你说的没错,速度都是相对参照物的,光速也不例外。只不过光速是个不变的速度,光在真空中的速度对于所有参照物都是不变的,大小为299792458米/秒。从这个意义上说,所有的参考系都是光速的参照物。但从别的意义上说未必如此。下面分别从经典和现代物理两方面回答一下。
十九世纪七十年代,英国物理学家麦克斯韦从他的联立方程组中推导出电磁波的速度是个常数,
后来他根据当时人们对光的认识,大胆预测光就是一种电磁波。但 人们发现电磁作用因观察者不同而不同,电磁作用并不满足相对性原理,看上去的确像与某个绝对参考系有关。 麦克斯韦本人也认为有一个绝对的参考系, 在他看来,不满足伽利略相对性原理(在不同惯性系中电磁波传播速度C是常数违反经典速度合成定理)正好说明了时空是绝对的,对于光(电磁波)而言存在一个特殊的(绝对静止)参考系,比如说充满宇宙空间的“以太”,光是“以太”介质的波动。 在这个特殊参考系中方程取标准形式,光速在各个方向上均以C传播。
麦克斯韦方程组如此的完美,电磁理论如此的成功,这直接启发了人们去做一些相关实验。1881年美国的迈克耳逊和莫雷合作进行了著名的“以太漂移实验”,即干涉实验。本来是为了证明绝对静止参照物“以太”的存在,最后却得出在任何惯性系中光速都是不变的实验结果。针对这些实验结果,像洛伦兹和庞加莱等人试图利用已有理论进行调和解释,他们从根本上并没有摒弃绝对时空观,新理论没有革命性的改变,只能称为“改良”。
1905年,年轻的爱因斯坦用他独特的思维能力,利用当时现有的材料得出了与所有人不同的结论。
他一不小心建立了新的力学理论,颠覆了牛顿力学,摒弃了绝对时空观,建立了相对时空观。他把光速不变上升为一个原理,另外他认为相对性原理应该是一个普遍性的原理,不应只适用于力学,也应该适用于电磁力学,于是他把伽利略相对性原理加以推广成狭义相对性原理,然后把两个原理结合创立了狭义相对论。
正如麦克斯韦等人认为的那样, 光速不变原理和相对性原理从表面上看是相抵触的,这是因为伽利略相对性原理是个不精确的不完善的相对性,它一直没有摆脱绝对时空观的控制或者说利用。说到底它只是一个空间相对性原理,而没有考虑时间的相对性,因此它才不适用于电磁作用方面。 时空的相对性与运动速度有很大关系,在低速时,时间的相对性并不明显,因此伽利略相对性原理还是正确的,到了光速就要考虑时间的相对性。如果考虑上时间的相对性,相对性原理就完全适用电磁作用,光速不变原理正是时间和空间都具有相对性的结果,因而也否定了绝对时空观,否定了绝对静止参考系的存在。反过来也可以讲,正是由于光速不变原理的存在,才使时空的相对性体现出来。 由此可见,光速和时空有着深刻的本质联系,光速是时空的属性。相对于不同的参考系时空是不同的,但光速对于任何参考系却是相同的,这不但说明光的传播不需要特殊的绝对静止的介质或任何别的介质,而且光速的大小也不相对于特殊的绝对静止的参照物或任何别的参照物。
光只和时空联系在一起,同一束光的速度在不同参考系的不变如同同一个时空在不同参考系的不同,正因为时空的相对不同,才使得光速不变,所以 如果非要说光的传播介质是什么?那就是相对的时空。如果非要说光速的参照物是谁?那就是相对的时空。 最后,由于光速问题的复杂性,除了时空,不但没有任何东西能做光速的参照物,反过来光速也不会做任何东西的参照物。那些认为人相对于光是光速的想法是要不得的。
对光子不能胡说八道
一会说光子的质量为零,一会说光子有静止质量和运动质量,其实光子就是微质、微电、微体的高速运动的微观粒子,不能前后说法自相矛盾!
由于空间内的任何点都无法区分、辨别、识别,因此空间不能做参照物。由于没有参照物的任何一个独立物体,不存在运动,也不存在速度,因此运动和速度都是相对的,都必须存在参照物。具体物质存在具体速度,在单位时间上,就存在具体运动距离,也就体现了具体时间的存在,具体光子在一秒钟运动30万公里,这就说明具体光子具有具体时间,而不是说具体光子不存在具体时间,也不是说具体物质达到光速,具体时间就静止了,而不存在具体时间了,毕竟光子也属于物质。假设两个同向的不同光子,其相对速度必然接近零,也就完全没有光速30公里/秒的说法。
光子具有波动性和粒子性,光子就必然有质量,必然有体积,必然有电量,而体积不可能就一定具有球形或完全对称性,可以说光子就是在真空中传播,也未必是绝对的直线传播,光子也可能是曲线传播,而空间也没有绝对理由说明就能弯曲,简直都是一派胡言!
人是一种 社会 动物,其日常的行为举止都会受到当地 社会 风俗习惯的影响,必须服从其所在国的法律和道德的约束。
然而,当一个人进入异国他乡时,其并不会立刻入乡随俗,人的转变要有一个逐渐转变的过程。这一过程的实现,是通过与当地人的交流达成的。
因此,一个人在不同 社会 的转变,和其与该 社会 的交流程度以及自身的适应能力相关。如果来到的是大都市,如果是一个年幼的孩子,需要转变的时间⌚️就很短;反之,如果去的地方是人烟稀少的荒郊野岭,如果其本人是一个饱经风霜的老人
为何光速是宇宙中速度的上限
古希腊神话中有一个叫阿喀琉斯的英雄,他擅长奔跑,不过,古希腊的哲学家却说,这个英雄连乌龟都追不上。哲学家的诡辩是这样的,说,当阿喀琉斯追乌龟追到一半的时候,乌龟自己也爬出去自己的节奏的一半,阿喀琉斯继续追出去距离的一半,乌龟又爬出去自己的一半,这么无限分割下去,最终阿喀琉斯无论跑得多快,都不可能追得上乌龟。
关于这个阿喀琉斯追乌龟的悖论,网上有一大堆跟微积分有关的分析,问题是……微积分可能也有问题,因为微积分认为空间是连续的,事实上呢?空间并不是连续的,而是离散的,这就是为什么量子力学叫量子,能量是一份一份的,并且有一个最小能量的值。跟能量的最小值对应的,空间也有一个尺度的最小值,称为“普朗克尺度”,我们可以把空间看作是按照普朗克尺度来排列的一个三维矩阵。
诶,这个时候,我们再来用量子力学的思维来考察一下追乌龟悖论,发现乌龟这下跑不了了,因为空间不能无限制分割,跑到一定的程度,乌龟的脚下只剩下一站路,就是一个普朗克尺度的距离,然后就被阿喀琉斯给追上了。
说完了这个有趣的故事,我们再来审视一下本期要讨论的重点,光子的飞行,不论是什么样的速度,你必须跨越普朗克尺度的距离,这是物理的底层规律,无法逾越的,正因为如此,所以我们把跨越普朗克尺度的时间,称之为“瞬间”。这个所谓的“瞬间”,对于任何物体都是一样的,无论是阿喀琉斯、乌龟,还是光子,都是一瞬间,在这个尺度上,宇宙中的任何物质都以同样的速度跨越。如果所有的运动跨越了普朗克尺度之后什么都不发生,而是全须全尾地赶往下一个普朗克尺度的节点,那么这个宇宙的速度上限就不是光速了,而是瞬间,所以,在最小节点的节点上,必定会发生一些什么。
光子是在真空中飞行,然而,真空并不空,最先发现这种情况的科学家是狄拉克,所以真空又被称为狄拉克之海,这里充满了各种各样的粒子和虚粒子,它们总是成对儿地出现,往往互相抵消了,以至于很难被观测到,所以总体来看真空还是空荡荡的。真空的能量涨落有具体的数值被称为“真空零点能”,真空零点能的理论值非常巨大,不过真实的天文观测值很小,只有每立方厘米2乘以10的-17次方焦耳。理论值的矛盾我们暂且放在一边,就这一点点能量,就足以影响速度了。
所有的能量都是有方向的,而正前方的能量跟入射光子的能量方向相同的概率,基本为零,所以,真空零点能的存在,绝大多数情况下,是影响光子的速度的,一旦光子遇到真空能,就会停顿一下,整个路线上的量子涨落的能量,就决定了光子前进的速度。
光子具体被扰动的方式,跟真空中偶然出现的电子有关,光子和电子的相互作用大家都知道,只要碰到电子,那就可能把光子吸收,而电子本身就从更低的能态跃迁到更高的能态,甚至没有碰到电子,光子也有可能从真空中提取出一个电子,因为根据狄拉克对真空的认识,整个宇宙都被电子填满了,只不过平时处于量子场的基态,只要有光子路过,就可能让电子从基态变成激发态,凭空产生出电子来。
光子的能量要非常高,才容易观察到从真空中提取电子的现象,不过,这个逆过程就比较容易观察,就是真空对电子运动轨迹的影响。大家知道,氢原子是非常简单的系统,氢原子核非常小,以至于整个氢原子中的电子就像在真空中漫游,对电子的能量进行检测,就会发现能量有时候大,有时候小,这种现象被物理学家证实了,被称为“兰姆位移”。
