Apakah cahaya berjalan melalui ruang usang?

Teleskop saya, yang didirikan untuk astrophotography di halaman belakang San Diego yang berpolusi cahaya, ditunjuk ke galaksi yang tak terduga jauh dari bumi. Istri saya, Cristina, berjalan tepat ketika foto ruang angkasa pertama mengalir ke tablet saya. Itu bersinar di layar di depan kami.

“Itu galaksi pinwheel,” kataku. Namanya berasal dari bentuknya – meskipun kincir ini berisi sekitar satu triliun bintang.

ADVERTISEMENT

SCROLL TO RESUME CONTENT

Cahaya dari pinwheel melakukan perjalanan selama 25 juta tahun melintasi alam semesta – sekitar 150 quintilyun mil – untuk sampai ke teleskop saya.

Istri saya bertanya -tanya: “Bukankah cahaya lelah selama perjalanan yang begitu lama?”

Keingintahuannya memicu percakapan yang menggugah pikiran tentang cahaya. Pada akhirnya, mengapa cahaya tidak aus dan kehilangan energi seiring waktu?

Mari Bicara Tentang Cahaya

Saya seorang astrofisika, dan salah satu hal pertama yang saya pelajari dalam studi saya adalah bagaimana cahaya sering berperilaku dengan cara yang menentang intuisi kita. Cahaya adalah radiasi elektromagnetik: pada dasarnya, gelombang listrik dan gelombang magnetik digabungkan bersama dan bepergian melalui ruang-waktu. Itu tidak memiliki misa. Titik itu sangat penting karena massa suatu objek, apakah setitik debu atau pesawat ruang angkasa, membatasi kecepatan tertinggi yang dapat dilalui melalui ruang.

Tetapi karena cahaya tanpa massa, ia dapat mencapai batas kecepatan maksimum dalam vakum – sekitar 186.000 mil (300.000 kilometer) per detik, atau hampir 6 triliun mil per tahun (9,6 triliun kilometer). Tidak ada yang bepergian melalui ruang lebih cepat. Untuk menempatkan itu ke dalam perspektif: Pada saat Anda perlu mengedipkan mata, sebuah partikel cahaya bergerak di sekitar keliling bumi lebih dari dua kali.

Sedikit secepat itu, ruang sangat tersebar. Cahaya dari matahari, yang berjarak 93 juta mil (sekitar 150 juta kilometer) dari Bumi, membutuhkan waktu lebih dari delapan menit untuk mencapai kita. Dengan kata lain, sinar matahari yang Anda lihat berumur delapan menit. Alpha Centauri, bintang terdekat kami setelah matahari, berjarak 26 triliun mil (sekitar 41 triliun kilometer). Jadi pada saat Anda melihatnya di langit malam, cahayanya baru berusia lebih dari empat tahun. Atau, seperti yang dikatakan para astronom, itu empat tahun cahaya lagi.

Dengan jarak yang sangat jauh dalam pikiran itu, pertimbangkan pertanyaan Cristina: Bagaimana cara melakukan perjalanan cahaya melintasi alam semesta dan tidak perlahan -lahan kehilangan energi?

Sebenarnya, beberapa cahaya kehilangan energi. Ini terjadi ketika memantul dari sesuatu, seperti debu antarbintang, dan tersebar. Tapi sebagian besar cahaya hanya pergi dan pergi, tanpa bertabrakan dengan apa pun. Ini hampir selalu terjadi karena ruang sebagian besar kosong – tidak ada. Jadi tidak ada apa -apa di jalan. Ketika cahaya bergerak tanpa hambatan, ia tidak kehilangan energi. Ini dapat mempertahankan kecepatan 186.000 mil per detik selamanya.

Sudah waktunya

Inilah konsep lain: Bayangkan diri Anda sebagai astronot di atas kapal ruang angkasa internasional. Anda mengorbit dengan kecepatan 17.000 mil (sekitar 27.000 kilometer) per jam. Dibandingkan dengan seseorang di Bumi, jam tangan Anda akan mencentang 0,01 detik lebih lambat selama satu tahun.

Itu adalah contoh pelebaran waktu – waktu bergerak pada kecepatan yang berbeda dalam kondisi yang berbeda. Jika Anda bergerak sangat cepat, atau dekat dengan medan gravitasi yang besar, jam Anda akan berdetak lebih lambat daripada seseorang yang bergerak lebih lambat dari Anda, atau yang lebih jauh dari medan gravitasi yang besar. Mengatakannya secara ringkas, waktu itu relatif.

Sekarang pertimbangkan bahwa cahaya terhubung dengan waktu. Gambar duduk di atas foton, partikel cahaya mendasar; Di sini, Anda akan mengalami pelebaran waktu maksimal. Semua orang di Bumi akan mencatat Anda dengan kecepatan cahaya, tetapi dari bingkai referensi Anda, waktu akan sepenuhnya berhenti.

Itu karena “jam” waktu pengukuran berada di dua tempat berbeda dengan kecepatan yang sangat berbeda: foton bergerak dengan kecepatan cahaya, dan kecepatan bumi yang relatif lambat melingkari matahari.

Terlebih lagi, saat Anda bepergian di atau dekat dengan kecepatan cahaya, jarak antara tempat Anda berada dan ke mana Anda akan menjadi lebih pendek. Artinya, ruang itu sendiri menjadi lebih kompak dalam arah gerak – sehingga semakin cepat Anda bisa pergi, semakin pendek perjalanan Anda. Dengan kata lain, untuk foton, ruang terjepit.

Yang membawa kita kembali ke foto saya tentang galaksi pinwheel. Dari perspektif foton, bintang di dalam galaksi memancarkannya, dan kemudian satu piksel di kamera halaman belakang saya menyerapnya, pada waktu yang sama. Karena ruang terjepit, ke foton, perjalanannya sangat cepat dan singkat, sebagian kecil dari satu detik.

Tetapi dari perspektif kami di Bumi, foton meninggalkan galaksi 25 juta tahun yang lalu dan melakukan perjalanan 25 juta tahun cahaya melintasi ruang sampai mendarat di tablet saya di halaman belakang saya.

Dan di sana, pada malam musim semi yang keren, citranya yang menakjubkan menginspirasi percakapan yang menyenangkan antara seorang ilmuwan kutu buku dan istrinya yang penasaran.

Jarred Roberts, Ilmuwan Proyek, Universitas California, San Diego. Artikel ini diterbitkan ulang dari percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Baca artikel asli.