光速

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光速简介 光速(英文名:speedoflight),光速是一个物理常数,指的是光或电磁波在真空或介质中传播的速度。物理上一般称为c,其精确值为299792458m/s(通常取3.00×108m/s)。目前,真空中的光速是自然界中物体运动的最高速度。真空中的光速也被称为自由空间中的光速。光速是宇宙中所有物质运动和信息传播速度的上限,也是无质量粒子及其相应的场波动在真空中运动的速度的上限。 1905年...

光速简介

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光速(英文名:speed of light),光速是一个物理常数,指的是光或电磁波在真空或介质中传播的速度。物理上一般称为c,其精确值为299792458 m/s(通常取3.00 × 108 m/s)。目前,真空中的光速是自然界中物体运动的最高速度。真空中的光速也被称为自由空间中的光速。光速是宇宙中所有物质运动和信息传播速度的上限,也是无质量粒子及其相应的场波动在真空中运动的速度的上限。

1905年,爱因斯坦在创立狭义相对论的第一篇论文《论运动物体的电动力学》中提出了光速不变性公理:“光在真空中总是以一定的速度v传播,这与发射器的运动无关。”根据狭义相对论,光速是宇宙中所有物质和信息运动和传播的速度的上限,也是真空中所有无质量粒子及其相应的场涨落运动的速度的上限。这个速度与源和观测者所在的惯性参考系的运动无关。

光的速度在不同的介质中是不同的,由于光是一种电磁波,它的速度也取决于介质的介电常数和磁导率。在各向同性的静止介质中,光的速度是一个小于真空光的速度c的常数。在日常生活中,光在不同介质中的传播速度可以通过光在不同介质中的折射率来简单计算。

光速

光速研究历史

早期历史

恩培多克勒斯(公元前490-430年)是历史记载中第一个声称光速有限的人。他认为光是一种移动的东西,所以它需要时间来运行。亚里斯多德认为,“光是由某物的存在而产生的,而不是由运动的物体产生的。”亚里士多德坚信,光是不动的,它只有表象与不表象之分,这在当时得到了很多人的支持。欧几里得和托勒密继续发展恩培多克勒斯的发光理论,该理论认为视觉是由眼睛发出的光产生的。根据这一理论,亚历山大的希罗推断出光速一定是无限的,因为当你睁开眼睛的那一刻,你就能看到远处的物体。

早期的伊斯兰哲学思想,如亚里士多德的理论,相信光的无限速度,相信光的传播必须是瞬间的。否则,当我们睁开眼睛,怎么能瞬间看到遥远的星星。伊斯兰学者阿尔哈曾写了《光学之书》,认为光从相反的方向传播,从被观察的物体到观察者的眼睛。1021年,海石木的著作《光学》阐述了一系列推翻发射说、支持“进入说”的论点,主张物体的光进入眼睛产生视觉。因此,海世木提出,光必须以有限的速度传播,而光的速度是可变的——它在高密度的材料中传播得更慢。他进一步推断,光是一种物质,传播需要时间,即使它不能被我们的感官观察到。在11世纪,阿布·拉罕·穆罕默德·本·艾哈迈德·比鲁尼也认为光速是有限的,并观察到光速比声速快得多。

13世纪,英国科学家罗杰·培根根据海涅曼和亚里士多德的著作提出,光在空气中的速度不是无限的。在19世纪70年代,波兰科学家维特洛认为,光可以在真空中以无限的速度传播,只有在有密度的物体中才会减慢。

17世纪初,德国科学家约翰内斯·开普勒认为,光的速度是无限的,因为太空中没有任何东西阻碍光的传播。笛卡尔认为,如果光速是有限的,那么在月食期间,太阳地球和月球就会出现明显的错位。由于人们从未观察到这样的错位,所以光速是无限的。他甚至认为,如果发现光速是有限的,他的整个哲学体系可能会因此崩溃。虽然光速是无限的,但笛卡儿在其斯涅尔定律的推导中仍然假设物质密度越高,光速就越快。皮埃尔·德·费支持光速是有限的理论,并在推导斯涅尔定律时使用了与笛卡尔相反的假设:介质的密度越高,光速越低。

