Radijo bangų kelionė erdvėje šviesos greičiu

Kai radijo bangos keliauja greičiau nei garsas

Turbūt kiekvienas esame girdėję, kad radijo bangos keliauja šviesos greičiu. Bet ką tai iš tikrųjų reiškia? Kodėl radijo signalas iš Marso pasiekia Žemę per kelias minutes, o garsas nuo griaustinio ateina tik po kelių sekundžių? Viskas slypi elektromagnetinių bangų prigimtyje ir jų kelyje per erdvę.

Radijo bangos – tai elektromagnetinės bangos, kaip ir šviesa, tik su kitokiu dažniu. Jos sklinda vakuume maždaug 299 792 kilometrų per sekundę greičiu. Tai reiškia, kad per vieną sekundę radijo signalas gali apskristi Žemę beveik 7,5 karto! Palyginkite tai su garso greičiu ore – vos 343 metrai per sekundę. Skirtumas tiesiog milžiniškas.

Įdomu tai, kad radijo bangoms nereikia jokios terpės sklisti. Jos puikiai keliauja net absoliučioje tuštumoje, tuo tarpu garsui būtina medžiaga – oras, vanduo ar kietoji medžiaga. Štai kodėl kosminėje erdvėje viešpatauja absoliuti tyla, bet radijo ryšys veikia puikiai.

Kaip Maxwell’as viską sujungė į vieną paveikslą

XIX amžiaus viduryje škotų fizikas James Clerk Maxwell sukūrė keturias lygtis, kurios visam laikui pakeitė mūsų supratimą apie elektromagnetizmą. Šios lygtys parodė, kad elektra ir magnetizmas nėra atskiri reiškiniai – tai vieno medalio dvi pusės.

Maxwell’o lygtys numatė, kad kintantis elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką, o kintantis magnetinis laukas – elektrinį. Šie du laukai, tarsi šokdami tango, sukuria savęs palaikančią bangą, kuri gali keliauti erdve. Ir štai pats įdomiausias dalykas – iš šių lygčių Maxwell’as apskaičiavo, kad tokios bangos turėtų sklisti būtent šviesos greičiu.

Tai buvo tikras prasiveržimas! Maxwell’as suprato, kad šviesa pati yra elektromagnetinė banga. O tai reiškė, kad turėtų egzistuoti ir kitų dažnių elektromagnetinės bangos – įskaitant tai, ką mes dabar vadiname radijo bangomis.

Heinrich’o Hertz’o eksperimentai rūsyje

Teorija teorija, bet ar tai veikia praktikoje? 1887 metais vokiečių fizikas Heinrich Hertz savo laboratorijoje pirmą kartą sugeneravo ir užfiksavo radijo bangas. Jo įranga buvo gana paprasta pagal šiandieninius standartus – kibirkštinis siųstuvas ir paprasta vielos kilpa kaip imtuvas.

Kai Hertz’as sukūrė kibirkštį siųstuve, kelių metrų atstumu esančioje kilpoje taip pat atsirado mažytė kibirkštis. Tai įrodė, kad kažkas nematomo perduoda energiją erdve. Tas „kažkas” buvo elektromagnetinės bangos – būtent tai, ką Maxwell’as numatė teoriškai.

Hertz’as išmatavo šių bangų greitį ir patvirtino, kad jos iš tikrųjų sklinda šviesos greičiu. Jis taip pat parodė, kad radijo bangos atspindi nuo metalinių paviršių, lūžta skirtingose terpėse ir elgiasi kaip šviesa – tik jų bangos ilgis yra daug didesnis.

Kodėl būtent šviesos greitis?

Galbūt keista, bet šviesos greitis nėra tik apie šviesą ar radijo bangas. Tai fundamentali visatos konstanta, kuri nusako, kaip greičiausiai bet kokia informacija gali keliauti erdvėje. Einšteino reliatyvumo teorija parodė, kad tai yra absoliutus greičio limitas – niekas negali judėti greičiau.

Bet kodėl būtent 299 792 km/s, o ne koks kitas skaičius? Atsakymas slypi vakuumo savybėse. Vakuumas turi dvi pagrindines charakteristikas: elektrinę laidą ir magnetinę laidą. Šios dvi konstantos kartu nusako, kaip greitai elektromagnetinės bangos gali sklisti tuštumoje.