光子并不容易被真空吸收,不过,看不见并不等于它不存在,而这个看不见的能量,就是光子前进的阻力。这种阻力并不仅仅对光子起作用,其实,所有光速前进的东西,都受到真空阻力的作用,还有两样东西是:中微子和引力波。
光子在前进中受到量子涨落的电磁相互作用的阻碍,而中微子受到的是弱相互作用的阻碍,引力波则受到任何有质量粒子的阻碍,这三者的速度是一模一样的。天文学家已经观察到数以亿计光年之外的黑洞合并,引力波、伽马射线暴和中微子到达地球的时间是同时的,这么远,速度还是一样,这种不可思议的巧合,足以让科学家认定,宇宙间的所有四种相互作用都是统一的,而把它们联系在一起的,最显著的就是宇宙速度的上限——光速。
你可能听说过一句话,说有质量的物体不可能达到光速,这句话显然过时了,因为中微子就有质量,但因为中微子是中性的,可以轻松穿越一光年厚度的铅板而不发生任何变化,可惜中微子也不能为所欲为,真空涨落产生的弱相互作用,一样制约着中微子的速度,让它从“瞬间”坍缩成为光速。
任何有电荷的物质都不可能达到光速,这倒是真的,如果你想制造一艘光速飞船,唯一的办法就是用中子做材料,去中子星挖矿吧。
总结一下,光速上限是由真空的能量的基态所决定的,不管是光子、中微子还是引力波,穿过真空的时候都会情不自禁地被量子涨落阻碍,阻碍的细节其实就是质量和能量之间的转换,光子可以跟电子转换,中微子通过弱相互作用转换,引力波直接影响空间本身,不过,质能转换的效率在整个宇宙都是一样的,也就是说,把我们所说的三种相互作用的质能切分到最小的能量单位的效率是一样的,所以作为相互作用传递的三种媒介,拥有百分百相同的速度。至于宇宙中的第四种相互作用,因为传递的介质是胶子,本身拥有很大的质量,作用的距离只限于原子核尺度,所以考虑胶子的速度没什么意义。
最近耶鲁大学观察到量子跃迁之前会有征兆,表明量子跃迁是需要时间的,这个时间很短,但是仍然可以衡量,这意味着量子跃迁可以被预测,也有可能被阻止,这短暂的微小时间,也许就是三种光速媒介传播速度的奥义所在,在将来,科学家可能通过统一的质能转换效率来实现大统一理论,真希望爱因斯坦能看到这个节目,受到启发,然后凭借他老人家的本事实现大统一理论。
今天的烧脑知识就给大家介绍到这儿,猩猩打字机,偶尔也做做烧脑锻炼,希望没有把你的大脑烧坏,如果没烧坏,我们下期再见吧!
为什么人不能为所欲为呢?因为,一个人的行为会影响到他人的权益。人是 社会 动物,其行为举止必然会受到当地 社会 的法律与道德的约束。在自然界也是如此,一个有机的世界,不存在绝对独立和自由的物体。否则的话,现实的世界就成为一盘散沙了。
我们的宇宙是自然界的一部分,其是一个相对独立的封闭体系。因此,宇宙是由不可再分的最小粒子——量子构成的。普朗克常数h的存在也证明了量子的存在。因为,能量是关于粒子运动能力的度量,只有存在着最小粒子,才能够使能量具有不连续性,从而避免了紫外灾变的发生。
所以,在宇宙的内部有两种基本的存在形式,其一是离散的量子,属于能量的范畴;其二是由量子的运动所形成的封闭体系,属于物质的范畴。这就是为什么,能量与质量相对应的原因。而且,也正是因为两者共同的本质都是量子,只是它们的存在形式不同,所以能量与质量可以发生相互的转换。
于是,离散的量子构成宇宙的本底物理背景,即形成了量子空间;而作为封闭体系的物质就是基本粒子、原子和分子等,是我们认识的物理对象。因此,任何物体的运动都是相对于量子空间而言的,它们的行为受到了该空间的影响与束缚。
如果我们把量子比作人的话,那么量子空间就是人类 社会 ,基态量子为普通大众,受到激发的量子即光子就是 社会 精英,基本粒子相当于家庭,原子和分子是 社会 团体和各级组织,而宏观物质与天体则是国家和民族。
由于光子的本质是量子,其本征参量是量纲为粒子角动量的普朗克常数h;所以,光子的本征质量和半径都是大于零的,其是宇宙中唯一的实体粒子,是构成宇宙的基石。至于其他的粒子,在本质上是量子气球。它们是由量子聚集起来的耗散结构,反而并非实体。
于是,光子和其他物体一样,其运动会受到了量子空间的束缚,从而使光子的外在能量分为动能和势能。如果没有量子空间的存在,光子的能量全部以动能的形式存在,属于经典力学的情况,此时的光速最大。然而,由于量子空间的存在,该空间将光子的部分动能压缩为相对于量子空间的势能。这就好比是人群密集的闹市,降低了我们行走的速度。
所以,光速的大小,受到了量子空间的限制。光速并不是一个神秘的自然常数,其只是一个与量子空间密度相关的普通物理参量。在宇宙膨胀之初,量子空间的密度极大,从而使光速受到了极限地压缩,其近似于零。后来,随着宇宙的膨胀,量子空间的密度逐渐降低,才逐步释放了光子的动能,使光速得到了不断地增大。
因此,目前的光速c,其具体的数值是与当前量子空间的密度相对应的。如果宇宙进一步地膨胀,则量子空间会继续降低其密度,从而逐渐地解除对光速的限制,使光速得到不断地提高。
总之,如果我们从二维的观点看问题,考虑到存在着作为物理背景的量子空间;那么,光子的行为受到约束,从而使其运动速度受到限制,就只是一个普通的物理事件,并不存在任何诡异的玄机。推而广之,这种二维的观点,不正是我们在日常的生活、学习与工作中所应该持有的吗?!
是谁说的宇宙要限制光速,那么请问,太阳和月亮,发出的光是不是光速,如果是光速,太阳光8分多钟就到地球了,月亮离地球近点1秒多光就到地球了,看来宇宙还没有限制光速,如果真的被宇宙空间限制了光速,那么太阳光和月亮光是如何那么快就照到地球的呢,难道是宇宙特批的,还是开后门来的,这个问题还真的要考虑考虑。
宇宙空间达到光速的物质一直就很多,比如说奥陌陌贵宾,来到太阳系转了几圈觉得没意思就想离开,如果没有超光速的本事还真离不开太阳系呢,还有一些跑偏了轨道的小行星之类的等,它们跑起来的速度甚至超过光速,不过都被木星挡住了,否则撞到地球就麻烦了,还有像天上的小流星,在空间一闪就没见了,如果说宇宙真要限制光速,那也是限制地球人类和外星人的,为什么呢,因为地球人类这么长时间了,到目前为止还没有设计出达到光速的设备来,连能源和材料在地球上还没找到,即使找到了也不够,估计,地球上没有这些能源和材料呢,也可以说地球本来就不具备这方面的物质,所以人类再努力也造不出能达到光速或接近光速的产品了,这也就意为着宇宙限制了光速,那么外星人也没有达到光速的设备吗?估计也还没有,因为也被宇宙限制了光速,否则,不早就主动来找地球人了。
可是宇宙为何要限制光速呢,难道真的有什么森林法则或别的什么规定和目的,或者光速能破坏宇宙真空,是不允许星系与星系之间的往来,还是不允许各星球上的生物包括人类等互相来往,这似乎不像宇宙的口味和风格,可以说宇宙空间已经达到了顶级文明,没有什么秘密可严,应该是公开的,而且宇宙空间内物质丰富,特别是地球,人类肯定能研究造出达光速的办法来,而且生产设备的能源及材料也肯定有,只是暂时人类还未发现而已,总之,谁先有了超光速的设施,谁就有本事能把宇宙研究透,那谁就是宇宙之主了,这其中的“谁”,除了太阳系的地球人类,也包括外星人,就看最后谁有本事了,反正笑到最后的才是赢家。
光速 光速定义值:c=299792458m/s
光速计算值:c=(29979250±010)km/s
英文:speed of light/ velocity of light
定义:光波或电磁波在真空或介质中的传播速度,没有任何物体或信息运动的速度可以超过光速。
理论:
人无论靠什么推进器,速度都是无法达到光速的,更不要说超光速了。因为,有质量的物体的运动速度是不可能达到光速的。原理如下:
首先,我们来了解一下质能等价理论。质能等价理论是爱因斯坦狭义相对论的最重要的推论,即著名的方程式E=mC²,式(质能方程)中为E能量,单位电子伏特(eV),m为质量,单位MeV/c² ,C为光速;也就是说,一切物质都潜藏着质量乘于光速平方的能量。
一个静止的物体,其全部的能量都包含在静止的质量中。一旦运动,就要产生动能。由于质量和能量等价,运动中所具有的能量应加到质量上,也就是说,运动的物体的质量会增加。当物体的运动速度远低于光速时,增加的质量微乎其微,如速度达到光速的01时,质量只增加05%。但随着速度接近光速,其增加的质量就显著了。如速度达到光速的09时,其质量增加了一倍多。这时,物体继续加速就需要更多的能量。当速度趋近光速时,质量随着速度的增加而直线上升,速度无限接近光速时,质量趋向于无限大,需要无限多的能量。因此,任何物体的运动速度不可能达到光速,只有质量为零的粒子才可以以光速运动,如光子。
