Ίσως για αρκετούς να είναι ξεκάθαρο. Υπάρχουν όμως και πολλοί, για τους οποίους είναι λίγο μπερδεμένο. Που ναι μεν αντιλαμβάνονται το concept αλλά νιώθουν ότι κάτι τους διαφεύγει, κάτι δεν κάθεται καλά. Υπάρχουν, βέβαια, και αυτοί που το έχουν πιάσει εντελώς λάθος, και το γράφουμε αυτό χωρίς να μεμφόμεθα κανέναν εξ αυτών. Δεν είναι όλοι Φυαικοί και, φυσικά (pun intended), δεν ενδιαφέρονται όλοι να ασχοληθούν με τα της Φυσικής.
Έλα όμως που πολλές από τις έννοιες της Φυσικής έχουν υιοθετηθεί, έχουν γίνει πλέον εκφράσεις της καθημερινής μας επικοινωνίας! Και το “έτος φωτός” είναι μία από αυτές τις εκφράσεις, και μάλιστα από αυτές που -δικαιολογημένα- μπορούν να μπερδέψουν λίγο τον μη ειδικό. Γιατί δεν είναι ξεκάθαρη όπως για παράδειγμα η ταχύτητα του φωτός, μία ακόμη έννοια που έχει ενταχθεί στις καθημερινές μας εκφράσεις. Λες “ταχύτητα του φωτός” και έχεις μια σιγουριά για το τι είναι αυτό στο οποίο αναφέρεσαι: σε ταχύτητα! Είναι ξεκάθαρο! Οπότε είναι εύκολο να κατανοήσει κανείς το πως πρέπει να την χρησιμοποιήσει. Π.χ. καθ’ υπερβολήν “οδηγάει πολύ γρήγορα, τρέχει με την ταχύτητα του φωτός”. Ένα άρθρο για την πρώτη μέτρηση αυτής της ταχύτητας, μπορείτε να δείτε εδώ.
Τα πράγματα ίσως να μην είναι τόσο απλά για το “έτος φωτός”:
1. Από την μια, ξεκινάει με την λέξη έτος, που παραπέμπει σε χρονική διάρκεια (Ρωτάμε: Πόσος χρόνος πέρασε; Μια ώρα, ένας μήνας, ένα έτος, ένας αιώνας κ.λ.π.). Δεν προκαλεί εντύπωση, λοιπόν, το γεγονός ότι σε κάποιες περιπτώσεις η έννοια γίνεται αντιληπτή ως χρονική, με αποτέλεσμα εκφράσεις όπως “ούτε σε 100 χρόνια φωτός δεν θα γίνει αυτό!” να ακολουθούν.
2. Στη συνέχεια, έχουμε και την λέξη “φωτός” που τα μπερδεύει ακόμη περισσότερο τα πράγματα, γιατί όπως ξέρουμε -και ήδη σχολιάσαμε παραπάνω- το φως έχει ενταχθεί στην καθομιλουμένη ως συνώνυμο της πιο γνωστής ιδιότητάς του: της πολύ μεγάλης (της μεγαλύτερης δυνατής στο σύμπαν) ταχύτητας. Οι περισσότεροι, στο άκουσμα της λέξης “φωτός” φέρνουμε στο μυαλό μας κάτι που τρέχει πολύ γρήγορα. Οπότε, ούτε εδώ προκαλεί έκπληξη η λάθος χρήση που μπορεί να συναντήσουμε, όπως “κοίτα πως τρέχει! Με 100 έτη φωτός πηγαίνει…”
Στην πραγματικότητα, πάντως, τα πράγματα είναι απλά και ξεκάθαρα:
Το έτος φωτός εκφράζει απόσταση!
(και τίποτε άλλο)
Και όσοι το είχατε λίγο μπερδεμένο, μην νιώθετε άσχημα. Εδώ κοτζάμ Πόλεμος των Άστρων και αναφέρει το παρσέκ (που εκφράζει απόσταση και αυτό) ως μονάδα μέτρησης χρόνου. Ο Han Solo, ο θρυλικός κυβερνήτης του Millennium Falcon, ισχυρίζεται πως το σκάφος του κατάφερε να κάνει μία διαδρομή (με το όνομα Kessel Run) σε λιγότερο από 12 παρσέκ.
