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光速

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

光速,是指光波電磁波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[1]

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。

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1299,792,458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[2]。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

科學家發現超光速粒子 愛因斯坦相對論遭質疑原圖鏈接來自騰訊網 的圖片

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vc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[3]。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[4]

降低光速

光速不變原理被打破,科學家成功降低光速!原圖鏈接來自學科學網 的圖片

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[5]

視頻

光速相關視頻

央視紀錄片《愛因斯坦的思維》,16歲那年
電磁波的奠基人:麥克斯韋
光速到底有多快?NASA科學家自製動畫影片告訴你

參考文獻

  1. 果殼裡的宇宙,光錐之外的霍金 ,搜狐,平原公子,2018-03-14
  2. 光速,劉叔物理
  3. 愛因斯坦理論面臨崩塌!光速會變:有證據,快科技,2016-11-29
  4. 歐洲核子中心:「中微子超光速」有誤差,中國教育和科研計算機網,2012-03-05
  5. 當光速發生變化後,世界將會發生什麼變化? ,搜狐,2016-05-19