若考虑微观状态(量子力学),有可能超过光速。
黑洞的存在与光速没有关系,黑洞是由于引力场使空间弯曲造成的,不会影响光速 。
真空中的光速是一个物理常数(符号是c),等于299,792,458米/秒。
光速的测量方法: 最早光速的准确数值是通过观测木星对其卫星的掩食测量的。还有转动齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法。
1983年,光速取代了保存在巴黎国际计量局的铂制米原器被选作定义“米”的标准,并且约定光速严格等于299,792,458米/秒,此数值与当时的米的定义和秒的定义一致。后来,随着实验精度的不断提高,光速的数值有所改变,米被定义为1/299,792,458秒内光通过的路程。
根据现代物理学,所有电磁波,包括可见光,在真空中的速度是常数,即是光速。强相互作用、电磁作用、弱相互作用传播的速度都是光速,根据广义相对论,万有引力传播的速度也是光速,且已于2003年得以证实。根据电磁学的定律,发放电磁波的物件的速度不会影响电磁波的速度。结合相对性原则,观察者的参考坐标和发放光波的物件的速度不会影响被测量的光速,但会影响波长而产生红移、蓝移。这是狭义相对论的基础。相对论探讨的是光速而不是光,就算光被稍微减慢,也不会影响狭义相对论。
一、光速测定的天文学方法
1.罗默的卫星蚀法
光速的测量,首先在天文学上获得成功,这是因为宇宙广阔的空间提供了测量光速所需要的足够大的距离.早在1676年丹麦天文学家罗默(1644—1710)首先测量了光速.由于任何周期性的变化过程都可当作时钟,他成功地找到了离观察者非常遥远而相当准确的“时钟”,罗默在观察时所用的是木星每隔一定周期所出现的一次卫星蚀.他在观察时注意到:连续两次卫星蚀相隔的时间,当地球背离木星运动时,要比地球迎向木星运动时要长一些,他用光的传播速度是有限的来解释这个现象.光从木星发出(实际上是木星的卫星发出),当地球离开木星运动时,光必须追上地球,因而从地面上观察木星的两次卫星蚀相隔的时间,要比实际相隔的时间长一些;当地球迎向木星运动时,这个时间就短一些.因为卫星绕木星的周期不大(约为175天),所以上述时间差数,在最合适的时间(上图中地球运行到轨道上的A和A’两点时)不致超过15秒(地球的公转轨道速度约为30千米/秒).因此,为了取得可靠的结果,当时的观察曾在整年中连续地进行.罗默通过观察从卫星蚀的时间变化和地球轨道直径求出了光速.由于当时只知道地球轨道半径的近似值,故求出的光速只有214300km/s.这个光速值尽管离光速的准确值相差甚远,但它却是测定光速历史上的第一个记录.后来人们用照相方法测量木星卫星蚀的时间,并在地球轨道半径测量准确度提高后,用罗默法求得的光速为299840±60km/s.
2.布莱德雷的光行差法
1728年,英国天文学家布莱德雷(1693—1762)采用恒星的光行差法,再一次得出光速是一有限的物理量.布莱德雷在地球上观察恒星时,发现恒星的视位置在不断地变化,在一年之内,所有恒星似乎都在天顶上绕着半长轴相等的椭圆运行了一周.他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间,而在此时间内,地球已因公转而发生了位置的变化.他由此测得光速为:C=299930千米/秒
这一数值与实际值比较接近.
以上仅是利用天文学的现象和观察数值对光速的测定,而在实验室内限于当时的条件,测定光速尚不能实现.
二、光速测定的大地测量方法
光速的测定包含着对光所通过的距离和所需时间的量度,由于光速很大,所以必须测量一个很长的距离和一个很短的时间,大地测量法就是围绕着如何准确测定距离和时间而设计的各种方法.
1.伽利略测定光速的方法
物理学发展史上,最早提出测量光速的是意大利物理学家伽利略.1607年在他的实验中,让相距甚远的两个观察者,各执一盏能遮闭的灯,如图所示:观察者A打开灯光,经过一定时间后,光到达观察者B,B立即打开自己的灯光,过了某一时间后,此信号回到A,于是A可以记下从他自己开灯的一瞬间,到信号从B返回到A的一瞬间所经过的时间间隔t.若两观察者的距离为S,则光的速度为c=2s/t
因为光速很大,加之观察者还要有一定的反应时间,所以伽利略的尝试没有成功.如果用反射镜来代替B,那么情况有所改善,这样就可以避免观察者所引入的误差.这种测量原理长远地保留在后来的一切测定光速的实验方法之中.甚至在现代测定光速的实验中仍然采用.但在信号接收上和时间测量上,要采用可靠的方法.使用这些方法甚至能在不太长的距离上测定光速,并达到足够高的精确度.
2.旋转齿轮法
用实验方法测定光速首先是在1849年由斐索实验.他用定期遮断光线的方法(旋转齿轮法)进行自动记录.实验示意图如下.从光源s发出的光经会聚透镜L1射到半镀银的镜面A,由此反射后在齿轮W的齿a和a’之间的空隙内会聚,再经透镜L2和L3而达到反射镜M,然后再反射回来.又通过半镀镜A由L4集聚后射入观察者的眼睛E.如使齿轮转动,那么在光达到M镜后再反射回来时所经过的时间△t内,齿轮将转过一个角度.如果这时a与a’之间的空隙为齿a(或a’)所占据,则反射回来的光将被遮断,因而观察者将看不到光.但如齿轮转到这样一个角度,使由M镜反射回来的光从另一齿间空隙通过,那么观察者会重新看到光,当齿轮转动得更快,反射光又被另一个齿遮断时,光又消失.这样,当齿轮转速由零而逐渐加快时,在E处将看到闪光.由齿轮转速v、齿数n与齿轮和M的间距L可推得光速c=4nvL.
在斐索所做的实验中,当具有720齿的齿轮,一秒钟内转动1267次时,光将首次被挡住而消失,空隙与轮齿交替所需时间为
在这一时间内,光所经过的光程为2×8633米,所以光速c=2×8633×18244=315×108(m/s).
在对信号的发出和返回接收时刻能作自动记录的遮断法除旋转齿轮法外,在现代还采用克尔盒法.1941年安德孙用克尔盒法测得:c=299776±6km/s,1951年贝格斯格兰又用克尔盒法测得c=2997931±03km/s.
3.旋转镜法
旋转镜法的主要特点是能对信号的传播时间作精确测量.1851年傅科成功地运用此法测定了光速.旋转镜法的原理早在1834年1838年就已为惠更斯和阿拉果提出过,它主要用一个高速均匀转动的镜面来代替齿轮装置.由于光源较强,而且聚焦得较好.因此能极其精密地测量很短的时间间隔.实验装置如图所示.从光源s所发出的光通过半镀银的镜面M1后,经过透镜L射在绕O轴旋转的平面反射镜M2上O轴与图面垂直.光从M2反射而会聚到凹面反射镜M3上,M3的曲率中心恰在O轴上,所以光线由M3对称地反射,并在s′点产生光源的像.当M2的转速足够快时,像S′的位置将改变到s〃,相对于可视M2为不转时的位置移动了△s的距离可以推导出光速值。式中w为M2转动的角速度.l0为M2到M3的间距,l为透镜L到光源S的间距,△s为s的像移动的距离.因此直接测量w、l、l0、△s,便可求得光速。
在傅科的实验中:L=4米,L0=20米,△s=00007米,W=800×2π弧度/秒,他求得光速值c=298000±500km/s.
另外,傅科还利用这个实验的基本原理,首次测出了光在介质(水)中的速度v<c,这是对波动说的有力证据.
3.旋转棱镜法
迈克耳逊把齿轮法和旋转镜法结合起来,创造了旋转棱镜法装置.因为齿轮法之所以不够准确,是由于不仅当齿的中央将光遮断时变暗,而且当齿的边缘遮断光时也是如此.因此不能精确地测定象消失的瞬时.旋转镜法也不够精确,因为在该法中象的位移△s太小,只有07毫米,不易测准.迈克耳逊的旋转镜法克服了这些缺点.他用一个正八面钢质棱镜代替了旋转镜法中的旋转平面镜,从而光路大大的增长,并利用精确地测定棱镜的转动速度代替测齿轮法中的齿轮转速测出光走完整个路程所需的时间,从而减少了测量误差.从1879年至1926年,迈克耳逊曾前后从事光速的测量工作近五十年,在这方面付出了极大的劳动.1926年他的最后一个光速测定值为
c=299796km/s
这是当时最精确的测定值,很快成为当时光速的公认值.
