Lumina călătorește prin Univers fără să piardă energie. Dar cum face asta?

Știm că lumina călătorește prin Univers, străbătând necunoscutul cu o viteză amețitoare. Dar puțini știu că lumina nu pierde energie în drumul său. Cum este posibil acest lucru?

Într-o seară senină, un telescop pregătit pentru astrofotografie, situat într-o zonă afectată de poluarea luminoasă, era îndreptat spre o galaxie aflată la o distanță aproape de neconceput de Pământ. Când prima imagine a acelui colț îndepărtat de univers a apărut pe o tabletă conectată la telescop, a stârnit imediat uimire.

Era Galaxia Pinwheel (Roata de Vânt), un nume derivat din forma sa spiralată distinctivă – o „rotiță” cosmică ce adăpostește, de fapt, aproximativ un trilion de stele.

Lumina provenind de la Galaxia Pinwheel a călătorit nu mai puțin de 25 de milioane de ani prin vastitatea universului pentru a ajunge la senzorul telescopului. O astfel de constatare poate naște o întrebare aparent simplă, dar profundă: oare lumina nu obosește deloc într-o călătorie atât de lungă?

Această curiozitate deschide o conversație fascinantă despre natura luminii. În fond, de ce razele de lumină nu par să se „uzeze” sau să piardă energie pe măsură ce traversează distanțe cosmice?^[sursa]

Lumina călătorește prin Univers fără să piardă energie

Astrofizicienii subliniază că lumina se comportă adesea în moduri care sfidează intuiția comună.

Lumina este, în esență, radiație electromagnetică: o undă electrică și una magnetică, interconectate și călătorind împreună prin structura spațiu-timp. Un aspect crucial este că lumina nu are masă. Masa unui obiect, fie el un fir de praf sau o navă spațială gigantică, îi limitează viteza maximă cu care se poate deplasa prin spațiu.

Dar, tocmai pentru că nu are masă, lumina poate atinge viteza limită absolută în vid – aproximativ 300.000 de kilometri pe secundă (ceea ce înseamnă aproape 9,5 trilioane de kilometri într-un an). Nimic din ceea ce călătorește prin spațiu nu poate depăși această viteză. Pentru a pune acest lucru în perspectivă: în intervalul de timp necesar pentru a clipi o dată, o particulă de lumină (un foton) ar putea înconjura Pământul de mai mult de șapte ori.

Oricât de uluitoare ar fi această viteză, universul este de o vastitate copleșitoare. Lumina de la Soare, aflat la aproximativ 150 de milioane de kilometri de Terra, are nevoie de puțin peste opt minute pentru a ajunge pe planeta noastră. Cu alte cuvinte, lumina solară percepută într-un anumit moment este, de fapt, „veche” de opt minute.

Alpha Centauri, cel mai apropiat sistem stelar de noi după Soare, se află la o distanță de circa 41 de trilioane de kilometri. Prin urmare, atunci când este observată strălucirea sa pe cerul nopții, se privește o lumină care a părăsit steaua acum puțin peste patru ani. Sau, așa cum preferă astronomii să spună, se află la o distanță de patru ani-lumină.

Având în minte aceste distanțe amețitoare, se poate reveni la întrebarea inițială: cum este posibil ca lumina să străbată universul fără a-și diminua treptat energia?

Ei bine, o parte din lumină chiar își pierde din energie. Acest fenomen se întâmplă atunci când interacționează cu materia – de exemplu, când se lovește de particule de praf interstelar și este împrăștiată.

Însă, cea mai mare parte a luminii își continuă călătoria neîntrerupt, fără a se ciocni de nimic. Acest lucru este posibil deoarece spațiul cosmic este, în marea sa majoritate, vid – un neant aproape perfect. Așadar, în calea luminii nu există, de regulă, obstacole.

Atunci când lumina călătorește nestingherită, nu pierde energie. Își poate menține viteza de aproximativ 300.000 de kilometri pe secundă pentru eternitate.

O chestiune de timp… relativ

Un alt concept relevant pentru înțelegerea acestui fenomen este dilatarea temporală. De exemplu, un astronaut la bordul Stației Spațiale Internaționale orbitează Pământul cu aproximativ 27.000 de kilometri pe oră. În comparație cu o persoană aflată la sol, pe Pământ, ceasul astronautului va rămâne în urmă cu aproximativ 0,01 secunde pe parcursul unui an.

Acesta este un exemplu de dilatare temporală – timpul se scurge cu viteze diferite în condiții diferite. Dacă un obiect se deplasează foarte rapid sau se află în apropierea unui câmp gravitațional intens, un ceas asociat cu acel obiect va ticăi mai lent decât cel al unui observator care se mișcă mai încet sau care se află mai departe de un astfel de câmp gravitațional. Pe scurt, timpul este relativ, așa cum a demonstrat Albert Einstein.

Lumina este intrinsec legată de timp. Dacă s-ar putea „călări” un foton, particula fundamentală a luminii, s-ar experimenta dilatarea temporală maximă. Toți observatorii de pe Pământ ar măsura viteza fotonului ca fiind viteza luminii, însă, din propriul său cadru de referință, timpul pentru foton s-ar opri complet.

Acest fenomen se datorează faptului că „ceasurile” care măsoară timpul se află în două cadre de referință diferite, cu viteze relative extrem de diferite: fotonul se deplasează cu viteza luminii, în timp ce Pământul are o viteză mult mai mică în mișcarea sa orbitală în jurul Soarelui.

Mai mult, atunci când un obiect călătorește cu viteza luminii sau foarte aproape de aceasta, distanța dintre punctul de plecare și destinație se contractă în direcția de mișcare. Cu alte cuvinte, spațiul însuși devine mai compact. Pentru foton, această contracție a spațiului este maximă.

Aceste concepte ajută la înțelegerea călătoriei fotonului de la Galaxia Pinwheel. Din perspectiva fotonului, o stea din acea galaxie l-a emis, iar apoi, un singur pixel de pe senzorul unui telescop de pe Pământ l-a absorbit, totul petrecându-se, pentru foton, instantaneu. Deoarece spațiul este contractat la maximum, pentru foton călătoria a fost infinit de rapidă și infinit de scurtă – o fracțiune infimă de secundă.

Privind însă din perspectiva de pe Pământ, fotonul a părăsit galaxia acum 25 de milioane de ani și a călătorit 25 de milioane de ani-lumină prin spațiu până când a aterizat pe senzorul telescopului.

Și astfel, într-o noapte senină, imaginea uimitoare a unei galaxii îndepărtate poate inspira discuții încântătoare despre minunile Universului și legile fizicii care îl guvernează, demonstrând cum o simplă observație poate deschide porți către înțelegerea celor mai profunde concepte științifice.