Galite įsivaizduoti vakuumą kaip tam tikrą „terpę” (nors tai ir ne tikra terpė), kuri turi savo „stangrumą” elektromagnetinėms bangoms. Šis stangrumas ir lemia maksimalų galimą greitį. Kitose terpėse, pavyzdžiui, vandenyje ar stikle, elektromagnetinės bangos juda lėčiau, nes ten yra daugiau kliūčių – atomų ir molekulių, su kuriomis bangos sąveikauja.

Praktinis radijo bangų greičio panaudojimas

Žinojimas, kad radijo bangos keliauja šviesos greičiu, yra ne tik teorinis smalsumas. Tai turi daugybę praktinių pritaikymų mūsų kasdienėje technologijoje.

GPS navigacija yra puikus pavyzdys. Jūsų telefone esantis GPS imtuvas gauna signalus iš kelių palydovų orbita. Kiekvienas palydovas siunčia signalą su tiksliu laiko žymu. Jūsų įrenginys matuoja, per kiek laiko signalas pasiekia jį iš kiekvieno palydovo. Žinodamas, kad signalas keliauja šviesos greičiu, GPS gali apskaičiuoti tikslų atstumą iki kiekvieno palydovo ir taip nustatyti jūsų tikslią vietą.

Bet čia yra vienas subtilumas – netgi Einšteino reliatyvumo teorijos efektai turi būti įskaičiuoti! Palydovai juda dideliu greičiu ir yra silpnesniame gravitaciniame lauke nei mes žemėje, todėl jų laikrodžiai eina šiek tiek kitaip. Jei šių efektų nekompensuotume, GPS klaida kasdien didėtų keliais kilometrais.

Radaro veikimo principas ir atstumų matavimas

Radarai naudoja radijo bangų greitį labai tiesiogiai. Jie išsiunčia trumpą radijo impulsą ir laukia atspindžio. Matuodami laiką, per kurį signalas grįžta atgal, radarai gali tiksliai apskaičiuoti atstumą iki objekto.

Pavyzdžiui, jei radaro signalas grįžta po 0,0001 sekundės, tai reiškia, kad jis nuvyko iki objekto ir grįžo atgal. Kadangi šviesos greitis yra apie 300 000 km/s, per tą laiką signalas nukeliavo 30 kilometrų. Bet kadangi jis nukeliavo ten ir atgal, objektas yra 15 kilometrų atstumu.

Šis principas naudojamas ne tik karinėje technologijoje ar oro uostuose. Policijos greičio matuokliai, laivų navigacijos sistemos, meteorologiniai radarai, kurie seka audras – visi jie remiasi tuo, kad radijo bangos keliauja nuosekliu, nuspėjamu greičiu.

Astronominiai radarai gali matuoti atstumus net iki planetų. Pavyzdžiui, siunčiant radijo signalą į Venerą ir laukiant atspindžio, galima labai tiksliai išmatuoti atstumą iki jos. Tiesa, reikia kantrybės – signalas iki Veneros ir atgal gali keliauti kelias dešimtis minučių, priklausomai nuo planetų padėties orbitose.

Erdvės tyrimai ir komunikacijos iššūkiai

Kai kalbame apie kosminę erdvę, radijo bangų greitis tampa ir palaiminimu, ir prakeiksmu. Iš vienos pusės, radijo bangos yra vienintelis praktiškas būdas bendrauti su kosmoso zondais milijonų kilometrų atstumu. Iš kitos pusės – net ir šviesos greitis tampa per lėtas, kai atstumai tokie dideli.

Pavyzdžiui, kai NASA operatoriai siunčia komandas Perseverance marsaeigei, signalas keliauja nuo 4 iki 24 minučių, priklausomai nuo to, kur Marsas yra savo orbitoje. Tai reiškia, kad jei marsaeigis susiduria su problema, Žemėje apie tai sužinosime tik po kelių minučių, o mūsų atsakymas pasieks Marsą dar po kelių minučių. Jokio realaus laiko valdymo!

Voyager 1, toliausia nuo Žemės žmonių sukurta struktūra, dabar yra maždaug 24 milijardus kilometrų atstumu. Radijo signalas iki jos pasiekia per maždaug 22 valandas. Kai mokslininkai siunčia komandą, jie turi laukti beveik dvi paras, kol gaus patvirtinimą, kad komanda gauta ir įvykdyta.