早期的测定

1607年,36岁的伽利略进行了世界上第一次测量光速的实验。他提出了一种通过测量光信号的传播时间来计算光速的方法:一个人拿着时钟和灯笼站在一座山上,而另一个人也拿着灯笼站在附近的另一座山上,距离已知。当第一个人开灯时,计时器开始计时。当第二个人看到灯时,他们打开自己的灯。当第一个人看到第二个人的灯时,计时器停止。为了使光传播的距离更长,测量误差更小,他让两个人分别站在两座山上。由于伽利略测量光速的距离较短,不足以准确测量光传播的持续时间,实验以失败告终。法国数学家笛卡儿对这个实验做了进一步的改进,他认为,如果光从太阳或月球传播到地球需要时间,那么实际发生的月食等现象将与人类的预测不同。但经过多次观测,没有发现时间延迟。事实上,伽利略和笛卡尔的想法是正确的,但由于光的传播速度极快,穿过月球与地球和太阳之间的距离所花费的时间很短,而且当时的实验设备不足以观察到它。

1676年,丹麦天文学家OIaus Roemer首先提出了一种测量光速的有效方法,并成功地利用木星卫星法计算出了光速。他在巴黎观测了木星的卫星木卫一的掩星,发现它的掩星时间与预期的时间不符。当地球接近木星时,掩星发生的时间提前了11分钟;当地球远离木星时,掩星会在11分钟后发生。地球在太阳和木星之间的周期与太阳在地球和木星之间的周期相差14到5天。他认为这种现象是由光速引起的,他还推断出光穿过地球轨道需要22分钟。1676年9月,罗默预测,原定于11月9日上午5:25:45发生的木星月食将推迟10分钟。这一观察结果最终证实了罗默的预测。根据与木星的距离,罗默估计光的速度约为2.110m /s,并于1676年在《学者杂志》上发表了他的发现。这一结果在当时只得到牛顿等少数杰出学者的认可,并得到了科学家惠更斯的支持。惠更斯根据他的观测数据和地球的半径计算出光速:2.14108米/秒。

1729年,詹姆斯·布拉德利发现了恒星像差现象。他计算出光速比地球公转速度快10210倍(实际值是10066倍),相当于光从太阳传播到地球需要8分12秒的时间。布拉德利的测量证实了罗默关于光速有限的说法。

光的传播介质-以太的猜想

在20世纪之前,物理学家认为空间充满了一种叫做“以太”的介质,电磁波在其中传播。一些物理学家认为以太是一个“绝对静止”的参考系,所以理论上,地球相对于以太的运动可以通过记录光速的变化来测量。自19世纪80年代以来,人们进行了许多旨在探测这种运动的实验,其中最著名的是1887年的迈克尔逊·莫雷实验。结果表明,相对以太运动的不确定性总是小于观测值。最近的实验表明,光的双向速度的各向异性(即随观测方向的变化)不大于6纳米/秒。在此基础上,亨德里克·洛伦兹提出了仪器在以太中的运动会使仪器自身的长度沿运动方向收缩,运动系统所测量的时间也会随之发生变化(“本地时间”),从而发展了洛伦兹变换。1900年,愤怒的庞加莱在洛伦兹以太理论的基础上证明了这个局部时间(一阶近似)可以用一个相对于以太运动的时钟来表示,在光速恒定的假设下,这个时钟是同步的。1904年,他推测,一旦洛伦兹的理论得到证实,光速可能是速度的机械极限。1905年,庞加莱在观测中证明了洛伦兹以太理论与相对性原理是完全一致的。

狭义相对论

1905年,阿尔伯特·爱因斯坦设想,由非加速观察者测量的光速与光源和观察者自己的运动无关。作为一个公开的假设,他建立了一套完整的狭义相对论。理论上,光在真空中的速度c是一个基本常数,它的出现并不局限于光的传播。物理定律不再需要一个绝对静止的参考系,所以这一举动彻底消除了当时洛伦兹和庞加莱仍然坚持的以太理论,极大地改变了人们的空间和时间观念。

明确固定光速的数值

1983年第17届国际度量衡会议发现,通过测量频率和固定特定的光速值而得到的波长比以前定义的长度单位更具有可重复性。会议保留了1967年秒的定义,使铯的超细频率成为定义秒和米单位的基础。米的定义改为:光在真空中1/299792458秒内走过的距离。在这个定义下,光速的精确值将固定在299792458 m/s,光速也成为国际单位制中定义的常数之一。在重新定义之前,更精确的测量将使光速值更精确;但1983年以后,对氪-86等光源进行更精确的测量,将不再改变现有的光速值,反而会提高米单位的精度。

