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光是宇宙中传播速度最快的物质,而且光速时恒定不变的,光的速度大约是每秒30万公里,准确的来说应该是299792458m/s。在狭义相对论中,光速作为该理论的核心,爱因斯坦提出了对光的描述:
静止质量的物体无法达到光速,只能无限接近光速
电磁波在真空中的传递速度是光速
当然,也有超光速的现象。一个是宇宙大爆炸的时候,大爆炸的膨胀速度远超光速。另外一个是量子纠缠的速度。事实上,这些超光速的物质并不是我们所看到的物质,一个是空间,另一个量子的状态。并不违法狭义相对论。
人类对光速的认识也经历了很长的过程,最开始的时候,古代的人们甚至认为光是即时的,是超速度的,直到近代,科学家也利用了科学的方法来测量光的速度,光速才逐渐变得精确。
古代关于光速的认识
最早关于光速的记载来自于古希腊,面对光速这个问题,希腊哲学家又不同的看法,然而,那个时代光速无法测量,双方也都无法否定对方。哲学家恩培多克勒斯认为太阳的光到达地球需要时间,而亚里士多德则认为光速时瞬间传播的,也就是超速度的,对光速的测量时没有有意义的。
科学家伽利略决定要这个悬而未决的光速问题找一个答案。测量一下光的速度。他的实验是这样设置的,两个人分别在两座山的山顶,当一个人打开一盏灯,另一个人看到光之后,迅速打开另外一盏, 通过计算两座山的距离除以时间间隔,就得到了光速。
伽利略显然低估了光的速度,即使在地球的两端,光走过的时间都不超过50毫秒,而人的反应速度超过了150毫秒,这种方法是无法测量光速的,但是,伽利略作为测量光速的先驱者,他的求真精神还是值得鼓励的。
利用天体来测量
伽利略失败了,他的失败也给了后人启发,要测量光速,需要更远的距离,这个最好的距离就是木星。
a太阳,eklhgf地球运行的点,b木星,
奥勒·罗默是丹麦的一位天文学家,他在测量木卫一的公转周期的时候,发现了一个奇怪的现象,当木卫一运行到木星的背面的时候,会发生卫星蚀现象,但是,实际发生卫星蚀的时间却比预测时间晚。理论上,木卫一环绕木星运转的公转周期不变,掌握了观测周期以及卫星蚀发生的时间,就可以预测卫星蚀发生时间,而观察结果却是反常的,发生卫星蚀的时间要晚。
为什么会这样呢?罗默百思不得其解,但当引入“光的速度是有限的”这种思维之后,这就很好解释了,这段变弯的时间,就是光在路上所花费的时间。罗默马上算出了光速,每秒21.43万公里,虽然,受到当时的条件,误差很大,但是,这也是人类第一次测出光速。
用机械来测量光速
1849年,法国物理学家阿曼达·菲索开始用机械的方法来测量光速,其实,这个方法是伽利略方法的改进。
这个方法的原理是一束光发射出来之后,通过齿轮的缝隙,到了左边的镜子,然后再次反射,齿轮不断旋转,光线穿过下一个缝隙,到达镜子,然后再次反射,以此类推,通过记录两面镜子的距离,以及每秒钟齿轮的转速,就可以算出光速,经过计算,最终测出了光速为每秒31.5万公里,这个数字让光速的准确性更进一步。
之后,其他科学家把这个实验不断改进,光速的精度也不断提高,最终测出了误差在十万分之一的光速速度。
现代科学定义了准确的光速值
随着科学的深入,人们也发现光只是电磁波钟的一个波段,人们可以看到的光的波段叫做可见光,电磁波除了可见光,还有无线电波、红外线、紫外线、x射线等人类看不到的电磁波。光作为一种电磁波,所有电磁波在真空中的传递速度是相同的。人类还算出了光速的公式:光速等于波长乘以频率
19732年,科学家用激光干涉来测量光速,这种方法是通过测量激光的频率和波长来算光速。科学家将一定频率的激光分成两半,让这束激光行走不同的路径,最终汇合,不断调整路径的长度,算出波长,就可以得出光速。
光速的准确速度也被算了出来,即每秒299792456米。(精确到米)
总结
光速值的最终确定,是历代科学家不断努力探索的结果,光速的精度也不断提高。在相对论中,光速作为一个常数,在比如我们熟知的质能公式、质速公式等,具有直接的关系。准确的光速的出现,也影响了国际度量单位。重新以光速定义了现代测量单位,测量单位的准确度也得到了提升。
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