光速為什么如此重要？

robinl6s5sw21d 2018-03-20

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今天我們將送出三本由圖靈新知提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《物理奇遇記》。

湯普金斯先生是一家大的城市銀行里的一個小職員。他對現(xiàn)代物理學感興趣，但像很多人一樣，物理理論的長篇大論讓他昏昏欲睡。而在夢境中，他進入了許多不同尋常的物理世界：有個世界的光速變得很小很小，有個宇宙的膨脹和收縮周期只有短短兩小時，還有個世界的普朗克常數(shù)變得很大很大，而在原子世界中，他則化身為一個電子……

就這樣，通過湯姆金斯先生在這些夢中物理世界的種種奇遇，喬治·伽莫夫在這部科普經(jīng)典中向我們生動講解了相對論、宇宙學、量子理論以及粒子物理的諸多基本概念，讓我們得以更清晰地理解我們所實際生活的物理世界。

如何才能得到這本《物理奇遇記》呢？參與的方式非常簡單！只要你認真閱讀下面的這篇文章，思考文末提出的問題，嚴格按照［互動：你的答案］的格式在評論區(qū)留言，就有機會獲得獎品！（PS：格式不符合要求者無效）截止到本周四中午12點，點贊數(shù)前三名的朋友將獲得一本《物理奇遇記》。

【互動問答示例】

互動：這里就可以自由發(fā)揮你的答案啦~

作者：Nola Taylor Redd

翻譯：Nothing

審校：山寺小沙彌

光在真空中的傳播速度是299792km/s，理論上沒有什么物體可以比光運動的更快。如果你可以光速飛行，那么你每秒足以繞地球7.5圈。

早期的科學家不能感知到光的運動，所以他們認為光的傳播不需要時間。但是隨著時間的推移，對光速的測量越來越精確。由于Albert Einstein和其他人的工作，我們認識到光速是物體運動的理論上限：光速c被認為是任何具有靜止質(zhì)量的物體都不可能達到的速度極限，原因我們會在下面的內(nèi)容中解釋。但這并沒有阻止科幻作家們甚至一些正統(tǒng)的物理學家們構(gòu)想在宇宙中進行超光速旅行。

光速理論的歷史 - - -

已知的第一個對光速進行描述的是古希臘哲學家亞里士多德，他不同意另外一位希臘科學家恩培多克勒的觀點。恩培多克勒辯稱因為光在移動所以它的移動一定需要時間。亞里士多德堅持相信光的運動不需要時間。

1667年，意大利天文學家Galileo Galilei讓兩個人分別站在相距不足一英里的兩座小山上，每個人拿著一個帶罩子的燈籠。一個人打開他的燈籠，當另外一個人看到閃光，他也打開自己的燈籠。通過測量第一個人多久才能看到第二個燈籠的閃光，Galileo認為自己可以計算出光速。不幸的是，Galileo所選的不到一英里的實驗距離不足以測量到光速的具體值，所以他僅僅可以確定光速是聲速的十倍以上。

Ole R?mer測量光速的原理圖:A是太陽B是木星，小圓是木衛(wèi)一軌道，大圓是地球軌道。來源WIKI

17世紀70年代，丹麥物理學家Ole R?mer利用木衛(wèi)一的月食現(xiàn)象作為第一次測量光速的精確時鐘。在歷時數(shù)月的實驗中，羅默發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一被木星遮擋之后再次出現(xiàn)的時間比計算值要遲，盡管推遲的不是很多。羅默確定光從木衛(wèi)一運動到地球需要一定的時間。

NASA稱“觀測結(jié)果給了R?mer光在空間中以恒定速度飛行的令人信服的證據(jù)?！?/span>

他推斷光需要10-11分鐘從太陽抵達地球，這比實際的八分十九秒要長一些。所以他的計算結(jié)果給出的光速時200000km/s，但至少科學家有數(shù)據(jù)可以用了。

1728年，英國物理學家James Bradley 根據(jù)他對由于地球公轉(zhuǎn)造成的恒星出現(xiàn)的位置的改變進行的計算，得出的光速是301000km/s,誤差低于百分之一。

17世紀中期，兩個嘗試使得光速可以在地球上進行測量：法國物理學家Hippolyte Fizeau把一束光照射在高速旋轉(zhuǎn)的齒輪上，并在5英里外用鏡子把透過的光反射回齒輪。通過改變齒輪的轉(zhuǎn)速，F(xiàn)izeau 可以計算光要多長時間可以通過齒輪上的空洞抵達鏡子上并在反射之后通過齒輪的孔。另外一位法國物理學家Leon Foucault利用旋轉(zhuǎn)的鏡子而不是齒輪。兩種獨立的方法測到的結(jié)果和今天測量得到的光速之間的誤差都小于1000miles/s。

邁克爾遜-莫雷實驗原理圖來源：wiki

在普魯士出生在美國長大的Albert Michelson，嘗試去復制1879年Foucault的方法，但他使用了更長的距離，同樣使用高質(zhì)量的鏡子和鏡頭。他得到的結(jié)果是299910km/s,這個結(jié)果是之后四十年內(nèi)光速測量最精確的結(jié)果。

關(guān)于邁克爾遜的實驗有一個很有趣的故事：他的實驗原本是想探測光傳播的媒介-以太。然而，他的實驗證實了以太不存在。

“這項實驗是如此的具有革命性以至于他成為歷史上唯一一位沒有發(fā)現(xiàn)任何東西卻得了諾貝爾獎的諾貝爾獎得主?！盓than Siegal寫到?！斑@個實驗本身可以說是完全的失敗，但是從中得到的信息大大加深人類對宇宙的理解?！?/span>

愛因斯坦和相對論 - - -

1905年，愛因斯坦寫成了他關(guān)于狹義相對論的第一篇論文。在這篇論文中，他提出無論觀察者以什么樣的速度運動，他測量到的光速都是固定值。即便用最精密的方法測量，觀察者在地面測量到的光速和在噴氣飛機上測到的數(shù)據(jù)完全一樣。相似地，盡管地球繞著太陽飛行，太陽又在銀河系中運動。但是無論觀察者是處于銀河系內(nèi)還是銀河系外，他測到的太陽發(fā)出的光的速度都是一樣的。愛因斯坦推斷出光速不隨時間和地點的變化而改變。