Měřítka ve vesmíru
Přihlásit se
Měřítka ve vesmíru (14/17) · 10:04

Rudý posuv Jak a proč dochází k prodloužení vlnové délky světla, tzv. rudému posuvu?

Řekněme, že jsem tady. Udělám dva možné scénáře. Jsem pozorovatel tady. Toto jsem já. A možná by bylo ještě lepší, kdybych prostě nakreslil své oko. Protože budeme pozorovat světlo. Takže já jen nakreslím své oko. Toto jsem já v prvním scénáři a toto je jedno z mých očí. A toto je jedno z mých očí ve druhém scénáři. Nakreslím to. Takže v obou scénářích budeme mít objekt. Budeme mít nějaký zdroj světla. Ale v prvním scénáři se ten zdroj světla vzhledem ke mně nebude pohybovat. Naopak ve druhém scénáři se bude zdroj světla, jen pro účely diskuse, aby to byla nějaká zábava, se bude pohybovat 1/2 rychlosti světla. Nepředstavitelně velká rychlost, ale předpokládejme, že to tak je. Takže zdroj má ve srovnání se světlem poloviční rychlost. Polovina rychlosti světla, pryč ode mě. Pryč ode mě, od pozorovatele. Teď si představme, co by se stalo. Oba zdroje vyzařují světlo. A oba ho začnou vyzařovat ve stejný čas. A když ho začnou vyzařovat, jsou oba ve zcela stejné vzdálenosti od mého oka. Jediným rozdílem je to, že vzhledem ke mně je tento zdroj nehybný, zatímco tento se ode mě pohybuje pryč polovinou rychlosti světla. Takže řekněme, že po nějaké době se světlo z tohoto zdroje dostane do mého oka. Vypadá to pak nějak takhle, pokusím se to nakreslit co nejlépe. Nakreslím několik vlnových délek. Tady je poloviční vlnová délka, tady je celá vlnová délka, tady další poloviční, celá, poloviční, celá, poloviční a pak celá vlnová délka. Uvidím, jestli to dovedu nakreslit. Vypadalo by to takto: celá vlnová délka, celá vlnová délka, celá vlnová délka – není to jednoduché – a pak celá vlnová délka. Vypadalo by to přibližně takto, ve tvaru skutečné vlny. Počátek tohoto vlnění se právě dostává do mého oka a pak, jak pokračuje dále přes mé oko, tak mé oko bude vnímat určitý typ vlnové délky nebo frekvence a bude to vnímat jako určitý druh barvy, za předpokladu, že jsme v nějaké viditelné části elektromagnetického pole. Teď se zamyslete, co se stane s tímto zdrojem. První věcí je, že začátek vlnění se ke mně dostane ve zcela stejný čas. Jednou z úžasných věcí o pohybu světla obecně, a pak zejména ve vakuu, je to, že nezáleží na tom, že toto se pohybuje ode mě pryč polovinou rychlosti světla. To světlo se totiž ke mně bude stále přibližovat rychlostí světla. Ta je absolutní, nezáleží na tom, jestli se to pohybuje pryč 0,9 rychlostí světla. Světlo ke mně bude stále putovat světelnou rychlostí. Jde to proti intuici, protože v naší každodenní zkušenosti, pokud se pohybuji směrem od vás polovinou rychlosti kulky a kulku vypálím, tak se kulka bude směrem k vám pohybovat – polovina z její rychlosti bude odečtena – jenom polovinou své normální rychlosti ve srovnání se tím, kdyby to bylo nehybné. To není případ světla. Zamysleme se nad tím, jak by vypadalo vlnění. V době, kdy by se světlo dostalo sem… Nakreslím to, překreslím sem oko. Toto jsem opět já. V momentě, kdy se světlo dostane do mého oka, oba zdroje začnou vyzařovat světlo v naprosto stejný čas, tenhle zdroj urazí polovinu vzdálenosti. Když světlu trvalo určitou dobu dostat se tak daleko, ten zdroj se dostane do poloviční vzdálenosti za stejný čas. Takže v okamžiku, kdy se světlo dostane do mého oka, tenhle zdroj urazí asi poloviční vzdálenost. Takže by se dostal asi takhle daleko. Ale oba zdroje začaly vydávat záření ve stejný čas. Takže úplně první foton, pokud se podíváte na světlo jako na částice, se dostane do mého oka v naprosto stejný moment jako úplně první foton z tohoto zdroje. Takže vlnění bude v podstatě roztažené. Budeme stále mít jednu, dvě, tři, čtyři celé vlnové délky, ale budou roztažené. Pokusím se nakreslit čtyři celé vlnové délky. Tyto rozdělím na půlky. Tyhle dvě části přepůlím, tak každá z těch částí bude celou vlnovou délkou, a pak budou mít uprostřed poloviční vlnovou délku. Takže to vlnění bude vypadat takto. Pokusím se to nakreslit. Toto je nejtěžší část – kreslení roztaženého vlnění. Tak tady to máme, bude to vypadat