Dažnio ir bangos ilgio žaidimas

Vienas įdomių dalykų apie radijo bangas – jos visos keliauja tuo pačiu greičiu vakuume, bet gali turėti labai skirtingus dažnius ir bangos ilgius. Šie du parametrai yra atvirkščiai proporcingi: kuo didesnis dažnis, tuo trumpesnis bangos ilgis.

Žemo dažnio radijo bangos, pavyzdžiui, AM radijo stotys, gali turėti bangos ilgį šimtus metrų. Jos puikiai lenkia kliūtis ir keliauja toli, bet negali perduoti daug informacijos. Aukšto dažnio bangos, kaip WiFi ar mobilusis ryšys, turi bangos ilgį tik kelis centimetrus. Jos gali perduoti daug daugiau duomenų, bet lengvai blokuojamos sienų ir kitų kliūčių.

Tačiau nepaisant šių skirtumų, visos jos vakuume keliauja tuo pačiu greičiu. Tai kaip skirtingo aukščio garsai – visi jie ore sklinda tuo pačiu greičiu, nors skamba skirtingai. Radijo bangų atveju „aukštis” yra dažnis, bet greitis lieka pastovus.

Kai radijo bangos sulėtėja ir pagreitėja

Nors vakuume radijo bangos visada keliauja šviesos greičiu, įvairiose medžiagose jų greitis keičiasi. Vandenyje elektromagnetinės bangos juda maždaug 25% lėčiau nei vakuume. Stikle – dar lėčiau, priklausomai nuo stiklo tipo.

Tai vyksta todėl, kad bangos sąveikauja su medžiagos atomais. Elektromagnetinė banga „stumdosi” su elektronais atomuose, o tai užtrunka laiko. Kuo tankesnė medžiaga ir kuo daugiau elektronų, tuo labiau sulėtėja bangos.

Bet štai kas įdomu – kai banga išeina iš lėtesnės terpės atgal į vakuumą, ji vėl pagreitėja iki pilno šviesos greičio! Nepaisant to, kad ji buvo „sulėtinta” stikle ar vandenyje, išėjusi į vakuumą ji vėl juda maksimaliu greičiu. Energija neprarandama, tik laikinai „užstrigdavo” sąveikose su medžiaga.

Šis reiškinys naudojamas optiniuose kabeliuose. Nors šviesa stiklo šviesolaidyje juda lėčiau nei vakuume, ji vis tiek juda pakankamai greitai, kad perduotų milžiniškus duomenų kiekius per ilgus atstumus su minimalia vėlave.

Kada greitis tampa ribojimu ir galimybe

Radijo bangų kelionė šviesos greičiu nėra tik fizikos faktų rinkinys – tai fundamentalus apribojimas ir kartu neįtikėtina galimybė. Mes negalime perduoti informacijos greičiau, bet galime ją perduoti beveik akimirksniu planetiniais masteliais.

Kai klausotės radijo stoties, muzika, kurią girdite, buvo išsiųsta vos prieš mikrosekundes ar milisekundes, priklausomai nuo atstumo iki siųstuvo. Kai skambinate mobiliuoju telefonu, jūsų balsas paverčiamas radijo bangomis, kurios šauna į bokštą, keliauja per tinklą (dažnai paverčiamos šviesos impulsais šviesolaidiuose) ir pasiekia kitą asmenį per akimirką.

Ateities technologijos turės susitaikyti su šiuo fundamentaliu apribojimu. Jei kada nors kolonizuosime Marsą, pokalbiai tarp planetų visada turės kelių minučių vėlavimą. Jokia technologija negali to pakeisti – tai visatos dėsnis. Bet kartu tai reiškia, kad radijo bangos liks greitausias žinomas būdas perduoti informaciją per kosmosą, nebent kada nors atrasime būdą manipuliuoti erdvės-laiko struktūra pačia.

Šiandien, kai naudojate GPS, žiūrite palydovinę televiziją ar tiesiog naudojatės WiFi, prisiminkite – visa tai veikia todėl, kad prieš daugiau nei šimtą metų mokslininkai suprato, jog radijo bangos keliauja erdve šviesos greičiu. Tai žinojimas, kuris transformavo mūsų pasaulį ir tebetransformuoja jį kiekvieną dieną.