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光速是如何探測出來的

圖文 更新时间:2025-01-01 23:19:29

  首先說答案:當然能,光不是在任何地方都是速度之王。 光僅僅在真空中才是速度之王,換一個賽跑的地方,就有許多别的粒子能超越光子,也就是超越光速呢。早在1888年~1904年的時候,物理學家奧利弗希·維賽德和阿諾德·索末菲都提出過超光速理論研究論文。

  光速是如何探測出來的(深層解讀光速限制)(1)

  圖示:切倫科夫輻射

  但随着愛因斯坦狹義相對論的發表并被廣泛接受後,所有關于超光速方面的研究就被徹底抛棄,物理學家們默認光速不可超越。于是曾經看到過超光速現象的居裡夫人,就這樣放過了一個 諾貝爾物理學獎,讓人歎息。

  光速是如何探測出來的(深層解讀光速限制)(2)

  圖示:放射性元素锕鹽在溶液中發光,也是因為它釋放出了超光速粒子。

  許多人都看到過放射性物質在水溶液中發光,但他們都沒有追問一句這種光是怎麼産生的。隻有俄國物理學家切倫科夫(cherenkov ),專心緻志的探究這個現象,雖然他本人并未将此現象産生的機制徹底搞明白,但這項研究最終讓他獲得諾貝爾獎,因為他的研究提供了大量實驗數據,在切倫科夫研究的基礎上,兩位理論物理學家Tamm和Frank最終将放射性物質溶液發光現象進行了解釋:

  “隻要我們假設,當粒子的移動速度超過同樣介質中的光子的移動速度時,它就會發光的話,那我們就即能定性又能定量地解釋(切倫科夫輻射)這種物理學現象“。

  直到這個時候,物理學們才集體意識到,他們對狹義相對論的理解存在重大失誤,不能超越的光速僅僅是真空光速,如果換一個比賽場地,那麼超光速是可以發生的,隻有真空光速神聖不可侵犯,其它介質環境中的光速也就是那麼回事兒。

  光速是如何探測出來的(深層解讀光速限制)(3)

  圖示:狹義相對論說,超越真空光速,會得到負時間,這似乎意味着你能回到過去,但這會産生一系列的悖論。因此超光速被認為是不可能存在的物理現象。

  而在廣義相對論中,它否定了在太空中用很長的時間來緩慢加速一個物體進行超光速的思想實驗,因為能量和質量是一回事兒,随着物體速度加快,它的質量會越來越大,當它趨近于光速時,其質量會趨近于無限大,而無限能量和無限質量是不可能出現在真實物理世界中的,如果出現整個宇宙就會被無限大的引力給拉到一起,發生大塌縮!注意,光子本身靜止質量為零,所以它不需要無限能量就能達到真空光速C.

  但是要想知道真的超光速了,你先得知道怎麼測量在不同環境中,光的速度才行,否則也就成了空口白牙,沒有真憑實據。 我們現在大多都光速很快,伽利略是最先想到測量光速究竟有多快的物理學家,但很不幸他設計的實驗台太粗糙,或者說他太小看光速了,因此遭到了可恥的失敗,後來許多人想了許多辦法來測量光速,但他們統統都失敗了,于是有一段時間,多數物理學家開始懷疑光速是否無限快,當然要是光速真的無限快,我們就不必讨論超光速這個話題了。

  光速是如何探測出來的(深層解讀光速限制)(4)

  圖示:光的确很快,它來回一趟地球和月亮之間,平均時間為大約2.5秒鐘,因為月球圍繞地球旋轉并不是一個正圓而是一個橢圓。

  先看看伽利略是怎麼失敗的。

  他選擇了一個月黑風高的夜晚他自己和助手分别爬上兩個山頭他打開燈并同時計時,助手看到他的燈,打開自己的燈,伽利略看到助手的燈,然後停止計時 光速是如何探測出來的(深層解讀光速限制)(5)

  圖示:1638年8月11号,農曆7月初二,一個無月之夜,伽利略和助手嘗試了首次人類光速測試實驗,實驗慘遭失敗,這是科學的象征,成功總是建立在大量的失敗的基礎上。雖然原理沒問題,奈何光速太快,人的反應速度太慢,這些誤差加在一起,讓測量出來的光速變得毫無意義