takto. Takže když se to dostane do mého oka, mé oko to bude vnímat tak, že to má delší vlnovou délku. Přestože z perspektivy každého z těchto objektů, když se pohybujete s jedním z nich, frekvence a vlnová délka vyzářeného světla je stejná. Jediným rozdílem je, že tento zdroj se pohybuje pryč ode mě, nebo se pohybuji já pryč, podle toho, jak se na to podíváme, já stojím nebo toto stojí. Zatímco v prvním případě jsou pozorovatel i objekt oba nepohybliví. Co v této situaci řekne mé oko? Mé oko dostane každý z této řady pulsů neboli každou z těchto vlnových sérií a řekne: „Hej, tady je vnímaná delší vlnová délka. – Delší vlnová délka. Napíšu to sem. Vnímaná delší vlnová délka. – A taky nižší vnímaná frekvence.“ Takže co by to udělalo s vnímáním světla? Řekněme, že toto je zelené světlo. Pokud jsme nehybní spolu s pozorovatelem, je to zelené světlo. Podívejme se na elektromagnetické spektrum. Obrázek mám z Wikipedie. Takže kdybych vůči pozorovateli stál, byli bychom v části zeleného spektra. To je vlnová délka 500 nm. Ale pak z ničeho nic, protože se tento objekt ode mě pohybuje ohromnou rychlostí, vnímaná vlnová délka se stane roztaženější. Takže já to budu vnímat jako roztaženější vlnovou délku. A můžete vidět, co se děje. Bude to vypadat červeněji. Přesune se to k červené části spektra. A tento jev se nazývá rudý posuv. Udělal jsem několik videí o Dopplerově jevu a mluvím v nich o zvukových vlnách a vnímané frekvenci zvuku, která se mění s pohybem k vám a od vás. Toto je úplně stejná myšlenka. Je to Dopplerův jev aplikovaný na světlo. A důvod, proč Dopplerův jev funguje pro světlo pohybující se vesmírem a pro zvuk pohybující se vzduchem, je ten, že zvuková vlna ve vzduchu, bez ohledu na to, jestli se zdroj pohybuje od vás nebo k vám, tak se bude pohybovat ve vzduchu rychlostí zvuku, za určitého tlaku a podobných podmínek. A se světlem je to stejné. Ale ve vakuu, bez ohledu na to, co dělá zdroj, vlastní světelné vlnění bude vždy cestovat stejnou rychlostí. Jediným rozdílem je, že vnímaná frekvence a vlnová délka se změní. Důvodem, proč o tom všem mluvím, je to, že můžete použít tuto vlastnost světla, rudý posuv, abyste viděli, jestli se objekty pohybují pryč, nebo naopak k vám. A lidé mluví o rudém posuvu, protože se většina věcí pohybuje od nás pryč, a to je jedním z důvodů, proč věříme ve velký třesk. Opačný případ, když se něco pohybuje obrovskou rychlostí ke mně, by bylo něčím, o čem běžně neuslyšíte a co se nazývá fialový posuv. Frekvence by se zvýšila. Vypadalo by to více modře nebo purpurově. Ještě bych rád upozornil na to, že tento fenomén rudého posuvu, tato myšlenka, se netýká pouze námi viditelného světla. Můžete ji aplikovat i na věci, které nejsme schopni vidět. Stalo by se to červenějším, ale nebyli byste schopní to vidět, mohlo by se to aplikovat na věci, které jsou ještě červenější. Takže možná je to mikrovlnné záření, které je vyzařováno, ale protože jeho zdroj se od nás pohybuje tak rychle, může to být vnímáno jako radiová vlna. Ve skutečnosti jsem o tomhle měl mluvit ve videu o mikrovlnném reliktním záření. Je to tak, že to vnímáme jako mikrovlnné záření, ale tyhle zdroje se od nás pohybovaly pryč. Došlo u nich k rudému posuvu. Takže ve skutečnosti nevyzařovaly mikrovlnné záření. Jenom to, co my pozorujeme, a toto bylo předpovězeno na základě velkého třesku, je mikrovlnné záření. Takže snad vám to dá nějakou představu o tom, co rudý posuv je, a teď to můžeme použít k vysvětlení toho, proč se domníváme, že se spousta věcí pohybuje od nás. Jenom se ujistím, že v tom máte jasno. Pokud máte dva objekty, řekněme, že oba tyto objekty jsou slunce. Nebo galaxie, to je jedno. Díky jejich dalším vlastnostem, které tu teď nebudu rozebírat, víme, že pravděpodobně vyzařují světlo stejné barvy. Nejspíš vyzařují světlo stejné barvy, protože známe další vlastnosti této hvězdy nebo galaxie. Pokud vnímáme, že tato se nám zdá červenější než tahle, potom víme, že se pohybuje pryč od nás. Čím je červenější, čím je její vlnová délka delší vzhledem k této druhé hvězdě, tak víme, že tím rychleji se pohybuje pryč on nás.
video