光到底跑多快? NASA 科學家自製動畫告訴你

作者 | 發布日期 2019 年 02 月 16 日 0:00 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly

如果不談哆啦 A 夢的任意門,或理論上太空可能有蟲洞這種可快速傳遞物質的捷徑,光在真空行進的速度是目前已知宇宙中最快的,但光速到底有多快?




最近一名 NASA 科學家就用動畫讓大家很有感。

光速到底有多快?

光在真空行進的速度為每秒 29 萬 9,792 公里(3×10^8 m/sec),是目前宇宙所有物質中,傳遞速度最快的。

對地球上的我們來說,光行進的速度已是超乎想像的快,但這個速度如果放到宇宙來看,光速似乎又沒有大家想像中快。

NASA 科學家歐‧杜諾休(James O’Donoghue)便決定,他要用動畫讓大家感受一下,光速到底有多快。

▲ 在這 24 秒的影片,可看到一道光不斷繞著赤道轉。大家可試試看自己的眼睛能不能跟上光速,理論上影片中,光點回到正面的次數有 180 次。

光一秒繞地球 7 圈半

地球赤道一圈的長度約為 4 萬 75 公里(相當於 2 萬 4,901 英里)。如果地球沒有大氣層阻擋光,那麼光每秒可繞地球 7.5 圈,相當於 0.13 秒就繞一圈!

不過現實生活中,地球大氣層會折射光線,讓光繞地球一圈的速度稍微慢一點。

▲ 這 15 秒的短片,光線會不斷在地球─月球─地球間以光速移動。理論上光從地球表面抵達月球,單趟只要 1.255 秒。

從地球到月球要 1.255 秒

地球到月球的平均距離為 38 萬 4,400 公里,所以光從地球到月球單趟要 1.255 秒,來回一趟約 2.51 秒。換言之,我們在地球看到的月光,其實是 1.255 秒前的月亮。

歐‧杜諾休補充,由於月球每年會以 3.8 公分的速度遠離地球,所以光每次來回地球─月球的時間也會越來越長。

▲ 這 6 分 4 秒的影片中,可看到光從地球表面抵達火星再回到地球的傳遞過程。為了讓大家清楚看到地球、月球和火星的大小,所以星體體積和長度的比例尺相比,放大了 20 倍。

從地球到火星要 3 分 2 秒

地球到火星的平均距離為 5,460 萬公里,所以光從地球到火星單趟要 3 分 2 秒,來回一趟就是 6 分 4 秒。即使人類可用光傳遞訊息,如果在地球的我們想要遠端操控火星探測器,從收到來自火星的資料、下指令、再將指令傳到火星,也會出現 6 分 4 秒的誤差。

所以科學家如果要「遠端即時操控」火星探測器,其實需要預先設定好指令,才能讓探測器在對的時間做出設定好的事。

▲ 2018 年 11 月,工程師在 NASA 噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)得知洞察號成功登陸火星後,開心地鼓掌歡呼。

距離越遠越困難

但 3 分 2 秒還只是光速從地球到火星所需的時間而已,比起近期剛登上火星的 NASA 洞察號(InSight)探測器,還有新視野號(New Horizons)、航海家 1 號和 2 號(Voyager 1, 2),都在距離地球更遙遠的地方進行宇宙探險。

這些都會大大加劇人類想在地球「遠端即時操控」這些探測器的難度。

▲ 這支影片是歐‧杜諾休發表在 Twitter 後,獲得廣大迴響的太陽系八大行星自轉方向、自轉一周的時間及相對速度。從左到右第一排為:水星、金星、地球和火星,緊接著第二排從左到右則為:木星、土星、天王星和海王星,這個順序是和太陽距離從近到遠的行星排序。

最近剛學會做動畫

當被問起製作這 3 支動畫的起因,歐‧杜諾休表示,是因為他最近才學會如何做動畫。歐‧杜諾休做的第一部動畫是為了 NASA 要發表一篇土星環消失的新聞稿。接著他又做了幾支動畫,解釋太陽系的星體如何自轉,還有這些星體的相對大小,這支影片在 Twitter 獲得數百萬次觀看,讓他想繼續做動畫。

歐‧杜諾休說,他之前複習考試時,都會將這些複雜的概念用手畫一遍,這樣才好理解。所以他希望自己做的動畫也能如此,一支影片就能清楚講出所有要解釋的觀念。

▲ 這支影片和前一支一次列出太陽系八大行星自轉方向、自轉一周的時間及相對速度的影片有點像,不過這支影片少了數字,讓人能更清楚看出太陽和八大行星的體積差異。影片一開始出現的 4 個星體從左到右分別是:水星、金星、地球、火星,緊接著出現的是木星,以及土星(右上)、天王星(左下)和海王星(右下),最後登場的則是太陽。

(本文由 地球圖輯隊 授權轉載;首圖為 2015 年 2 月,美國佛羅里達州卡納維爾角空軍基地 Cape Canaveral Air Force Station,SpaceX 公司的獵鷹 9 號運載火箭 Falcon 9 rocket 帶著國際太空站的補給品從地面升空;圖片來源:達志影像)

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