Πως λοιπόν το “έτος φωτός” αντιστοιχεί σε απόσταση, δηλαδή σε μήκος; Απλή Φυσική!
Η ταχύτητα
Η ταχύτητα ως μέγεθος προκύπτει από την διαίρεση του μήκους μιας διαδρομής, με τον χρόνο που χρειαστήκαμε για να διανύσουμε αυτή τη διαδρομή. Δίνεται, δηλαδή, από την σχέση:
Είναι κάτι που μπορούμε να κατανοήσουμε εύκολα, αφού όλοι την χρησιμοποιούμε μιλώντας για την ταχύτητα του οχήματός μας. Εάν ένας προορισμός απέχει 100 χιλιόμετρα και εμείς χρειαστούμε μία ώρα για να φτάσουμε σε αυτόν, τότε η ταχύτητά μας ήταν 100 χιλιόμετρα/ώρα. Αν χρειαστούμε 5 ώρες για να φτάσουμε από την Αθήνα στην Θεσσαλονίκη, μία απόσταση περίπου 500 Km, τότε πάλι η ταχύτητά μας ήταν 100 Km/h.
Παρατήρηση: Οι σχέσεις αυτές αφορούν την “μέση ταχύτητα”, την σταθερή δηλαδή ταχύτητα που αντιστοιχεί στην ίδια διαδρομή και χρόνο, γιατί όπως όλοι γνωρίζουμε ένα ταξίδι στη Θεσσαλονίκη έχει επιβραδύνσεις, επιταχύνσεις, στάσεις για ξεμούδιασμα κ.λ.π. Όμως η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή, οπότε για τις ανάγκες του άρθρου ο ορισμός αυτός (της μέσης – δηλαδή σταθερής ταχύτητας) μας εξυπηρετεί μια χαρά!
Και το μέγεθος ταχύτητα δεν περιορίζεται μόνο σε χιλιόμετρα ανά ώρα. Είπαμε, είναι γενικά: απόσταση διά χρόνο. Έτσι, αν ένα περίπτερο απέχει από το σπίτι μας 150 μέτρα, και εμείς θέλουμε 2 λεπτά για να πάμε να ψωνίσουμε κάτι, τότε η ταχύτητά μας είναι 75 m/min. Ή αν το μήκος ενός δωματίου είναι 8 μέτρα και εμείς το διασχίζουμε σε 4 δευτερόλεπτα, τότε κινούμαστε με ταχύτητα 2 m/sec. Δεν είναι μόνο τα km/h που έχουμε συνηθίσει, αλλά αντίθετα η ταχύτητα μπορεί να εκφραστεί μέσω όλων των συνδυασμών των μονάδων μέτρησης μήκους και χρόνου. Γνωστό και κλασικό παράδειγμα η ταχύτητα του φωτός: 300.000 Km/sec.
Η απόσταση
Εφόσον, λοιπόν, η ταχύτητα είναι ίση με την απόσταση δια τον χρόνο, τότε η απόσταση είναι ίση με την ταχύτητα επί τον χρόνο. Ισχύει δηλαδή:
μήκος της διαδρομής = (ταχύτητα) x (χρονικό διάστημα)
Μας θυμίζει κάτι, αυτό; Αν μιλάμε για ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός και για χρόνο ίσο με ένα έτος, τότε προκύπτει μία απόσταση ίση με ένα έτος φωτός! Ένα έτος φωτός είναι δηλαδή η απόσταη που διανύει το φως μέσα σε ένα χρόνο. Δέκα έτη φωτός είναι η απόσταση που διανύει το φως σε δέκα χρόνια κ.ο.κ.