2011年的度量衡会议指出,整个国际单位制的七个基本单位将通过所谓的“显式常数设定法”进行重新定义:“每个单位将用一个被广泛认可的基本常数间接定义,这个基本常数就是米的定义与光速的关系。”根据这一提议,米有一个基本相同但措辞不同的定义:“米,符号m,是长度单位;定义为光速在SI单位m s−1中设定的值,固定为299792458。”这将成为国际单位制的新修订之一。

相关理论

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光速不变原理

1905年,爱因斯坦在创立狭义相对论的第一篇论文《论运动物体的电动力学》中提出了光速不变性公理:“光在真空中总是以一定的速度v传播,这与发射器的运动无关。”爱因斯坦在迈克尔逊-莫雷实验的基础上提出了光速不变性假设,并从理论上推导出了洛伦兹变换,建立了狭义相对论,揭示了时空和物质运动的相对论性。任何物体的运动速度都不能超过光速。光速是极限,没有比光速更快的速度。狭义相对论(SR)赋予光速非常特殊的性质,即“光速恒定”原理和“光速不能超过”原理。

1887年,在麦克斯韦的建议下,迈克尔逊和莫雷进行了一个捕捉乙醚的实验。当时的物理理论认为光的传播介质是“以太”,这就带来了一个问题:如果地球以每秒30公里的速度绕太阳公转,就必然会面临每秒30公里的“以太风”,这必然会对光的传播产生影响。这个问题出现后,立刻引发了关于“以太风”是否存在的讨论。迈克尔逊·莫雷实验就是在这个基础上进行的。他们在实验中没有发现以太,但发现了一个问题:伽利略速度叠加原理失败了。迈克尔逊·莫雷实验表明,当光速与地球轨道的速度相结合时,光速仍然是光速。为了解释迈克尔逊·莫雷实验,菲茨杰拉德提出了一个假设:一个运动物体沿着它的长度在运动方向上收缩,收缩速率为。随后,洛伦兹又增加了一个假设:运动物体随时间膨胀,膨胀率为。于是,洛伦兹变换诞生了。1905年,爱因斯坦在迈克尔逊·莫雷实验的基础上提出了光速恒定原理:光似乎没有速度叠加效应,光速相对于所有观察者都是一样的。在以光作为观测媒介的观测系统中,光速相对于所有观测者是相同的或恒定的。通过同时求解麦克斯韦方程组,得到光速恒定的原理,经迈克尔逊-莫雷实验证实。正是基于光速不变的假设,爱因斯坦成功地建立了狭义相对论,揭示了时空和物质运动的相对论性现象。ILS假说不仅是爱因斯坦广义相对论的基石,也是爱因斯坦广义相对论的前提之一。一百多年来,爱因斯坦的相对论,包括广义相对论和广义相对论,几乎得到了所有观测和实验的支持。ILS假说有一个直接的推论:光速是宇宙的终极速度,任何其他物质运动都无法超越。爱因斯坦在他的定域性概念中加入了光速不变性的假设:物质的速度是有限的,光速是速度的上限;宇宙中没有长程效应。光速恒定的原理是迈克尔逊·莫雷实验提出的假设,而不是结论。

光速恒定原理,又称真空限速原理,包括三个方面:光的速度与光源的运动无关;光速与频率无关;光的速度与方向(即接收器的速度)无关。现有的光学实验已经准确地验证了上述内容的前两个方面,而在第三个方面,光速与方向无关的事实从未得到证实。利用这一原理,建立了狭义相对论和广义相对论以及超弦理论。光速极限原理是狭义相对论的预言,已被多次实验证实,是物理学的基本原理之一。

光速可变理论

2015年1月,英国格拉斯哥大学的一个研究小组经过两年半的努力,成功地进行了一项实验,证明了光的速度不是恒定的,即即使在真空条件下,光也不总是以光速传播。这篇研究论文从出现在预印本网站arXiv到在美国《科学快报》上发表,仅用了几天时间,就迅速得到了各国媒体的传播和报道。1月22日,D Giovannini等人的论文发表在《科学快报》上。当天,英国广播公司(BBC)公开了对学术带头人帕吉特教授的采访。1月27日,中国新闻网发表了一篇题为《英国科学家成功降低真空中的光速,可能推翻爱因斯坦理论》的简短报道。

