Prędkość światła to granica, z jaką obiekt materialny może poruszać się w przestrzeni, chyba że oczywiście weźmiemy pod uwagę hipotetyczne tunele czasoprzestrzenne, za pomocą których, zgodnie z założeniami, obiekty mogą poruszać się w przestrzeni jeszcze szybciej. W idealnej próżni cząstka światła, foton, może poruszać się z prędkością 299 792 kilometrów na sekundę, czyli około 1,079 miliarda kilometrów na godzinę. Na pierwszy rzut oka może się to wydawać zaskakująco szybkie. Nie, to naprawdę szybkie. Ale w skali kosmicznej prędkość ta może być potwornie mała, zwłaszcza jeśli chodzi o komunikację radiową i loty na inne planety, w szczególności te poza naszym Układem Słonecznym.
Aby ułatwić każdemu zrozumienie ograniczonych możliwości prędkości światła, planetolog z Goddard Space Flight Center NASA, James O'Donoghue, stworzył serię animowanych filmów.
W rozmowie z Business Insider O'Donoghue powiedział, że dopiero niedawno nauczył się, jak tworzyć te animacje. Jego pierwszą pracą dla NASA było przygotowanie filmu o pierścieniach Saturna. Następnie zaczął animować inne trudne do zrozumienia koncepcje kosmiczne, na przykład wizualne porównanie rozmiarów i prędkości obrotu planet Układu Słonecznego. Według niego ta praca, opublikowana na jego osobistej stronie na Twitterze, wzbudziła duże zainteresowanie.
Jego najnowsze dzieło jest próbą jednoznacznego pokazania, jak szybkie i jednocześnie wolne mogą być fotony.
Wizualna demonstracja ruchu fotonów wokół Ziemi
W pierwszej animacji O'Donoghue pokazał, jak szybko światło może poruszać się względem Ziemi.
Film promocyjny:
Równik naszej planety ma około 40 tysięcy kilometrów długości. Gdyby nie miał atmosfery (zawarte w nim cząsteczki mogą trochę spowolnić światło), wówczas foton przesuwający się po jego powierzchni wykonałby prawie 7,5 pełnego obrotu w ciągu 1 sekundy (lub 0,13 sekundy na obrót).
Chociaż prędkość światła wydaje się w tym scenariuszu niewiarygodnie duża, film pokazuje również, że jest skończona.
Jak szybko światło przemieszcza się między Ziemią a Księżycem
W drugim filmie O'Donoghue pokonuje większą odległość - od Ziemi do Księżyca.
Średnio odległość między naszą planetą a jej naturalnym satelitą wynosi 384 000 kilometrów. Oznacza to, że światło księżyca obserwowane na niebie pokonuje tę odległość w 1,255 sekundy, a podróż tam iz powrotem, na przykład podczas przesyłania wiadomości radiowych między Ziemią a statkiem kosmicznym, zajmie 2,51 sekundy.
Należy zaznaczyć, że czas ten wydłuża się każdego dnia, gdyż co roku Księżyc oddala się od Ziemi o około 3,8 cm (Księżyc nieustannie wyczerpuje energię obrotu Ziemi poprzez oddziaływanie grawitacyjno-pływowe. Konsekwencją tego efektu jest zmiana orbity satelity).
Jak szybko światło pokonuje odległość między Ziemią a Marsem
W trzecim filmie O'Donoghue zademonstrował problem, z którym na co dzień boryka się wielu planetologów.
Gdy pracownicy agencji kosmicznej NASA próbują pobrać i odebrać dane ze statku kosmicznego, na przykład tej samej sondy InSight, która obecnie działa na Marsie, komunikaty są przesyłane z prędkością światła. Jednak nie wystarczy sterować urządzeniem „w czasie rzeczywistym”. Dlatego zespoły muszą być dokładnie przemyślane, maksymalnie skompresowane i skierowane na dokładny czas i miejsce, aby nie przegapić celu.
Najszybsza transmisja wiadomości między Ziemią a Marsem jest możliwa w momencie, gdy planety znajdują się w punkcie największego zbliżenia. Jednak dzieje się tak tylko raz na dwa lata. W dodatku nawet w tym przypadku dzieli nas odległość około 54,6 mln kilometrów. Wideo O'Donoghue pokazuje, że z tej odległości światło potrzebuje 3 minuty i 2 sekundy, aby dostać się z jednej planety na drugą lub 6 minut w obu kierunkach.
Przeciętnie odległość między Ziemią a Marsem wynosi 254 milionów kilometrów, więc dwukierunkowa transmisja wiadomości trwa średnio około 28 minut i 12 sekund.
Im większa odległość, tym przygnębiająca staje się „efektywność” prędkości światła
Ograniczenie prędkości światła stwarza jeszcze więcej problemów dla statków kosmicznych znajdujących się dalej od Ziemi. Na przykład ta sama sonda New Horizons, która znajduje się obecnie 6,64 miliarda kilometrów od nas, lub Voyager 1 i Voyager 2, które dotarły do krawędzi Układu Słonecznego.
Ilustracja przedstawiająca „nanosondę” kosmiczną Breakthrough Starshot, przyspieszaną przez bardzo silną wiązkę laserową i skierowaną w stronę układu gwiazdowego Alpha Centauri.
Sytuacja staje się dość smutna, jeśli chodzi o przesłanie wiadomości do innego systemu gwiezdnego. Na przykład najbliższa egzoplaneta, jaką znamy, Proxima b, znajduje się w odległości około 4,2 lat świetlnych (około 39,7 biliona kilometrów). Nawet jeśli weźmiemy obecnie najszybszą sondę kosmiczną, Parker Solar Probe, zdolną do osiągania prędkości 343 000 kilometrów na godzinę, to nawet dotarcie do Proximy b zajęłoby około 13211 lat.
Nikolay Khizhnyak