξίσωση, είναι σαφές ότι η απάντηση σε αυτή την ερώτηση είναι ΟΧΙ, γιατί ήδη γνωρίζουμε ότι ένα φωτόνιο είναι επίσης ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα.

Η ταχύτητα ενός φωτονίου εξαρτάται από τη φύση του μέσου μέσω του οποίου διαδίδεται, λόγω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ του φωτονίου και των σωματιδίων του μέσου.

Ταυτόχρονα, είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι η ταχύτητά του στο κενό δεν εξαρτάται από την ενέργεια ή τη συχνότητα του φωτονίου. Για παράδειγμα, η ταχύτητα των ενεργειακών υπεριωδών ακτίνων μέσω του κενού είναι ίδια με τις λιγότερο ενεργητικές υπέρυθρες ακτίνες. Είναι πάντα μια καθολική σταθερά «c», η οποία ισούται με 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο.

Όταν ένα φωτόνιο ταξιδεύει από ένα οπτικά σπανιότερο σε ένα οπτικά πυκνότερο μέσο (π.χ. αέρας σε γυαλί), η ταχύτητά του μειώνεται λόγω της αυξημένης απόφραξης στη διαδρομή του φωτονίου που προσφέρουν τα σωματίδια του μέσου. Ωστόσο, η συχνότητά του παραμένει αμετάβλητη. Το αντίστροφο συμβαίνει όταν ταξιδεύει από οπτικά πυκνότερο σε οπτικά σπανιότερο μέσο (π.χ. γυαλί στον αέρα). Η ταχύτητα του φωτονίου σε αυτήν την περίπτωση αυξάνεται.

Λόγω της διάθλασης από το ένα μέσο στο άλλο, η ταχύτητα του φωτός αλλάζει (Πιστωτική φωτογραφία :Amalakanti Satya Sarada/Shutterstock)

Όταν ένα φωτόνιο εγχέεται σε μια παράξενη μορφή ύλης που ονομάζεται Συμπύκνωμα Bose-Einstein, μπορεί να ταξιδέψει τόσο αργά όσο 25 χιλιόμετρα την ώρα. Τα συμπυκνώματα του Bose-Einstein περιέχουν εξαιρετικά δροσερά άτομα με αμελητέα ενέργεια. Αυτά τα άτομα συμπεριφέρονται σε κβαντική κατάσταση και εμφανίζουν περίεργες ιδιότητες. Όταν τα φωτόνια συγκρούονται με αυτά τα άτομα, μετατρέπονται σε υβριδικά σωματίδια που ονομάζονται πολαριτόνια, τα οποία κινούνται πιο αργά από τα πρωτόνια. Πειράματα έδειξαν επίσης ότι τα Συμπυκνώματα του Bose-Einstein μπορούν να αποθηκεύσουν ακόμη και προσωρινά φως!

Τι συμβαίνει αν ταξιδεύετε με την ταχύτητα ενός φωτονίου;

Αυτή η αστραπιαία ταχύτητα και το κοστούμι υπερήρωα του χαρακτήρα της DC Comic, The Flash, μπορεί να σας γοήτευαν στην παιδική ηλικία και να σας έκαναν να ονειρευτείτε να ταξιδέψετε με την ταχύτητα του φωτός, αλλά είναι δυνατόν; Τι ακριβώς συμβαίνει όταν ταξιδεύετε με την ταχύτητα ενός φωτονίου φωτός;

Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, η μάζα αυξάνεται με την αύξηση της ταχύτητας. Έτσι, όταν ταξιδεύετε με την ταχύτητα του φωτός, η μάζα σας γίνεται άπειρη και τα πράγματα γύρω σας φαίνεται να επιβραδύνουν. Αυτό σημαίνει ότι θα γερνάτε πιο αργά από τους συναδέλφους σας υπό κανονικές συνθήκες. Αυτό ονομάζεται «διαστολή χρόνου», που σημαίνει ότι ο χρόνος ρέει αργά για τα γρήγορα κινούμενα αντικείμενα. Αυτό το υποθετικό είναι από μόνο του αδύνατο να επιτευχθεί, λόγω των φυσικών μας περιορισμών. Επομένως, δεν είναι δυνατό να ταξιδέψετε με την ταχύτητα του φωτός για τα ανθρώπινα όντα.

Ας γίνει φως!

Το φως συχνά θεωρείται ότι είναι το απλούστερο σωματίδιο στο σύμπαν, αλλά ξέρατε ότι το φως δεν μπορούσε να ταξιδέψει ελεύθερα για σχεδόν μισό εκατομμύριο χρόνια; Και δεδομένου ότι το φως είναι η πηγή της ορατότητας, είναι σωστό να πούμε ότι υπήρχε σκοτάδι παντού. Ήταν αρκετός καιρός μετά τη Μεγάλη Έκρηξη που το σύμπαν επεκτάθηκε αρκετά ώστε να επιτρέψει στα φωτόνια να ταξιδέψουν και να εξαπλωθούν ελεύθερα.

φωτοσύνθεση, Αυτή η ακτινοβολούμενη ενέργεια είναι απαραίτητη για το μεταβολισμό του περιβάλλοντος" πλάτος ="1000" height="573" srcset="https://www.scienceabc.com/wp-content/uploads/2021/11/Solar-radiation-is-radiant-energy-from-the-sun.jpg 1000w , https://www.scienceabc.com/wp-content/uploads/2021/11/Solar-radiation-is-radiant-energy-from-the-sun-300x172.jpg 300w, https://www.scienceabc. com/wp-content/uploads/2021/11/Solar-radiation-is-radiant-energy-from-the-sun-768x440.jpg 768w" sizes="(max-width:1000px) 100vw, 1000px"> ηλιακό φως 8 λεπτά και 20 δευτερόλεπτα κατά μέσο όρο για να φτάσει στη Γη όταν ταξιδεύετε στο κενό (Πιστωτική φωτογραφία :Nasky/Shutterstock)

Έτσι, όσο υπάρχει φως — κινείται εξαιρετικά γρήγορα, πολύ αργά ή δεν κινείται καθόλου — η ζωή μας είναι ευκολότερη και ο κόσμος γύρω μας είναι φωτεινός!