光到底跑多快? NASA科學家自製動畫告訴你

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

最近一名NASA科學家就用動畫讓大家很有感。

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圖為 2015年2月,在美國佛羅里達的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。

路透社/達志影像

光速到底有多快?

光在真空中行進的速度為每秒 29萬9,792公里(3x10^8 m/sec),是目前宇宙所有物質中,傳遞速度最快的。

對於地球上的我們來說,光行進的速度已經是超乎想像的快,但這個速度如果放到宇宙中的尺度來看,光速似乎又沒有大家想像中的快。

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

在這 24秒的影片中,可以看到一道光不斷地繞著赤道轉。大家可以試試看自己的眼睛能不能跟上光速,理論上在這 24秒的影片中,光點回到正面的次數有 180下。

光一秒繞地球七圈半

繞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可以阻擋光,那麼光每秒可以繞地球 7.5圈,相當於 0.13秒就能繞一圈!

不過在現實生活中,地球的大氣層會折射光線,而讓光繞地球一圈的速度稍微再慢一點。

在這 15秒的短片中,光線會不斷地在地球─月球─地球間以光速移動。理論上光從地球表面抵達月球,單趟需要 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,來回一趟約為 2.51秒。換言之,我們在地球上看到的月光,其實都是 1.255秒前的月亮。

歐‧杜諾休補充道,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-月球的時間也會跟著越來越長。

在這 6分04秒的影片中,可以看到光從地球表面抵達火星再回到地球的傳遞過程。為了要讓大家能夠清楚看到地球、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02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02秒,來回一趟就是 6分04秒。即使人類可以用光來傳遞訊息,如果在地球上的我們想要遠端操控火星上的探測器,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04秒的誤差。

所以科學家如果要「遠端即時操控」火星上的探測器,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情。

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

路透社/達志影像

距離越遠越困難

但 3分02秒還只是光速從地球到火星所需的時間而已,比起最近剛登上火星的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‧杜諾休發布在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,這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上獲得了數百萬次的觀看次數,而讓他想繼續做動畫。

歐‧杜諾休說,他之前在複習考試的時候,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。