三、光速测定的实验室方法(高中课本有)
光速测定的天文学方法和大地测量方法,都是采用测定光信号的传播距离和传播时间来确定光速的.这就要求要尽可能地增加光程,改进时间测量的准确性.这在实验室里一般是受时空限制的,而只能在大地野外进行,如斐索的旋轮齿轮法当时是在巴黎的苏冷与达蒙玛特勒相距8633米的两地进行的.傅科的旋转镜法当时也是在野外,迈克耳逊当时是在相距35373.21米的两个山峰上完成的.现代科学技术的发展,使人们可以使用更小更精确地实验仪器在实验室中进行光速的测量.
1.微波谐振腔法
1950年埃森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速.在他的实验中,将微波输入到圆柱形的谐振腔中,当微波波长和谐振腔的几何尺寸匹配时,谐振腔的圆周长πD和波长之比有如下的关系:πD=2404825λ,因此可以通过谐振腔直径的测定来确定波长,而直径则用干涉法测量;频率用逐级差频法测定.测量精度达10-7.在埃森的实验中,所用微波的波长为10厘米,所得光速的结果为2997925±1km/s.
2.激光测速法(大学课本)
1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速.这个方法的原理是同时测定激光的波长和频率来确定光速(c=νλ).由于激光的频率和波长的测量精确度已大大提高,所以用激光测速法的测量精度可达10-9,比以前已有最精密的实验方法提高精度约100倍.
除了以上介绍的几种测量光速的方法外,还有许多十分精确的测定光速的方法.
根据1975年第十五届国际计量大会的决议,现代真空中光速的最可靠值是:
c=299792458±0001km/s
接近光速时的速度合成
接近光速情况下,笛卡尔坐标系不再适用。同样测量光线离开自己的速度,一个快速追光的人与一个静止的人会测得相同的速度(光速)。这与日常生活中对速度的概念有异。两车以50km/h的速度迎面飞驰,司机会感觉对方的车以50 + 50 = 100km/h行驶,即与自己静止而对方以100km/h迎面驶来的情况无异。但当速度接近光速时,实验证明简单加法计算速度不再奏效。当两飞船以90%光速的速度(对第三者来说)迎面飞行时,船上的人不会感觉对方的飞船以90%c+90%c=180%c光速速度迎面飞来,而只是以稍低于995%的光速速度行驶。结果可从爱因斯坦计算速度的算式得出:
v和w是对第三者来说飞船的速度,u是感受的速度,c是光速。
不同介质中的光速
真空中的光速 真空中的光速是一个重要的物理常量,国际公认值为c=299,792,458米/秒。17世纪前人们以为光速为无限大,意大利物理学家G伽利略曾对此提出怀疑,并试图通过实验来检验,但因过于粗糙而未获成功。1676年,丹麦天文学家OC罗默利用木星卫星的星蚀时间变化证实光是以有限速度传播的。1727年,英国天文学家J布拉得雷利用恒星光行差现象估算出光速值为c=303000千米/秒。
1849年,法国物理学家AHL菲佐用旋转齿轮法首次在地面实验室中成功地进行了光速测量,最早的结果为c=315000千米/秒。1862年,法国实验物理学家J-B-L傅科根据DFJ阿拉戈的设想用旋转镜法测得光速为c=(298000±500)千米/秒。19世纪中叶JC麦克斯韦建立了电磁场理论,他根据电磁波动方程曾指出,电磁波在真空中的传播速度等于静电单位电量与电磁单位电量的比值,只要在实验上分别用这两种单位测量同一电量(或电流),就可算出电磁波的波速。1856年,R科尔劳施和W韦伯完成了有关测量,麦克斯韦根据他们的数据计算出电磁波在真空中的波速值为31074×105千米/秒,此值与菲佐的结果十分接近,这对人们确认光是电磁波起过很大作用。
1926年,美国物理学家AA迈克耳孙改进了傅科的实验,测得c=(299796±4)千米/秒,他于1929年在真空中重做了此实验,测得c=299774千米/秒。后来有人用光开关(克尔盒)代替齿轮转动以改进菲佐的实验,其精度比旋转镜法提高了两个数量级。1952年,英国实验物理学家KD费罗姆用微波干涉仪法测量光速,得c=(29979250±010)千米/秒。此值于1957年被推荐为国际推荐值使用,直至1973年。
1972年,美国的KM埃文森等人直接测量激光频率ν和真空中的波长λ,按公式c=νλ算得c=(299792458±12)米/秒。1975年第15届国际计量大会确认上述光速值作为国际推荐值使用。1983年17届国际计量大会通过了米的新定义,在这定义中光速c=299792458米/秒为规定值,而长度单位米由这个规定值定义。既然真空中的光速已成为定义值,以后就不需对光速进行任何测量了。
介质中的光速 不同介质中有不同的光速值。1850年菲佐用齿轮法测定了光在水中的速度,证明水中光速小于空气中的光速。几乎在同时,傅科用旋转镜法也测量了水中的光速(3/4c),得到了同样结论。这一实验结果与光的波粒二象性相一致而与牛顿的微粒说相矛盾(解释光的折射定律时),这对光的波动本性的确立在历史上曾起过重要作用。1851年,菲佐用干涉法测量了运动介质中的光速,证实了A-J菲涅耳的曳引公式。 [玻璃中光速2/3c]
光在水中的速度:225×10^8m/s
光在玻璃中的速度:20×10^8m/s
光在冰中的速度:230×10^8m/s
光在空气中的速度:30×10^8m/s
光在酒精中的速度:22×10^8m/s
上述理论只在19世纪70年代基本准确,在爱因斯坦<<广义相对论>>中,光速是这样阐述的:物体运动接近光速时,时间变得缓慢,当物体运动等于光速时,时间静止,当物体运动超过光速时,时间倒流这三个推断是19世纪70年代初中期国际天文机构观察探测日食时得以证实,而目前得以证实人类超过光速的机器是俄罗斯时间机器,它可以使当地时间倒退一秒,而耗电量是整个莫斯科市三年的用电量
E=mc^2推导
第一步:要讨论能量随质量变化,先要从量纲得知思路:
能量量纲[E]=[M]([L]^2)([T]^(-2)),即能量量纲等于质量量纲和长度量纲的平方以及时间量纲的负二次方三者乘积。
我们需要把能量对于质量的函数形式化简到最简,那么就要求能量函数中除了质量,最好只有一个其它的变量。
把([L]^2)([T]^(-2))化简,可以得到只有一个量纲-速度[V_]的形式:
[V_][V_]。
也就是[E]=[M][V_][V_]
可见我们要讨论质能关系,最简单的途径是从速度v_下手。
----------------------------------------------------
第二步:先要考虑能量的变化
与能量的变化有关的有各种能量形式的转化,其中直接和质量有关的只有做功。
那么先来考虑做功对于能量变化的影响。
当外力F_(后面加_表示矢量,不加表示标量)作用在静止质量为m0的质点上时,每产生ds_(位移s_的微分)的位移,物体能量增加
dE=F_ds_(表示点乘)。
考虑最简化的 外力与位移方向相同的情况,上式变成
dE=Fds
----------------------------------------
第三步:怎样把力做功和速度v变化联系起来呢?也就是说怎样来通过力的作用效果来得出速度的变化呢?