Παίζει ρόλο η δική μας ταχύτητα, άραγε;
Είδαμε πως χ έτη φωτός αντιστοιχούν στην απόσταση που διανύει το φως σε χ χρόνια. Σημαίνει άραγε αυτό, πως για να αναφερόμαστε σε αυτή τη μονάδα μέτρησης -στα έτη φωτός- πρέπει να κινούμαστε και εμείς με αυτήν την ταχύτητα αλλιώς δεν έχει νόημα; Φυσικά και όχι! Μία απόσταση παραμένει ίδια ανεξαρτήτως της ταχύτητας με την οποία θα την διανύσουμε.
Ας υποθέσουμε πως ένα διαστημοπλοιο μπορεί να κινηθεί με το ένα χιλιοστό (1/1.000) της ταχύτητας του φωτός, δηλαδή με 300 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Αυτή, εξακολουθεί να είναι μία τεράστια ταχύτητα (είναι περίπου ένα εκατομμύριο χιλιόμετρα ανά ώρα) αλλά δεν θεωρείται και τόσο εξωπραγματική, καθώς η μισή περίπου από αυτή έχει ήδη επιτευχθεί (το Parker Solar Probe ανέπτυξε ταχύτητα 163 Km/sec, δηλαδή περίπου 600.000 χιλιόμετρα ανά ώρα).
Με μία τέτοια ταχύτητα θα χρειαζόμασταν τον χιλιαπλάσιο χρόνο, για να καλύψουμε μία απόσταση, από αυτόν που θα χρειαζόταν το φως. Έτσι, το διαστημόπλοιό μας θα έκανε 1.000 χρόνια για να καλύψει μία απόσταση ενός έτους φωτός, ενώ θα του έπαιρνε 10.000 χρόνια για να προχωρήσει κατά 10 έτη φωτός.
Πολύ μεγάλα χρονικά διαστήματα· δε νομίζετε; Ίσως! Το θέμα, όμως, είναι ότι η απόσταση παραμένει ίδια. 1 έτος φωτός παραμένει 1 έτος φωτός και 1.000 έτη φωτός παραμένουν 1.000 έτη φωτός, ανεξάρτητα από την ταχύτητα με την οποία θα τα διανύσουμε. Αν πηγαίνουμε γρήγορα θα χρειαστούμε λίγο (σχετικά) χρόνο, ενώ αν πηγαίνουμε αργά θα χρειαστούμε πολύ. Η απόσταση, πάντως, παραμένει η ίδια και -ουσιαστικά- είναι ανεξάρτητη από την ταχύτητα του φωτός. Τα χ έτη φωτός είναι απλά ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να την διανύσει!
Έτος φωτός; Γιατί μόνο έτος;
Είδαμε πως όταν κινούμαστε, η απόσταση που καλύπτουμε μπορεί να εκφραστεί μέσω της ταχύτητας με την οποία κινούμαστε και του χρόνου που χρειαζόμαστε για να την καλύψουμε. Οπότε, γιατί να περιοριστούμε μόνο σε χρονικά διαστήματα που αφορούν έτη;
Θα μπορούσαμε να μιλάμε για… δευτερόλεπτα φωτός; Φυσικά! Η μέση απόσταση (εφόσον δεν είναι σταθερή) της Σελήνης από την Γη είναι περίπου 380.000 χιλιόμετρα. Αυτό σημαίνει πως για να φτάσει το φως από την Σελήνη σε εμάς χρειάζεται περίπου 1,3 δευτερόλεπτα. Άρα, η απόσταση Γης-Σελήνης είναι 1,3 δευτερόλεπτα φωτός. Ανεξάρτητα από το ότι εμείς χρειαζόμαστε πολύ περισσότερο χρόνο για να φτάσουμε στο φεγγάρι.
Για λεπτά φωτός; Ομοίως, ναι! Το φως του Ήλιου που βλέπουμε κάθε στιγμή, είναι το φως που εξέπεμψε ο Ήλιος 8,3 λεπτά πριν. Βλέπουμε το παρελθόν. Κι αυτό γιατί τόσο χρειάζεται για να φτάσει σε εμάς. Έτσι, η απόσταση της Γης από τον Ήλιο έιναι 8,3 λεπτά φωτός.