  兩百多年後,1849年3月18日,農曆二月24,後輩物理學家,名為阿爾芒·斐索(Armand Fizeau)的法國人,決定重複伽利略的方法。在經過十八世紀六十年代工業革命的百年積累之後,斐索要再次挑戰光速測量,使用完全一樣的原理,但這次他有機器的幫助,不需要用人的神經反射速度。

  1、同樣選擇一個月黑風高的夜晚

  2、同樣選擇兩個山頭

  3、但使用一面鏡子代替山頭上的助手,鏡子直接反光

  4、使用一個高速旋轉的齒輪來代替計時器,隻要知道齒輪的旋轉速度就能知道流逝的時間

  光速是如何探測出來的(深層解讀光速限制)(6)

  圖示:人類第一個最準确的光速測量實驗,它完全仿照伽利略想到的實驗方法,但用機器代替人,從而取得了成功。

  通過調整齒輪的轉速,巧妙地讓齒輪恰好旋轉一個齒的距離,這樣反射回來的光将通過第二面鏡子準确地反射到觀察者眼中。由于光源使用的是蠟燭,所以還需要一個透鏡系統來聚光,免得光線太微弱啥都看不到,今天要是我們重複這個實驗,隻需要随便在淘寶買一隻激光筆就行,可以将透鏡系統簡化。斐索測量到的光速為:315,431.424 公裡/秒,這比現在的約30萬公裡/秒的速度稍微快了一些。

  旋轉鏡法測光速,是超光速的關鍵 法國物理學家讓·伯納德·裡昂·福柯幫助斐索設計了這套測量系統,在斐索取得成功後,福柯想能不能再次簡化這個實驗,不用出門就在實驗室裡就完成光速的測定呢?福柯想出了旋轉鏡法,通過快速旋轉的鏡子,不需要出門同樣能完成光速的測定,而且可以測得更加精确。

  光速是如何探測出來的(深層解讀光速限制)(7)

  圖示:旋轉鏡法測光速

  1、光發射到一面高速旋轉的鏡子上

  2、這面鏡子将光恰好反射到第二塊不動的鏡子上,光于是被反射回來

  3、第一面高速旋轉的鏡子恰好将反射光反射到觀察者眼中

  4、通過測量旋轉鏡的轉速,以及光走過的距離,就能知道光速是多少了。

  福柯得到的光速就相當準确了為298000公裡/秒,這和現代測量值光在空氣中的速度大約為299700km/s,已經非常接近了。而更重要的是,在實驗室中,福柯可以讓光穿過其它介質,比如玻璃,比如水,比如油等,用同樣的方法測量光速,福柯有了一個重大發現:

  那就是光速是可以發生變化的!

  在不同的介質中,光速不同,甚至差異非常大,以至于不需要考慮實驗誤差,即光速的差異絕不是實驗本身的誤差導緻的。

  光在水中的速度隻有空氣中的3/4光在玻璃中的速度隻有空氣中的2/3光在鑽石中的速度最慢隻有空氣中的1/3左右光速被超越時,就會産生一種特殊的輻射現象。 當粒子運動得比光更快的時候,事情就會變得非常特殊,這時候運動中的粒子會發光!是的,如果你跑得比光還快,你就會變成發光體,這真的是一個非常有趣的發現,這種現象被我稱為光爆,這是模仿超音速飛機的音爆現象。

  光速是如何探測出來的(深層解讀光速限制)(8)

  圖示:浸泡在水中的核反應堆發着幽幽的藍光,這藍光就是粒子超光速的證據。

  切倫科夫因此拿到了1958年的諾貝爾物理學獎,這種特殊發光現象也就此被稱為切倫科夫輻射,它不僅僅發生在水中,在任何介質中,隻要粒子的運動速度超過該介質中光子的運動速度,就會發光!當然劃過夜空的流星,不是因為它們超光速,而是因為它們和大氣劇烈摩擦發熱之後才發光的。

  最後說一點:大膽假設,小心求證,依據靠譜的物理現象!,

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