我们知道力对物体的冲量等于物体动量的增量。那么,通过动量定理,力和能量就联系起来了:
F_dt=dP_=mdv_
----------------------------------------
第四步:上式中显然还要参考m质量这个变量,而我们不想让质量的加入把我们力和速度的关系复杂化。我们想找到一种办法约掉m,这样就能得到纯粹的速度和力的关系。
参考dE=Fds和F_dt=dP_,我们知道,v_=ds_/dt
那么可以得到
dE=v_dP_
如果考虑最简单的形式:当速度改变和动量改变方向相同:
dE=vdP
---------------------------------
第五步:把上式化成能量和质量以及速度三者的关系式(因为我们最初就是要讨论这个形式):
dE=vd(mv)----因为dP=d(mv)
---------------------------------
第六步:把上式按照微分乘法分解
dE=v^2dm+mvdv
这个式子说明:能量的增量含有质量因速度增加而增加dm产生的能量增量和单纯速度增加产生的能量增量2个部分。(这个观点非常重要,在相对论之前,人们虽然在理论物理推导中认识到质量增加也会产生能量增量,但是都习惯性认为质量不会随运动速度增加而变化,也就是误以为dm恒定为0,这是经典物理学的最大错误之一。)
---------------------------------
第七步:我们不知道质量随速度增加产生的增量dm是怎样的,现在要研究它到底如何随速度增加(也就是质量增量dm和速度增量dv之间的直接关系):
根据洛仑兹变换推导出的静止质量和运动质量公式:
m=m0[1-(v^2/c^2)]^(-1/2)
化简成整数次幂形式:
m^2=(m0^2)[1-(v^2/c^2)]
化成没有分母而且m和m0分别处于等号两侧的形式(这样就是得到运动质量m对于速度变化和静止质量的纯粹的函数形式):
(m^2)(c^2-v^2)=(m0^2)c^2
用上式对速度v求导得到dm/dv(之所以要这样做,就是要找到质量增量dm和速度增量dv之间最直接的关系,我们这一步的根本目的就是这个):
d[(m^2)(c²-v²)]/dv=d[(m0²)c²]/dv(注意式子等号右边是常数的求导,结果为0)
即
[d(m²)/dv](c²-v²)+m²[d(c²-v²)/dv]=0
即
[m(dm/dv)+m(dm/dv)](c²-v²)+(m²)[0-2v]=0
即
2m(dm/dv)(c²-v²)-2vm²=0
约掉公因式2m(肯定不是0,呵呵,运动质量为0?没听说过)
得到:
(dm/dv)(c²-V²)-mv=0
即
(dm/dv)(c^2-V^2)=mv
由于dv不等于0(我们研究的就是非静止的情况,运动系速度对于静止系的增量当然不为0)
(c^2-v^2)dm=mvdv
这就是我们最终得到的dm和dv的直接关系。
--------------------------------------------
第八步:有了dm的函数,代回到我们第六步的能量增量式
dE=v^2dm+mvdv
=v^2dm+(c^2-v^2)dm
=c^2dm
这就是质能关系式的微分形式,它说明:质量的增量与能量的增量成正比,而且比例系数是常数c^2。
------------------------------------------
最后一步:推论出物体从静止到运动速度为v的过程中,总的能量增量:
对上一步的结论进行积分,积分区间取质量从静止质量m0到运动质量m,得到
∫dE=∫[m0~m]c^2dm
即
E=mc^2-m0c^2
这就是 物体从静止到运动速度为v的过程中,总的能量增量。
其中
E0=m0c^2称为物体静止时候的静止能量。
Ev=mc^2称为物体运动时候的总动能(运动总能量)。
总结:对于任何已知运动质量为m的物体,可以用E=mc^2直接计算出它的运动动能。
关于光速
光在水中的速度:225×10^8m/s
光在玻璃中的速度:20×10^8m/s
光在冰中的速度:230×10^8m/s
光在空气中的速度:30×10^8m/s
光在酒精中的速度:22×10^8m/s
同学们知道这个速度相对什么说的吧?是介质,而不关心介质的整体,是以什么速度运动。就是说如果测量系以一定速度运动,则光速是测量系速度加光在介质中的速度,至少低速时近似如此,这一点维护相对论的也不否认。
以声音实验为例:空气对地面静止,第1次我们不动测得我们发出的声音1秒钟前进了300米;第二次我们1秒钟匀速后退1米,测得声音距我们301米,得到结论:两次声音相对地面速度不变,相对我们,第一次300米/秒;第2次301米/秒。
换做光实验,同样结果。我们用玻璃介质再做一次,同样结果,我们再做一个我们不动,让玻璃带着光匀速运动的实验,会发现光对玻璃依然是光速,因为它的传递条件没有任何改变,而对我们,光速改变了,是静止光速+玻璃速度。
要么承认光速可变,要么承认声速也是不变的。
相对论在什么情况下有可能可用呢?
爱因斯坦说:任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着,不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”
大学物理中光速不变原理:在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参考系中,所测得的光在真空中的传播速度都是相等的。
可见,大学教材,已经认为非真空的光速可变,但是这样定义带来另一个问题,相对论,只在真空中可用,在通常的大气条件下,不可用,这又让一些相对论的盲目追随者不知所措。同学们想参与科学探讨是好的,要先丰富一下自己知识。
事实上,你可能会看见它,这时它刚刚经过你的身旁。但是当这个物体向着你的方向超光速驶来的时候,你却没法看见它,就算它是在你的视线当中!假设一个物体的速度是超光速的,那么从物体上反射出来的光线到你的眼睛接受这个光线的时间就会被延迟。此时,这个物体会比它身上所反射出的光先接近你,当物体经过你的身旁时,物体所反射出来的光才到达你的位置。当物体经过你的身旁时,它一直保持着隐形的状态,直到它身上反射出的光线在一定时间内被你所接收。 在现实生活中,如果存在着这样高速运动的物体,它可能会留下一个蓝红色模糊的形象,这是由于我们的大脑的处理时间有限。这里出现的超瞬态,蓝红移动的光,是由于“多普勒频移”,这将会在下面作出解释。
源点的运动引起波长变化
当物体正在穿过或刚刚穿过你时,首先你会看到蓝移的光接近你(由于波长的聚集或缩短导致随着光的频率增加,对于一个靠近的物体会发生多普勒蓝移),然后你会看到当物体远离你时来自它红移的光(由于波长的伸展导致随着光的频率减小,对于一个远离的物体会发生多普勒红移)到达你的时间较晚,还会导致双向出现的分裂图像!图像会是模糊的。
天鹅周围水流的多普勒效应
一种更简单的表述方法是你会看到来自物体的蓝移光,而离开物体的红移光会在物体经过后导致反方向的分裂图像(以下是我的文学表述:我没有看到你经过,但你在分裂图像中是又蓝又红的,这是为什么?这是如何发生的?)这种情况与一种不太复杂的情况类似:一家超音速飞机经过你时,你并没有听到它的声音,但当它经过你身边后,你却听到了它的轰鸣声,声音的传播是滞后的。
不过,光的情况要复杂得多,这一点你可以从上面看出。饶有兴趣的是,假如你没有看到一个速度比光速大的物体接近(你没有寻找距离,你也同样错过了蓝移),一旦这个物体从你身边经过,你可能会在看到物体前端之前首先看到物体后端,因为来自你较近一侧的光线会比远处的光线先一步靠近你!从理论上讲,物体超过光速的速度越快,它经过你之后的时间会越长。如果你错过了靠近物体的延迟光,你会首先看到物体后面的红移光(离你更近),然后是物体前面的红移光(离你稍远),并且物体可能呈拉伸状,因为光到达你眼睛和大脑的时间会更长。
同样的现象也会发生在假想的超光速粒子上。超光速粒子是一种微粒或物质,它的运动速度比光速还快,但是目前我们还不确定这样的粒子是否存在。当物体的相对论速度非常接近光速时,上述现象与爱因斯坦-洛伦兹尺缩效应在位移方向上的表现不同。不过请注意,这并不是同一件事。
然而,这里有一种特殊情况。当光穿过一种介质时速度会被减慢,小于光速,而那些从外太空或者反应堆内部来的核反应堆高能粒子(如中微子)穿过同一种介质时(例如水),可以以光速传播或者是接近光速的速度传播,这个速度要大于光在这种介质中传播的速度。然后会发生什么呢?接下来从那些粒子中辐射出的光也会同样被延迟,这种光属于蓝色光谱,可以使核反应堆的水槽呈现蓝色。
这是一种被称作“契伦科夫辐射”的真实现象。它以俄国伟大的物理学家契伦科夫命名。契伦科夫也因在这个现象上的发现获得了1958年的诺贝尔物理学奖。契伦科夫辐射是1987年探测到从外太空返回的中微子的基础。如果不是1987年我们发现了中微子也有极小的质量,我们或许到现在都会以为中微子是没有质量的。
中微子微小质量的发现也导致了1988年另一个诺贝尔物理学奖的产生。现在,我将讨论与中微子有关的其他一些东西,它们带来了一个有趣的想法和可能性。在1987年的观察中众多科学家发现,某些种类的中微子表现出来的特征就像无质量粒子(例如光子)。这些中微子可以以光速传播,尽管它们有微小的质量(根据狭义相对论,中微子的传播速度极快,接近光速,但不能达到或超过光速)。这是粒子和相对论物理研究的一个盲区,没有人想过在这方面的问题做些解释。
可当有质量的东西涉及于此的时候这怎么可能呢 那在不违背爱因斯坦狭义相对论的条件下中微子转变成“无质量状态“可不可以做到呢?据我所知答案来源于狭义相对论本身和爱因斯坦质能方程。 很有可能的是,遵循于爱因斯坦质能等效关系,在漫长的星际旅行中,中微子可以转变成能量形式,表现得更像是“无质量粒子”,例如我所推测的光子。我们还不知道质量极小的粒子如何天然地转变为能量并表现为像光子一样的“无质量的粒子“,它们是怎么并何时”知道“这样做的,或者如有需要它们是如何被自然”编程“来达到目的的?假设这就是所发生的并且似乎是种自然驱动机制,那么具有极小质量的粒子就可以根据质能方程进行能量转化,从而能够表现得像”无质量粒子“和光子。