Το ίδιο και για τις ώρες. Ο Πλούτωνας για παράδειγμα απέχει από τον Ήλιο 5,5 ώρες φωτός. Και ανάλογα την απόσταση (ή και τα κέφια μας) μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε οποιαδήποτε χρονική μονάδα για να περιγράψουμε αποστάσεις. Μπορούμε να μιλήσουμε για εβδομάδες ή μήνες φωτός, για αιώνες ακόμα και χιλιετίες φωτός. Μην ξεχνάμε, άλλωστε, ότι τα χίλια χρόνια φωτός όσο πολλά και αν ακούγονται δεν αντιστοιχούν σε τόσο μεγάλες δα αποστάσεις, αφού στο σύμπαν συναντάμε αποστάσεις δισεκατομμυρίων ετών φωτός!
Φωτός; Γιατί μόνο φωτός;
Για να περιγράψουμε τις τεράστιες αποστάσεις του Σύμπαντος, σίγουρα συμφέρει να χρησιμοποιήσουμε κάτι γρήγορο. Όσο πιο γρήγορο τόσο καλύτερα. Και σε αυτό μας έχει βολέψει ιδιαίτερα το φως. Αυτό δεν σημαίνει, όμως, πως η ταχύτητά του είναι η μόνη που μπορούμε να αξιοποιήσουμε για να μετρήσουμε μήκη.
Οι περισσότεροι από εμάς έχουμε μάθει από παιδιά πως για να εκτιμήσουμε το πόσο μακριά από εμάς έχει πέσει ένας κεραυνός, αρκεί να μετρήσουμε τα δευτερόλπτα που μεσολαβούν από την στιγμή που θα δούμε την λάμψη μέχρι να ακούσουμε τον ήχο του. Αυτό συμβαίνει γιατί σε αυτή την κλίμακα αποστάσεων (και χρόνου ανθρώπινης αντίληψης/αντίδρασης) το φως φτάνει σε εμάς ακαριαία, ενώ ο πολύ πιο αργά κινούμενος ήχος χρειάζεται κάποιο χρόνο. Σε τι μετράμε λοιπόν την απόσταση; Μα σε… δευτερόλεπτα ήχου.
Ένας κεραυνός, λοιπόν, μπορεί να απέχει από εμάς 2 ή 3 ή 5 δευτερόλεπτα ήχου! Απόσταση μετράμε και πάλι! Εδώ αντί για έτος έχουμε δευτερόλεπτο και αντί “φωτός” έχουμε “ήχου”.
Αν θεωρήσουμε πως η ταχύτητα του ήχου είναι σταθερή (ανεξάρτητη από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες) και ίση με 340 m/sec, τότε το ένα δευτερόλεπτο ήχου ισοδυναμεί με απόσταση 340 μέτρων. Τα 10 δευτερόλεπτα ήχου ισοδυναμούν με απόσταση περίπου 3,5 χιλιομέτρων κ.ο.κ.
Οτιδήποτε διατηρεί μία σταθερή ταχύτητα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψουμε απόσταση, λαμβάνοντας υπ’ όψη τον χρόνο που χρειάζεται για την απόσταση αυτή. Εάν για παράδειγμα είχαμε στη διάθεσή μας ένα όχημα, ας το ονομάσουμε “σταθεροκίνητο”, το οποίο κινείτο πάντα με μία σταθερή ταχύτητα, ας πούμε 100 Km/h, τότε η απόσταση Αθήνας Θεσσαλονίκης (η οποία είπαμε πως είναι περίπου 500 Km) θα μπορούσε να περιγραφεί ως: “πέντε ώρες σταθεροκίνητου”.
