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光速,是指光波或電磁波在真空或介質中的傳播速度。真空中的光速是目前所發現的自然界物體運動的最大速度。
物體的質量將隨着速度的增大而增大,當物體的速度接近光速時,它的質量將趨於無窮大,所以有質量的物體達到光速是不可能的。只有靜止質量為零的光介質子,才始終以光速運動着。光速與任何速度疊加,得到的仍然是光速。
光在真空中的速率,是一個物理常數,一般記作Template:Math,精確值為299,792,458m/s(有時會取為3.00×108 m/s)。這一數值之所以是精確值,是因為米的定義本身就是基於光速和國際時間標準的,任何對光速更精確的測定,都不會改變光速的精確值,但會使得人們對一米和一秒的定義更為精確。
基本信息 中文名稱 光速
外文名稱 Lightspeed
速 度 299792.458 km/s
別 名 電磁波
特 點 是速度的上限
數值、記法及單位
真空中的光速通常以小寫c表示,即英文中「constant」(恆等、常數)或拉丁文「celeritās[[Category:含有Template:ISO 639 name la的條目]]」(迅捷)的首字母。最初,人們曾以詹姆斯·克拉克·馬克士威於1865年使用的符號V表示光速。1856年,威廉·愛德華·韋伯和魯道夫·科爾勞施曾使用c代表另一個常數。該常數後來被證明為光速的<math>\sqrt{2}</math>倍。1894年,保羅·德汝德重新將c定義為光速。阿爾伯特·愛因斯坦在1905年發表有關狹義相對論的最早德文論文中使用了V,但在1907年便轉用當時已通用的符號c。這種使用下標的記法受SI官方出版物認可,且與其它相關常數的記法相符,包括真空磁導率μ0、真空電容率ε0(又稱電常數)以及自由空間阻抗Z0。本條目以c代表真空中的光速。
自1983年起,國際單位制(SI)將米定義為1⁄299,792,458秒內光在真空中所運行的距離。因此,光速的精確值等於299,792,458 m/s。光速是一個具有量綱的物理常數,因此c的數值取決於所用的單位制。在相對論等經常用到c的物理學範疇中,不少文獻會使用自然單位制或幾何化單位制。在這些單位制中,c = 1。這樣,公式和計算當中就不會出現c,因為乘以或者除以1並不會對結果有任何的影響。
在物理學中的基礎地位
光在真空中的傳播速度獨立于波源的運動及觀測者的慣性參考系。1865年,詹姆斯·克拉克·馬克士威提出光是一種電磁波,因此必須以他的電磁理論中所出現的速度Template:Math傳播。在麥克斯韋電磁理論的推進下,再加上無法證明以太的存在,愛因斯坦於1905年首次提出「光速不變」這一公式。他從這一點推導出狹義相對論,並證明常數Template:Math在光和電磁波的範疇以外也有舉足輕重的地位。但是實驗只能驗證「雙向光速」(如:從光源至一面鏡子,再回到光源)是獨立於參考系的,但若要測量「單向光速」(如:從光源至某個遙遠的探測器),就必須先設定光源和探測器時鐘之間的同步化規則。如果選用愛因斯坦同步化規則,單向光速就會按照定義等同於雙向光速。狹義相對論就是基於光速不變原理所得出的理論。它的另一個公設為:所有慣性參考系都擁有相同的物理定律。其中一項結果,就是所有無質量粒子和相對應的波在真空中都以這一速度c運行和傳播,這也包括光波。
狹義相對論有着不少有悖常理,卻有實驗證明的結果,例如質能等價(E = mc2)、長度收縮(運動中的物體長度會縮小)和時間膨脹(運動中的時鐘走得更慢)等。長度縮減及時間加長的比率γ稱為勞侖茲因子,其定義為γ = (1 − v2/c2)−1/2,其中v是物體的運動速度。在速度v比c小很多的情況下(包括大部份日常所見的慢速運動),γ很接近1。這時狹義相對論就可以近似為經典力學中的伽利略相對性。然而在v非常接近c時,γ趨向無限大,相對論性現象也就會呈現出來了。