我已经在我的很多文章中从科学直观合理的角度写下了这种可能性,这其中没有受益于任何早在2017年的信息和数据,并且最近发现,关于我所谓可能的”基于需求的转化“(我的话)在一些科学圈子正有类似的考虑,但是”了解需求“并激活这种转化的操作仍然不清楚…在这种情况下,中微子和具有类似行为的其他粒子应该能够在质量和能量之间来回切换,因为它们将是等效的转换! 这些想法似乎有一种“悄悄地”神秘的气氛。 我认为人们可以肯定地说,自然在乎它,并且在法律,原则和活动中也具有可转换性,随着时间变化,更多证据的积累使这一点变得更加清晰。
相关知识
真空中的光速,通常用c表示,是一个普遍的物理常数,在物理学中很多领域都很重要。它的确切值被定义为299792458 m/s(大概等于300000 km/s,或者186000 mi/s。它的值是确切的,是因为根据国际协定,“一米”被定义为在1/299792458 s的时间间隔内,光在真空中行进路径的长度。根据狭义相对论,c是常规的事物和信息传播速度的上限值。
虽然这个速度通常是表示光速,但它也是所有无质量粒子和场波动在真空中运动的速度,包括电磁辐射和引力波。不论它们源的运动或者是观察者的惯性参考系如何,这种粒子和波都是以c(光在真空中的速度)运动。具有非零静止质量的粒子的运动速度可以接近于c,但是永远无法达到此速度。在狭义相对论和广义相对论中,c 用于联系空间和时间的关系,它也同样出现在著名的质能方程 E = mc2。
那么量子纠缠和引力波超光速了吗?这其实是两个问题,我们必须分开讨论,因为两者的性质完全不同。
量子纠缠最早是由爱因斯坦提出的,用以质疑玻尔为首的哥本哈根学派对波函数坍缩的概率解释。他从哥本哈根学派认为在被测量到之前,微观粒子不存在确定的状态出发,提出了这么一种情况:
通过特殊的方式,我们可以得到一对状态(量子态)互相纠缠的光子,为了方便理解,我们可以假设这对光子的自旋方向 一个是上旋,一个是下旋。 我们可以把这对光子通过光路分开到一定的距离,比如1光年。然后对两者分别进行测量。 根据哥本哈根解释,在其中一个光子被测量到的那一刻,状态才会确定,也就是当我们在A点测量光子a时,它才随机坍缩到一个自旋态, 比如为上旋,那么基于纠缠的特性,在1光年外的B点处的光子b就应该会是下旋。 所以当我们通过以纠缠光子的发射点作为标准进行时间校准后,在相隔1光年的A、B两点同时进行测量,那么将会分别测量到一个上旋和一个下旋的光子,而肯定不会同时测量到两个上旋或两个下旋的光子。
(量子纠缠)
那么问题来了,此时a、b两个光子相距已经有1光年远了,它们是怎么做的瞬间随机坍缩到一个状态而又能保证互为相反的呢? 如果a、b光子确实是被测量那一刻自旋态才被确定并且完全随机的话,那a、b之间就必须存在某种关联让双方知道对方的状态,而这种关联是瞬时的,也就是超光速的,这就违背了狭义相对论里的信息传递不能超光速了。
于是爱因斯坦以此向玻尔为首的哥本哈根学派发起挑战:是放弃狭义相对论还是放弃哥本哈根诠释?
在爱因斯坦看来,如果要承认狭义相对论的正确性,那么互相纠缠的光子应该在分开的那一刻状态就已经确定,这样无论它们之后分开多远,都能在测量时得到相反的自旋态。 所以他认为哥本哈根学派认为光子的状态在被测量时才确定的说法是错误的。
(爱因斯坦和玻尔)
然而玻尔并不这么认为,他坚持哥本哈根诠释的正确性,他指出, 在测量前不存在两个光子的波函数,而是只有一个波函数,只有当其中一个光子被测量到时,这个唯一的波函数才随机坍缩为确定的两个光子。 既然只有一个波函数,随机坍缩的两个光子的状态自然是同时确定的,但这不需要在两个光子间传递信息,因为坍缩前只有一个波函数。这其实跟单个光子的波函数坍缩是完全一样的,单个光子在被测量前波函数弥漫在整个空间任何可能的地方,但一旦测量,它就从全空间坍缩到一个确定的位置,并且是唯一的位置,它无需告知别处所有可能出现的地方的“自己”不要出现。
在这种解释里,两个光子之间是不传递信息的,而由于其坍缩前无法确定状态,因此光子本身也不携带信息,而由于测量即坍缩,因此也不能提前录入信息。 既没有传递信息,也没有携带信息,也不能录入信息,量子纠缠自然就根本不存在超光速传递信息了。
量子纠缠没有超光速那引力波呢?这个问题分两种情况。
首先引力波传播速度等于光速这是广义相对论得出的结论,虽然它其实是利用 光速常数c 强行规定的,但是在多次引力波事件的测量中已经证明,引力波传播速度就是光速!特别是双中子星合并引力波事件,由于引力波和多波段电磁波接收到同一信号,因此已经非常确定引力波传播速度与电磁波波速,即光速一致!
(双中子星合并)
但是在引力波问题上还存在另一种情况,就是宇宙膨胀。
我们知道根据天文观测,宇宙正以大约70km/s/Mpc的速度膨胀,这就导致 宇观尺度 下两点间的距离在渐渐拉大,因此在引力波源处发出引力波后,引力波沿空间传播过程中,空间距离被拉大了。距离变了那引力波速度怎么算?这问题其实跟宇宙膨胀下的光速是同一个问题。很显然,如果忽略掉宇宙膨胀本身的距离增加问题,宇观尺度下的引力波和光速都将下降,也就是都将低于 真空光速常数c 。这是很容易理解的,比如说一个距离地球1亿光年的双中子星发生碰撞,那么伽马射线爆和引力波将以光速向地球传播,这将需要1亿年时间,然而在这1亿年的传播过程中,双中子星与地球之间的空间在不断膨胀, 距离在不断增加,那么它还能在1亿年时到达地球吗?显然不可能,不然就超光速了。实际情况是引力波和伽马射线暴都将超过1亿年后才能到达地球,如果此时我们依然按照静态宇宙的距离1亿光年来计算,那引力波和伽马射线暴都将低于光速了……
但实际上当我们引入考虑了宇宙膨胀的距离定义,问题就迎刃而解了,引力波和伽马射线暴依然刚好就是光速c。
(宇宙膨胀导致空间距离增加)
综上分析,量子纠缠和引力波都没有超光速,量子纠缠压根不存在速度问题,它既没有能量传递,也没有信息传递。而引力波速度则严格等于光速,这已经在天文观测中得到严格证实了。
首先澄清一点,目前所知,引力波并没有超光速,这从理论上和实践上都已经得到证明:引力波是100多年前爱因斯坦在广义相对论中预测的,并从其引力场方程中推算出引力波的速度为光速;2017年8月17日美国LIGO探测器探测到距我们13亿光年远的双中子星并合产生的引力波,
引力波和电磁对应体几乎同时到达地面,这有力地证明了引力波的速度为光速。
就目前的实践和认识水平,光速是不可超越的。实际上这个论断来自于爱因斯坦狭义相对论的光速不变原理。这个原理说的是对于任何惯性系来讲,光在真空中的传播速度是不变的,与观察者和光源的运动状态无关。这个速度的大小为299792458米/秒。光速对于无论以多快速度运动的物体来说仍然是不变。这意味着任何物体的运动速度不能超过光速,甚至达到光速都不行。光速就是最高速,这就是光速限制原理。你可以无限接近299792458米/秒,但在接近的过程中肯定会产生一些效应来阻止你接近,最终是没法达到光速的。比如质量趋向于无限大。
(其中m为物体质量,m0为物体静质量,Ⅴ为物体运动速度,C为光速。)
当速度V→C时,分母→0,则物体质量m→+∞从上式可以看出,只有物质的静止质量m0为0,物质的质量才有可能为0,物质的速度才有可能达到或超过光速。中微子静止质量几乎为0,所以它接近光速;而电磁场(光子)的静止质量为0,所以它达到光速。空间没有质量,所以它的膨胀速度可以超光速(应该说相对论结论可以进一步延伸)。有的读者看到这里会觉得奇怪,不是说光速不可超越吗?怎么有的能超光速?对此传统的解释是:光速限制原理说的是有效信息和能量的传递速度不能超光速,对于没有信息传递的速度没有限制。比如说量子纠缠就没有信息的传递,所以它可以超光速。
所谓的量子纠缠,指的是几个粒子在相互作用后,各个粒子的特性已综合成为一个整体性质,无法单独描述单个粒子的特性,只能描述整体系统的性质。纠缠就是分不开,即使分开了,也是一个整体。根据不确定性原理,在未观测之前两个量子还是一个整体,是没办法确定它们单独的状态的。观测时其中一个量子的自旋被确定了,另一个相距再远,即使在宇宙的另一边,也会瞬间被确定,即在观测前并没有两个实在量子,是观测影响了结果。其传输速度远远超过光速,至少是10000倍光速。由于并没有传递任何信息和能量,所以并没有违反相对论。 另一种解释是:两个量子的超光速作用并没有把任何一个粒子加速至超光速,这里根本就不涉及物质的运动。没有运动何来的超光速?量子力学是非定域化的,波函数弥漫全宇宙,宇宙是一个全息整体,所以量子才能超光速纠缠。
上面提到了空间膨胀速度,根据哈勃定律,以地球为中心,宇宙空间膨胀速度每326万光年增加7公里/秒,大约距地140亿光年,空间膨胀速度就达到了光速,现在的可观测宇宙是140亿光年以内的天体在它们随着空间超光速膨胀前发出的光经过若干亿年陆续到达地球后人们所看到的。据推算它们现在距我们有460亿光年了。那空间为什么可以超光速? 因为光速限制原理说的是所有在空间中运动的东西的最高速度,包括光子本身,这些运动都属于空间中的运动。物体的运动速度是以空间为背景衡量的(没有空间就没有速度可言),也是在空间的运动(再快的物体也跑不出空间“之外”去)。 而空间的膨胀则是空间自身的运动,是空间成份之间的相互远离运动,光速限制原理怎么能管了它 ? 这就是空间超光速的真正原因,而非什么没有信息传递可以超光速的说法。相对论是局域化的,即超光速的或探测不到的影响不到我们,对于我们就是不存在的。但量子力学却是认为全宇宙都有影响的,所以相互运动怎么会不传递信息?