在天文学中,像差现象早已被证明与光的速度和方向有关。对射电恒星系统中3K微波辐射和无线电波的观测揭示了地球运动方向的显著各向异性。2002年3月14日出版的《自然》杂志报道了C BIake和J Wa使用新墨西哥州国家天文台的甚大阵列射电望远镜(VLA)观测到遥远的射电星系发射出强大的无线电波。观测结果表明,这些星系发射的电磁波在地球运动方向上也表现出各向异性,这与前面提到的宇宙背景辐射在地球运动方向上的各向异性相同。电磁波(即光波)的速度随观测者(地球)的速度而变化。这些天文实验都精确地证明了光速与方向有关,所以光速变是一个合理的结论。变光速理论认为,光的速度与接收器密切相关,即观察者的速度会直接影响接收器测量到的光的速度:与光在同一方向上运行的接收器测量到的光的速度会减小。由反向运行的接收器测得的光的速度将增加。与绝对坐标系相比,光速保持不变。

在爱因斯坦的广义相对论中,光速随引力场的强度而变化。粒子在真空中的运动速度比光速慢。它会发出一种微弱的蓝光,叫做切伦科夫辐射。蓝光的速度与其波长成正比。

光速应用领域

通讯

地球赤道的周长是40075公里,c大约是300000米/秒,所以信息沿着地球表面传播一半地球距离需要67毫秒。光在光纤中的实际传输时间会更长,因为光在光纤内部的速度比c慢35%左右,具体数值与折射率n有关。而且全球通信很少使用两点之间的最短距离,信号在通过电气开关和信号再生器时也会增加额外的延迟。

航空航天与天文学

地球和宇宙飞船之间的通信不能瞬间传输。由于光速有限而造成的信号延迟会随着距离的增加而变得更加明显。当阿波罗8号成为第一艘进入月球轨道的载人飞船时,与地面任务控制中心的通信出现了严重延迟:从地面发送的问题至少需要3秒钟才能得到回答。地球和火星之间的通信延迟从5到20分钟不等,这取决于它们当时的相对位置。如果位于火星表面的机器人遇到问题,地面控制人员需要等待5 ~ 20分钟才能接收到信息,后续指令也需要等待5 ~ 20分钟才能到达火星。地面和木星探测器之间的通信延迟可以达到几个小时。一旦导航出现错误,需要人工干预,就有可能错过机会。

来自其他遥远天体的光和信号需要更长的时间才能到达地球。例如,在哈勃的超深空图像中,来自遥远星系的光在被探测到之前已经飞行了130亿(13 x 109)年。这些图像捕捉到了这些星系130亿年前的样子,当时宇宙还不到10亿岁。有限的光速使天文学家能够观察遥远天体年轻时的样子,从而研究恒星、星系和宇宙的演化。
天文距离有时用光年来表示,特别是在科普作品和媒体报道中。一光年相当于光在一年内走过的距离,大约是9.461万亿公里,或0.3066秒。这颗邻近的恒星是除了太阳之外离地球最近的恒星,距离地球大约4.2光年。

哈勃

测量距离

雷达系统通过发射无线电波并测量电波从目标反射回来的总时间来计算目标的距离。目标的距离是往返飞行时间的一半,乘以光速。全球定位系统(GPS)接收器测量来自各种卫星的无线电信号到达的时间,计算它们与这些卫星的距离,然后计算接收器在地球上的位置。由于光可以在一秒钟内传播30万公里,所以这些时间的测量必须非常精确。月球激光测距实验、射电天文学和深空网络分别利用往返飞行时间来测量月球、主要行星和航天器的距离。

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词条目录
  1. 光速简介
  2. 早期历史
  3. 早期的测定
  4. 光的传播介质-以太的猜想
  5. 狭义相对论
  6. 明确固定光速的数值
  7. 相关理论
  8. 光速不变原理
  9. 光速可变理论
  10. 通讯
  11. 航空航天与天文学
  12. 测量距离

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