Αν το υποθετικό μας αυτό όχημα μπορούσε να κινείται και στο διάστημα, τότε η απόσταση Γης-Σελήνης θα μπορούσε να γραφεί ως “3.800 ώρες σταθεροκίνητου” ή ακόμα “5,3 μήνες σταθεροκίνητου”. Μπορούμε να εκφράζουμε απόσταση μέσω οποιασδήποτε μονάδας χρόνου και με χρήση οποιασδήποτε σταθερής ταχύτητας. Μην σκεφτόμαστε λοιπόν, μόνο τα έτη φωτός, δηλαδή μόνο το έτος και μόνο την ταχύτητα του φωτός. Απλά, αυτά μας… βολεύουν πιο πολύ!
Και ίσως να μην βολεύουν τόσο, όσο θέλουμε να πιστεύουμε:
Δεν είναι και η μεγαλύτερη μονάδα μέτρησης μήκους
Το έτος φωτός σίγουρα είναι χρήσιμο ως μονάδα μέτρησης για μεγάλα μήκη, για μεγάλες αποστάσεις όπως ακριβώς αυτές που μελετά η Αστρονομία. Δεν τις λένε, άλλωστε, τυχαία… αστρονομικές! (ΛΟΛ) Οι επιστήμονες όμως καταφεύγουν και σε άλλες μονάδες, κάτι που τοποθετεί το “έτος φωτός” στις ενδιάμεσες (προς μεγάλες) μονάδες. Ας τα πάρουμε όμως από την αρχή…
Για να μετρήσουμε ένα τετράδιο θα χρησιμοποιήσουμε έναν κανόνα με εκατοστά, για να μετρήσουμε το ύψος του σπιτιού μας θα χρειαστούμε τα μέτρα, ενώ για να αντιληφθούμε το πόσο πρέπει να ταξιδέψουμε για να φτάσουμε στο Παρίσι θα σκεφτούμε σε χιλιόμετρα. Χιλιάδες ίσως χιλιόμετρα, αλλά αυτό δεν μας δημιουργεί κανένα πρόβλημα. Δεν μας δημιουργεί πρόβλημα ακόμα και όταν τα νούμερα αρχίζουν να μεγαλώνουν κατά πολύ.
Έτσι, κανείς δεν μπερδεύεται ιδιαίτερα αν πούμε πως η Σελήνη απέχει 380.000 χιλιόμετρα, αλλά ούτε όταν πάμε σε κάτι πολύ πιο μακρινό όπως ο Ήλιος. Μπορούμε να αναφέρουμε πως απέχουμε από αυτόν 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα περίπου, χωρίς να προβληματιστούμε για την μονάδα μήκους που χρησιμοποιήσαμε.
Πηγαίνοντας πιο μακριά, όμως;
Από χιλιόμετρα σε Αστρονομικές Μονάδες (AU)
Μελετώντας τις αποστάσεις των πλανητών, αρχίζουμε να χρησιμοποιούμε χιλιάδες εκατομμύρια χιλιόμετρα (δηλαδή δισεκατομμυρια χιλιόμετρα), ενώ όταν φτάνουμε στα όρια του ηλιακού μας συστήματος και έξω από αυτό αρχίζουμε να μιλάμε για τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα (π.χ. Νέφος του Oort). Για αυτές τις αποστάσεις, είναι πιο βολικό να χρησιμοποιήσουμε μία μονάδα σχετικά συγκρίσιμη με αυτές. Τι θα λέγατε για την απόσταση Ήλιου-Γης; Ονομάζεται Αστρονομική Μονάδα (Astronomical Unit – AU) και έιναι ίση με περίπου 149 εκατομμύρια χιλιόμετρα.
Τώρα, η απόσταση μας από τον Ήλιο αντί για 149 εκατομμύρια χιλιόμετρα, μπορεί να γραφεί ως 1 AU. Η απόσταση του Ποσειδώνα από τον Ήλιο, αντί για 4,5 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα μπορεί να γραφεί ως περίπου 30 AU. Ακόμα και το εξωτερικό όριο του νέφους του Oort, για το οποίο η τιμή σε χιλιόμετρα αρχίζει να γίνεται ιδιαίτερα μεγάλη, μπορεί να εκφραστει με την τιμή 100.000 AU.