从上面叙述想到一个问题:引力波是时空的涟漪,如果空间超光速膨胀,那么引力波的传播速度是否也会超光速?目前发现的引力波距离我们较近、次数较少,它的速度问题还有待进一步确定。
关于量子纠缠,你可以这样理解:把一双鞋的左右两只分别放进两个盒子里,然后把这两个盒子分别放在宇宙两端,你打开其中一个盒子发现鞋子是左脚的,立马就知道了宇宙另一端的那只鞋是右脚。这个感知速度几乎就是无限的,但是并不违反相对论,因为这里的信息传递应该是从把鞋子分开那一刻算起的,而不是打开盒子的瞬间。其实量子纠缠的信息传递模式跟这个差不多,传递是从创造出一对纠缠粒子开始算起,而不是检测粒子自旋状态的时候,所以并不存在超光速信息传递,这个信息传递速度远低于光速。以上只是我为了便于理解打个比方而已,其实颇有不妥之处,但我相信这是最易懂的科普语言。量子通信的意义在于信息传递的绝对安全性,因为量子信息被接收一次后量子态就坍缩了。
关于引力波速度:在广义相对论理论里面,引力波的确是光速,这是爱因斯坦最早得到引力波的方程的时候就发现的。目前公开的几个探测到的引力波事件,同时测量到了对应的电磁波也就是光的信号,所以有力地证明了引力波速度和光速一致。
关于量子纠缠的问题,最先的争论方分别是爱因斯坦和波尔。
1935 年 5 月,爱因斯坦同美国两位年轻的物理学家波多尔斯基和罗森在美国第 47 期《物理评论》杂志上,发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》的论文,在物理学界、哲学界引起了巨大反响。
这篇论文提出了一个名垂千古的思维实验,以论文的三位联合作者的首字母命名,称为“ EPR 实验”。正如这篇论文的标题所表达的意思那样,爱因斯坦想用这个思维实验告诉物理界,哥本哈根的量子力学解释是有问题的。
玻尔在听到这个 EPR 实验之后确实大吃一惊,据说茶饭不思好多天。隔了几个月后他终于出声了,居然以同样的标题写了一篇论文,来回应爱因斯坦们的挑战。简单说来(抱歉我只能“简单说来”,复杂了我也说不来),玻尔说狭义相对论我是不反对的,但是这里面的关键问题在于,粒子 A 和粒子 B 在你爱因斯坦看来是不同的两个粒子,但是在我玻尔眼里,它们从未分开,它们仍然是一个完整的整体,不论它们相隔得有多远,它们都是一个整体,两个量子是难分难解地纠缠在一起,组成了一种量子纠缠态,这种纠缠与空间距离无关,哪怕它们分别位于宇宙的两端,它们也是纠缠在一起的。
爱因斯坦对于波尔提出的量子纠缠坚决否定,但是苦于他们只有一个理论基础,并没有做实验来证明这个理论的正确与否。在物理学上如果没有实验来证明你的理论,这个理论则是等于没用的。很遗憾,知道爱因斯坦和波尔都逝世了,这个实验还没有做出来。
直到出现了一个英国数学奇才,他的名字叫贝尔(注意不是发明电话的那个贝尔),他发现了一个数学“不等式”,这个不等式被科学界称为“贝尔不等式”,被誉为“科学中最深刻的发现”。这个惊天地泣鬼神的贝尔不等式有一个巨大的魔力,可以对我们这个宇宙的本质做出终极裁决,它可以使得 EPR 实验从思维走向实验室。
1982 年,法国奥赛研究所。
人类 历史 上,这是对 EPR 实验进行的首次严格的实验检测,这次实验被称为“阿斯派克特实验”,以这次实验的领导者阿斯派克特命名。这次实验总共进行了三个多小时,两个分裂的量子分离的距离达到了 12 米,积累了海量的数据。最后的结果与量子论的预言完全相符,爱因斯坦输得彻彻底底,从此 EPR 实验也被称之为“ EPR 佯谬”。
EPR 实验的结果无可辩驳地呈现给当时的整个物理学界这样一个事实:要么放弃定域,要么放弃客观实在。定域性是经受了几十年严苛考验的伟大的相对论的推论,而客观实在则是大多数物理学家心目中的公理,不证自明的。如果是你,你会怎么选择呢?我看你可能最好奇的是那个发现贝尔不等式的可怜的贝尔,到底会做出怎样的选择。那个可怜的贝尔在被逼急了以后,只好表示如果非要放弃一个的话,他只能放弃定域了,但他仍然试图想说或许不用两个都放弃。
其实EPR 佯谬只是证明了定域和实在不可能同时正确,并没有证明有超光速的信号存在,这是两个不同的概念。如果愿意放弃实在性,则相对论依然是牢靠的。
量子这种纠缠态也被称之为量子的超隐形传输,可以用来做通信的加密,但是不能用来做超光速的通信。更加需要强调的一点是,量子的超隐形传输,传递的是量子态,而不是能量和物质。所以应与相对论的力学、运动学都没关联,也称不上超光速了!
关于引力波……这个也是爱因斯坦闲的蛋疼提出来的东东。爱因斯坦在 1916 年和 1918 年分别发表了两篇论文预言了引力波的存在。
先说明一下引力波是什么鬼,它是宇宙空间中的涟漪,靠着时空的卷曲在宇宙中震荡。首先我们得知道广义相对论里面的时空弯曲特点,也是引力的本质(引力的实质并不是一种力,只不过就是空间弯曲的外在表现)。在质量超大的物体所处的空间,会发生时空的弯曲。比如说我们的宇宙空间就好像一张张开的大网,太阳就压在这张时空的网上,网被压得凹陷了下去。如果太阳的质量突然变大或者突然爆炸没了,地球是不是会突然没受到太阳的万有引力,马上飞走了呢?答案是否定的。这个网就会以太阳凹下去的时空凹网会发生震荡,并以爱因斯坦命名的引力波传递作用给地球,根据狭义相对论所证明的,没有什么信号或者能量的传递速度能超过光速,所以这个过程也是有一段时间的,可能就那光速传过来最快也要8分钟……
总结……量子纠缠只是量子态的同步,并没有和相对论运动学有冲突。引力波属于能量波,不会比光速块……
光速不可超越应该是这样的,假如一个人某一时刻乘坐光速飞船离开地球,他观察到地球上的人永远静止在他离开时的那一瞬间画面。同时,地球上的人也观察到他也静止在离开地球时的那一刻画面。
对于地球上的人来说,他的时间好像停止了,他坐着光速飞船不需要时间,在宇宙中无限远的地方任意穿梭。
如果他坐上亚光速飞船离开地球,他观察到地球上的人动作很慢,例如吃一顿饭用了一年时间。同时地球上的人观察到他的动作也很缓慢。
对于地球上的人观察到的结果来说,他在亚光速飞船上时间变慢了,如果他再次回到地球,和他同年龄的人已经是白发苍苍的老人了,他还是原来那么年轻。
如果他坐在超光速飞船上离开地球,他可以观察到他和地球上的人过去的情境(时光倒流),因为他的超光速飞船追上了他和地球上的其他人以前发到宇宙空间中的光。
但他以超光速离开地球时,地球人再也永远看不到他了,就好像不存在这个超光速飞船了。这也可能就是相对论不能超光速的根本原因吧。
以上都是地球上的人和飞船上的人观察到的现象。但是无论如何,地球上和飞船上的人实际流逝的时间并未丝毫的减慢、停止和倒流。
理由是飞船不论以光速、亚光速还是超光速离开地球后匀速飞行时,不论把地球作为参照系还是把飞船作为参照系都是同等的,地球上的实际流逝时间不变慢、停止和倒流,飞船上的实际流逝时间绝不会减慢、停止和倒流。
由此可见,超光速在宇宙中不是没有的,而是普遍存在的。物体间万有引力的相互作用就是远超光速的,根据万有引力定律几乎是同时进行的。引力波的传播速度也是远超光速的。
众所周知,我们所在宇宙的直经为920亿光年。在量子纠缠中,一对手套在未观察前,它的状态是不确定的。如果把一只手套放在宇宙的这端,另一只手套放在宇宙的那端,当某一时刻观察到宇宙的这端为左手套,就立刻知道宇宙那端是右手套。
由此可见,量子纠缠的速度也远超光速,是瞬时进行的。
引力波是一个有趣的话题,前几年,诺贝尔哥让大家知道了引力波这个物理学名词。但真正了解它具体含义的却很少。至今还有人认为引力波是诺贝尔哥发现的。事实上,诺贝尔哥说的引力波根本就是他胡乱引用的一个物理学名词。
引力波是100年前,由爱因斯坦通过广义相对论预言的现象。在当时,爱因斯坦认为引力波可能永远无法被探测出来,因为它实在是太微弱了。直到100年后,才由高灵敏度的LIGO装置探测到。该研究成果也获得了诺贝尔奖。 引力波的传播速度是光速。
自从潘建伟团队搞出量子加密通讯卫星后,量子纠缠这一名词也被大众知晓。在量子纠缠系统中,对其中一个粒子进行测量,就会立即影响到另一个粒子的状态,无论它们间隔多远。据测量, 纠缠中的量子相互影响的速度远远超过了光速。
不是常说“光速是宇宙的极限速度吗”?这句话其实并不完整。完整的是:光速是这个宇宙信息传递的极限速度。关键词是“信息”、“光速”。
量子纠缠是不会传递信息的,它在量子加密通讯里的作用是产生密码,而不是传递信息。信息依然走的传统信道,例如:光纤、电缆等。
我们能够通过引力波探测器了解在宇宙遥远地方的事情。例如,LIGO系统发现的第一个引力波信号就来自于距离地球约13亿光年处的,质量分别为36个与29个太阳质量黑洞的并合。引力波携带了黑洞合并的信息,所以,它不能超越光速。
宇宙膨胀也可以超过光速,它不传递任何信息,所以是相对论所允许的。
图:宇宙膨胀示意图。气球的膨胀并不会在气球表面上的两点之间传递信息
综上所述,只要不传递信息,超光速都是可以的。
都说了N遍了,力场如磁场和电场都是瞬间场,不需要传播时间,瞬间抵达远处,这个你能想象吗?
