Kaip šviesa atskleidžia Visatos paslaptis? (Konkursinis straipsnis)

Šviesa mus nukelia į praeitį

Šviesos dalelė - fotonas - pasiekia didžiausią greitį visoje Visatoje, kuris yra trys šimtai kilometrų per sekundę. Bet atstumai tarp astronomių kūnų yra neįsivaizduojamai dideli. Kadangi šviesos greitis nėra begalinis, šviesai irgi užtrunka kažkiek laiko nukeliauti tokius didelius atstumus. Šviesos dalelei nukeliauti nuo Saulės iki Žemes užtrunka vidutiniškai truputį daugiau negu 8 minutes. Betgi Saulė palyginus su kitais kūnais yra arti Žemės ir atstumas, kurį šviesai reikia nukeliauti, yra trumpas. Kadangi atstumai Visatoje yra tokie milžiniški, šviesa juos keliauja labai ilgai. Todėl valandomis matuoti laiką, kurį nukeliauja šviesos dalelė, būtų labai nepraktiška ir sunku.

Astronomijoje laiką, kurį nukeliauja fotonas, mokslininkai matuoja šviesmečiais. Atstumai taip pat matuojami šviesmečiais. Todėl nurodydami atstumą tarp tolimų objektų, mokslininkai tiesiog sako, kiek laiko užtrunka šviesai tą atstumą nukeliauti. Aišku, jeigu norima tikslių skaičių, šviesmečius galima pasiversti į kilometrus. Šviesa per vienus metus nukeliauja 9.5 trilijonus kilometrų.

Pavyzdžiui, arčiausia žvaigždžių sistema Alfa Centauri yra nutolusi nuo Žemės apie 40 trilijonų kilometrų. Šviesai ši atstumą nukeliauti užtrunka apie 4 metus su puse. Taigi Visatoje šviesa neskrieja taip greitai. Kadangi šviesa keliauja daugiau nei 4 metus iš Alfa Centauri, mūsų matomas žvaigždės vaizdas „vėluoja”. Kai žiūrime į Alfa Centauri, mes matome šviesos daleles, kurios paliko žvaigždę prieš 4 metus. Taigi, mes matome, kaip atrodė Alfa Centauri prieš keturis metus. Kad pamatytume, kaip ji atrodo dabar, mes turėsime palaukti 4 metus. Tolimesnių kūnų skleidžiamos šviesos dalelės turi dar ilgiau skristi. Kuo toliau žiūrime į Visatą, tuo toliau žiūrime į praeitį. Aišku, yra ribos tam, kiek toli galime matyti. Vadinasi, šviesa mums leidžia pamatyti praeitį.

Šviesa atskleidžia, iš ko sudaryti tolimi Visatoje esantys kūnai

Šviesos pagalba galime nustatyti, iš ko susideda planetų atmosferos. Pradėkime nuo atomų. Atomas sudarytas iš branduolio, kuris yra teigiamas, ir elektronų, kurie yra neigiami. Elektronai skrieja aplink atomą, nes juos traukia skirtingas krūvis.

Yra daug orbitų, kuriose elektronas gali skristi, bet elektronas visada skrenda orbitoje esančioje arčiausiai prie branduolio. Kai šviesos dalelė atsitrenkia į elektroną, įvyksta kažkas labai įdomaus. Elektronas gauna energijos iš šviesos dalelės, nes šviesa yra energijos forma, ir todėl turi panaudoti gautą energiją. Taigi, elektronas peršoka į tolimesnę orbitą. Elektronams tolstant nuo branduolio, jie įgyja daugiau gravitacinės potencinės energijos. Tai yra energija, atsirandanti objektams tolstant vienas nuo kito gravitaciniame lauke. Kitaip tariant, lėktuvui kylant nuo Žemės, jis gauna daugiau potencinės energijos, nes jo atstumas nuo Žemės didėja.

Taigi, elektronai, norėdami susimažinti savo gravitacinę potencinę energiją, peršoka atgal į savo pradinę orbitą. Čia elektronas turi atsikratyti energijos, kurią jis įgijo peršokdamas į aukštesnę orbitą, ją kažkam atiduodamas. Todėl elektronas išskiria šviesą. Skirtingiems atomų elektronams reikia kitokio kiekio energijos, kad peršoktų į viršutinę orbitą.

Skirtingos šviesos ilgio bangos turi skirtingą kiekį energijos. Taigi, kai elektronas peršoka atgal į savo pradinę orbitą, jis išskiria tos pačios spalvos šviesos dalelę, kurią gavo. Žiūrėdami su labai stipriais teleskopais, astronomai gali pamatyti, kokios spalvos šviesa ateina iš tolimų planetų, ir pagal tas spalvas sužino, kokie elementai sudaro tų planetų atmosferas.

Šviesa padeda nustatyti, kaip objektai keliauja Visatoje

Įsiklausykite į pravažiuojančio automobilio garsus. Kai automobilis artėja link jūsų, jis skleidžia aukšto tono garsą, kai tolsta, skleidžia žemesnio tono garsą. Tai pavyzdys apie garso bangas, tačiau tas pats vyksta ir su šviesos bangomis. Kai objektas nejuda, jo skleidžiamos garso bangos keliauja į visas puses vienodai. Kai objektas juda, bangos jo priekyje sutankėja, o už jo - praretėja. Sutankėjusios bangos turi aukštą dažnį. Jeigu tai garso bangos, garsas yra aukšto tono.

Taigi artėjantis objektas skleidžia aukštą garsą, o tolstantis skleidžia žemo tono bangas, nes jų dažnis yra mažesnis. Labai panašus reiškinys vyksta ir su šviesos bangomis. Jeigu kažkoks objektas Visatoje skrenda link mūsų, galime pamatyti tai pagal to objekto skleidžiamą šviesą. Jei objektas juda link Žemės, šviesos bangos susispaudžia ir turėdamos didesnį dažnį pasislenka į mėlyną spektro pusę, todėl tai vadinama mėlynuoju poslinkiu. Jeigu objektas tolsta nuo mūsų, jo skleidžiama šviesa pasislenka į raudoną spektro pusę, ir tai yra vadinama raudonuoju poslinkiu. Šis reiškinys vadinamas Doplerio efektu. Tokiu būdu, galime nustatyti, ar objektas Visatoje tolsta nuo mūsų, ar artėja link mūsų.

Taigi, šviesa yra labai sudėtingas fenomenas, kuris padeda mums geriau suprasti aplinkinį pasaulį. Nors šviesa yra mūsų kasdienio gyvenimo dalis, ji apima daug sunkiai suprantamų, bet įdomių dalykų. Ką jums papasakojau yra tik kelios šviesos savybes, kurių yra žymiai daugiau.

Akvilė Selevičiūtė, Briuselio II Europos mokykla, 10-ta klasė

Naudoti internetiniai puslapiai:

https://medium.com/starts-with-a-bang/if-the-universe-is-13-8-billion-years-old-how-can-we-see-46-billion-light-years-away-db45212a1cd3

https://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_effect

https://www.britannica.com/science/Doppler-effect

Knygos:

„Schaum's Outline of Astronomy“ - Stacey Palen

„Mokslas“ - Dorling Kindersley

„Visata Riešuto kevale“ -Stephen Hawking