Από Αστρονομικές Μονάδες σε έτη φωτός και παρσέκ
Όμως, το κοντινότερο άστρο βρίσκεται σε απόσταση 270.000 AU περίπου, ενώ αν θελήσουμε να υπολογίσουμε πόσο μακριά βρισκόμαστε από το κέντρο του γαλαξία μας -δηλαδή παραμένοντας ακόμα στη γειτονιά μας- θα ανακαλύψουμε ότι μιλάμε για 1,7 δισεκατομμύρια AU περίπου! Δεν ακούγονται καλύτερα οι αποστάσεις αυτές αν τις εκφράσουμε σε 4,4 έτη φωτός και 28.000 έτη φωτός, αντίστοιχα;
Ακόμα και έτσι, οι αριθμοί αρχίζουν και πάλι να μεγαλώνουν… επικίνδυνα. Και παρότι στην αστρονομία είναι πιο διαδεδομένη η χρήση του παρσέκ (δείτε για αποστάσεις και μονάδες, εδώ), το οποίο είναι κάπως μεγαλύτερο (1 parsec = 3,26 έτη φωτός), φτάνουμε να μιλάμε ξανά για εκατομμύρια και δισεκατομμύρια έτη φωτός και εκατομμύρια (Mpc) και δισεκατομμύρια (Gpc) parsec αντίστοιχα.
Από παρσέκ σε μονάδες ερυθρομετάθεσης (z)
Για αυτές τις τεράστιες αποστάσεις των μακρινών γαλαξιών, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την ερυθρομετάθεση, την μετατόπιση δηλαδή του μήκους κύματος του φωτός προς το κόκκινο. Πρόκειται ουσιαστικά για το φαινόμενο Doppler στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, και είχαμε αναφερθεί σε αυτό εδώ! Σε αυτή την κλίμακα, ας έχουμε στο μυαλό μας πως οι αποστάσεις εκφράζουν το πόσο χρειάστηκε το φως να ταξιδέψει για να φτάσει σε εμάς και όχι το πόσο απέχει ένας γαλαξίας ή ένα σμήνος γαλαξιών αυτή τη στιγμή (όπως επίσης και το “αυτή τη στιγμή δεν έχει νόημα” – το ταυτόχρονα δηλαδή). Το μήκος αυτής της διαδρομής, πάντως, εκφράζεται μέσω του αριθμού z, ο οποίος αναλογεί σε 4,2 περίπου δισεκατομμύρια παρσέκ. Είναι πολύ πιο απλό, έτσι, αντί να πούμε 63.330.000.000 παρσέκ, να γράψουμε απλώς z=15.
Ας δούμε, τώρα στο τέλος, κάποιες αποστάσεις σε διαφορετικές κλίμακες, μετρημένες σε χρόνο φωτός (όχι απαραίτητα έτη):
Απόσταση από Αθήνα:
Βόλος: 1 χιλιοστό του δευτερολέπτου (1 millisecond) φωτός
Νέα Υόρκη: 26 χιλιοστά του δευτερολέπτου (26 millisecond) φωτός
Απόσταση από Γη:
Σελήνη: 1,3 δευτερόλεπτα φωτός
Ήλιος: 8,3 λεπτά φωτός
Απόσταση από Ήλιο:
Δίας: 43,5 λεπτά φωτός
Ποσειδώνας: 3,1 ώρες φωτός
Voyager 1: 21 ώρες φωτός
Εγγύτατος Κενταύρου: 4,4 έτη φωτός
Κέντρο Γαλαξία: 28.000 έτη φωτός
Ακόμα μεγαλύτερη κλίμακα:
Διάμετρος Γαλαξία: 105.000 έτη φωτός
Απόσταση του Γαλαξία της Ανδρομέδας: 2,5 εκατομμύρια έτη φωτός
Διάμετρος Τοπικής Ομάδας Γαλαξιών: 10 εκατομμύρια έτη φωτός
Earendel (άστρο): 12,9 δισεκατομμύρια έτη φωτός
Παρατηρήσιμο σύμπαν: 93 δισεκατομμύρια έτη φωτός