要表述狹義相對論的各項結果,可以把時間和空間視為一種綜合的結構,即所謂的時空。狹義相對論還要求,所有物理理論均須遵守一種稱為勞侖茲協變性的特殊對稱性條件。無論是要結合時間和空間,還是要表達這種對稱性,在數學公式中都需要c這一常數。勞侖茲協變性已幾乎成了現今物理理論的必需假設,這些現代理論包括量子電動力學、量子色動力學、粒子物理學標準模型及廣義相對論等。故此,c已成為現代物理學中無處不在的常數,出現在許多與光不相關的領域中。例如,廣義相對論預測,c也是引力波的傳播速度。在非慣性參考系中(如受引力扭曲的時空和加速參考系等),「局部」光速是不變的並且等於c,但在有限長度內光的運行速度不一定等於c,且要視乎該參考系中距離和時間的具體定義。
人們一般假設,諸如c等基礎常數在整個時空中都具有相同的數值,亦即它不會隨地點或時間而變動。(這種「不變性」不同於上文所述的各慣性參考系之間的光速不變性。)不過,有各種理論提倡,光速會隨時間改變。目前尚未有確切證據證明光速可變,但對此的研究仍在繼續發展。
人們同樣假設光速具有各向同性,也就是獨立於測量的方向。科學家在不同方向的磁場內對原子核的核能級發射光譜進行測量(對鍾實驗),又對旋轉光共振器進行觀測(見邁克生-莫立實驗),所得結果已對光速的各向異性設下了非常嚴格的上限。
實驗論證
2011年9月,歐洲研究人員發現了一個無法解釋的現象——比光速快60納秒的中微子。一旦被證實,將顛覆支撐現代物理學的相對論。而2012年03月03日最新消息稱,經過數月的反覆檢查,歐洲核子中心日前宣布,衛星定位系統同步接收器可能存在「調校」問題,並高估了中微子運行時間,而把衛星定位系統信號傳送到原子時鐘的光纜可能出現連接「鬆動」並導致低估了粒子包飛行時間。最新一期隸屬美國科學促進會的《科學》雜誌也刊文指出,連接原子鐘的光纜出現鬆動,可能導致計算中微子運行時間的原子鐘產生了錯誤結果。
歐洲核子中心已得到證實,該實驗結論是實驗電纜出錯造成的,並沒有顛覆相對論。
降低光速
降低真空光速或顛覆愛因斯坦理論
根據愛因斯坦的相對論,在任何參照系中,光在真空中的傳播速度都是一個常數。但是科學家最近卻成功讓光在自由空間(free space,完美真空)中的速度降了下來。
英國格拉斯哥大學和赫瑞瓦特大學的研究人員進行了一項實驗。在實驗中,科學家安裝了一個特殊「隔層」,單個光子在通過這一裝置時,形態會發生改變,而且速度出現了下降。
奇妙的是,在通過這一特殊「隔層」之後,即便重新回到自由空間,光子仍會以較低的速度前行。這一實驗說明,光的構造可能比人類知道的更為複雜。
根據愛因斯坦的理論,光在自由空間中的速度約合每秒30萬公里。在經過水、玻璃等介質時,光速會出現下降,但只要再次返回自由空間,光速就會回歸正常。
研究人員稱,「降低光速」的方法可以被用於更多的物理學實驗中,人類或能解開更多的自然界之謎。
光速發生變化後,人類社會將會發生什麼變化?
國際單位制中,長度的基本單位為米(m),質量的基本單位為千克(kg),米和千克的定義如下:
1m定義為「1/299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度」。
1kg定義為「1000立方厘米的純水在4℃時的質量」
光速是國際單位制中確定的基本單位和導出單位的計量基礎,假設有一天,光速發生了變化,變為現在速度的1/2,會發生什麼事情?
1.長度計量單位(m)發生了變化
光速降至原來的一半時,長度單位也降至原來的一半。
110m欄的記錄被輕易的刷新了,劉翔淚流滿面了。
出租車換新的計價器了,計程器跑的飛快,可價格還未調整,的哥樂開花了。
2.面積計量單位(m2)發生了變化
光速降至原來的一半時,面積單位也降至原來的1/4。
中華人民共和國的面積多出了960萬平方千米。
北京人一夜醒來,發現房價降到萬元以下了。
3.體積和容積的計量單位(m3)發生了變化
光速降至原來的一半時,體積和容積的計量單位降至原來的1/8。
於是,千克也變成了原來的八分之一,所有人一夜醒來發現自己憑空胖了8倍。