估计绝大多数人都无法想象,因为它超出了我们思维的惯性,我可以举出一百个理由来说明力场是瞬间场,就拿静电场来说,假设在空中有一个静电荷,那么在这个静电荷周围空间就存在着辐射状的电场力线,如果这个力场的传播是需要时间的,那么当这个电荷匀速运动时,那么在这个电荷运动方向后部的电场线就会收缩,而前部的电场线就会膨胀,也就是说电场线就不再是辐射状直线了,而是曲线形状。
这就直接违反了相对性原理,因为爱因斯坦的相对性原理告诉我们:在所有的惯性系统中,物理规律相同,而在这里我们却会在不同的坐标系中看到的同一个东西是不一样的,这显然是错误的,解释只有一个:静电场只能是瞬间场,只有这样、在所有的惯性系统中,你看到的都是辐射状的场线。
…
不是因为“都说光速不可超越”光速就不可超越了,有事实理论证明光速不可超越,这个事实就是爱因斯坦的狭义相对论。
有些人可能会说,或许爱因斯坦的相对论是错误的,那么光速就可以超越了,但请不要总是在自己想象的世界里获得满足感和成就感,我也一样爱因斯坦的相对论是错的,那样我们就有超越光速的可能了,但不能光有想象猜测,证据在哪里?
还有一点,引力波并没有超越光速,而是恰恰等于光速,也就是说引力波的传播速度正好等于光速,巧合吗?世界上哪有如此巧合的事情?
量子纠缠的速度确实远超光速,甚至可以说是瞬间的,但并不违反爱因斯坦的相对论,相对论并没有说“光速不可超越”,而是说“任何携带信息和能量的物体不能超越光速”!
言外之意,只要不携带任何信息和能量,你可以尽情地超越光速,而量子纠缠本身就不携带任何信息和能量,也不会传递任何信息,所以它超越光速也在情理之中!
量子纠缠讲的是一个整体,我们需要把纠缠中的各个量子用整体的概念去描述,而不是单独描述单个量子的行为状态。当我们试图观测任何一个量子的状态时,其他量子马上感知到,纠缠就也不存在了,这就是所谓的“鬼魅般的超距作用”!
为什么超光速或者说光速是一个坎,是一个瓶颈。首先相对论中对我们宇宙的描述没有问题,同时也是非常准确的。在我们的三维时空中光速就是极限,是一个常数,同时它限制了质量,为什么会造成这种现象,因为光速限制了我们的三维空间的时间轴。所有参数都被其限制。其实相对论不完善的地方就是没有把时间或者说时空加进去,其实光速就是我们时空的密度常数。有了这个常数再来看质量,似乎质量越大达到光速所需的能量越大。有质量的物体看似永远达不到光速,成为瓶颈。实际上应该还有一种物质形态,其场作用越强质量越低,甚至会成为负数。物理学上讲时间是不存在的,但是我们的时空却有着时空密度,这个密度导致了引力的产生,也影响着时间的速度。我很期待在受控核聚变试验和研究中人类能发现新的物质状态,在磁场中可以隔绝超高温,也许再大点可以隔绝时空也说不定,并且还可能改变物质形态。关于黑洞是什么,最新研究表明黑洞内部密度极低,奇点很有可能就是一个场。但是黑洞貌似质量又非常大,那么问题来了,这么大质量怎么来的?首先黑洞光子不可逃逸,在场的作用下,把光子加速到超光速,自然就不可见。根据相对论讲如果物体被加速到接近光速,那么在三维宇宙中质量无限大,那么黑洞所表现出来的质量是否就是事件视界物质的质量呢?这个问题留给天文学家解决吧!
首先说答案:量子纠缠超光速,但不传递信息;引力波的速度等于光速而非是超光速。
知道了上述的两种描述方法就可以知道为什么量子纠缠超光速和宇宙膨胀可以超光速了,一个不传递信息一个膨胀的是空间。
爱因斯坦广义相对论提出后就预言了引力波的存在,从本质上解释了引力,认为引力是时空弯曲的外在表现。简单的理解就是:质量告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物体如何运动。而弯曲的时空像波纹一样传递就是引力波,也被称为时空涟漪。
一般黑洞或者中子星的融合产生的引力波,按照现在人类的技术才可以观测的到。这里天体可以使时空弯曲的曲率变得非常大,同时也是快速运动一直在“扰乱”平坦的时空。引力波的速度为光速意味着引力的速度同样为光速,也解释了牛顿万有引力定律中的“超距作用”。
而量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”,而实际上波尔对量子纠缠的解释是:处于纠缠态的两个量子已经不能分为两个独立的个体,而是一个统一的系统。即使是相隔天涯海角它们也是统一的整体,这里的超光速就没有实际意义了。潘教授团队研究的量子通信技术有的人误解为通过量子纠缠超光速传递信息,其实这是理解上的错误。
量子通信技术只是在加密信息,依托的依然是传统的电磁波通信,也超不了光速。
1物体的速度不能通过加速超过光速的原因,主要是由于物体的质量会随着速度的变大急剧变大。当物体的速度趋近于光速的时候,物体的质量会无限趋近于正无穷。所以,此时加速物体所需要的能量就会趋近正无穷。
2根据爱因斯坦的相对论,真空中的光速对任何观察者来说都是相同的,并且光速是一切物体速度的上限,这个称为光速不变原理。光速不变原理是由联立求解麦克斯韦方程组得到的,并为迈克尔逊—莫雷实验所证实,是爱因斯坦创立狭义相对论的基本出发点之一。
超越光速可能会穿越时空。
超越光速穿越时空出自爱因斯坦的相对论,光速和时间是有联系的,在理论中当物体运行速度接近光速时间会相对周围慢下来,因此当超越光速时,便可能会出现穿越时空的概念。
真空中的光速(speedoflight/velocityoflight)是自然界物体运动的最大速度。光速与观测者相对于光源的运动速度无关。物体的质量将随着速度的增大而增大,当物体的速度接近光速时,它的动质量将趋于无穷大,所以质量不为0的物体达到光速是不可能的。只有静质量为零的光子,才始终以光速运动着。光速与任何速度叠加,得到的仍然是光速。真空中的光速是一个重要的物理常量。
如果达到光速会:
1、人达到光速可能会让时间停止。根据相对论,速度越快时间越慢,所以当光速作为自然界已知的最大速度时,当人达到光速,也就是速度趋近于无限大的时候,就会导致时间无限的趋近于零,也就意味着时间就此停止。但这里的停止只是相对的,并不是所有的物体都停止了,而只是你的时间相对的更慢了。
2、、人达到光速可以永生。上面也讲了人达到光速,可能会导致时间停止,那么当时间停止,这时候的人是不是就相当于永生了,但其实只是相对的你的衰老变得缓慢,慢的接近于无,所以可能导致你的一分钟就是别人的一年,甚至更长,但是总有一天还是会衰老,因为时间并没有真正的停止。
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