Valon nopeus on raja, jonka sisällä aineellinen esine voi liikkua avaruudessa, ellei tietenkään oteta huomioon hypoteettisia madonreikiä, joiden avulla oletusten mukaan esineet voivat liikkua avaruudessa vielä nopeammin. Ihanteellisessa tyhjiössä valohiukkas, fotoni, voi liikkua nopeudella 299 792 kilometriä sekunnissa eli noin 1,079 miljardia kilometriä tunnissa. Ensi silmäyksellä se saattaa tuntua yllättävän nopeasti. Ei, se on todella nopeaa. Mutta kosmisessa mittakaavassa tämä nopeus voi olla kiusallisesti hidas, etenkin kun kyse on radioviestinnästä ja lennoista muille planeetoille, erityisesti aurinkokunnan ulkopuolelle.
NASAn Goddardin avaruuslentokeskuksen planeettatutkija James O'Donoghue loi sarjan animoituja videoita, jotta kenen olisi helpompi ymmärtää valonopeuden rajallisia mahdollisuuksia.
Keskusteluissa Business Insiderin kanssa O'Donoghue kertoi oppineensa vasta äskettäin näiden animaatioiden tekemistä. Hänen ensimmäinen työnsä NASA: lle oli videon valmistelu Saturnuksen renkaista. Sen jälkeen hän alkoi animoida muita vaikeasti ymmärrettäviä avaruuskonsepteja, esimerkiksi visuaalista vertailua aurinkokunnan planeettojen kooista ja pyörimisnopeuksista. Hänen mukaansa hänen henkilökohtaisella Twitter-sivullaan julkaistu teos herätti paljon kiinnostusta.
Hänen viimeisin teoksensa on yritys osoittaa selvästi, kuinka nopeat ja samalla hitaat fotonit voivat olla.
Visuaalinen fotonien liikkuminen maan ympäri
Ensimmäisessä animaatiossa O'Donoghue osoitti kuinka nopeasti valo voi liikkua suhteessa maahan.
Mainosvideo:
Maapallomme päiväntasaaja on noin 40 tuhatta kilometriä pitkä. Jos siinä ei olisi ilmakehää (sen sisältämät hiukkaset voivat hidastaa valoa hiukan), sen pinnalla liukuva fotoni tekisi melkein 7,5 täyttä kierrosta sekunnissa (tai 0,13 sekuntia kierrosta kohti).
Vaikka valon nopeus näyttää olevan uskomattoman nopea tässä skenaariossa, video osoittaa myös, että se on rajallinen.
Kuinka nopeasti valo kulkee maan ja Kuun välillä
Toisessa videossa O'Donoghue kattaa suuremman etäisyyden maasta Kuuhun.
Keskimäärin etäisyys planeettamme ja sen luonnollisen satelliitin välillä on 384 000 kilometriä. Tämä tarkoittaa, että taivaalla havaittu kuuvalo kulkee tämän matkan 1,255 sekunnissa ja matka edestakaisin, esimerkiksi kun lähetetään radiosanomia maan ja avaruusaluksen välillä, vie 2,51 sekuntia.
On huomattava, että tämä aika kasvaa joka päivä, koska Kuu siirtyy joka vuosi maasta noin 3,8 senttimetrillä (Kuu kuluttaa jatkuvasti Maan pyörimisenergiaa painovoima-vuorovesi vuorovaikutuksen kautta. Tämän vaikutuksen seuraukset ovat satelliitin kiertoradan muutokset).
Kuinka nopeasti valo kulkee etäisyyden Maan ja Marsin välillä
Kolmannessa videossa O'Donoghue osoitti ongelman, joka monien planeettatutkijoiden on kohdattava päivittäin.
Kun NASA: n ilmailujärjestön työntekijät yrittävät ladata ja vastaanottaa tietoja avaruusalukselta, esimerkiksi samalta InSight-anturilta, joka toimii tällä hetkellä Marsilla, viestit lähetetään valon nopeudella. Laitteen hallitseminen "reaaliajassa" ei kuitenkaan riitä. Siksi joukkueet on harkittava huolellisesti, mahdollisimman pakattuina ja suunnattava tarkkaan aikaan ja paikkaan, jotta et menetä tavoitetta.
Nopein viestien välitys maan ja Marsin välillä on mahdollista sillä hetkellä, kun planeetat ovat lähimmän lähestymispisteen. Tätä tapahtuu kuitenkin vain noin joka toinen vuosi. Lisäksi, jopa tässä tapauksessa, meidät erottaa noin 54,6 miljoonan kilometrin etäisyys. O'Donoghue'n video osoittaa, että tällä etäisyydellä valo kestää 3 minuuttia ja 2 sekuntia päästäkseen planeetalta toiselle tai 6 minuuttia molempiin suuntiin.
Maata ja Marsia erottaa keskimäärin 254 miljoonaa kilometriä, joten kaksisuuntaisen viestin siirto kestää keskimäärin 28 minuuttia ja 12 sekuntia.
Mitä pidemmälle etäisyys, sitä alhaisemmaksi valon nopeuden "tehokkuus" tulee
Valon nopeusrajoitus aiheuttaa vielä enemmän ongelmia maapallolta kauempana oleville avaruusaluksille. Esimerkiksi sama New Horizons -koetin, joka on nyt 6,64 miljardin kilometrin päässä meistä, tai Voyager 1 ja Voyager 2, jotka ovat saavuttaneet aurinkokunnan reunan.
Esimerkki läpimurtotähden Starshot -tilan "nanopuuvista", joita kiihdytetään erittäin voimakkaalla lasersäteellä ja jotka on suunnattu kohti Alpha Centauri-tähtijärjestelmää.
Tilanteesta tulee melko surullinen, kun on kyse viestin lähettämisestä toiselle tähtijärjestelmälle. Esimerkiksi lähin eksoplaneetta, josta tiedämme, Proxima b, on noin 4,2 valovuoden päässä (noin 39,7 biljoonaa kilometriä). Vaikka otammekin tällä hetkellä nopeimman avaruusaluksen, Parker Solar Probe, joka pystyy saavuttamaan nopeuden 343 000 kilometriä tunnissa, niin jopa Proxima b: n saavuttamiseen kuluu noin 13 211 vuotta.
Nikolay Khizhnyak