光速

目錄

[隱藏顯現]

1 概述

2 光速的物理

3 測量簡史

4 認識程度

5 與引力的關系

6 光速與光波

真空中的光速等于299,792,458米/秒（1,079,252,848.8千米/小時）。這個速度并不是一個測量值，而是一個定義。它的計算值為（299792500±100）米/秒。國際單位制的基本單位米于1983年10月21日起被定義為光在1/299,792,458秒內傳播的距離。使用英制單位，光速約為186,282.397英里/秒，或者670,616,629.384英里/小時，約為1英尺/納秒。

在任何透明或者半透明的介質（比如玻璃和水）中，光速會降低；c比光在某種介質中的速度就是這種介質的折射率。重力的改變能夠彎曲光所傳播的空間，使光像通過凸透鏡一樣發生彎曲，看上去繞過了質量較大的天體。光彎曲的現象叫做引力透鏡效應，根據變化了的光線在光譜外波段呈現的不規則程度，可以推算發光星系的年齡和距離。

根據愛因斯坦的相對論，沒有任何物體或信息運動的速度可以超過光速。

光速的測量方法：最早光速的準確數值是通過觀測木星對其衛星的掩食測量的。還有轉動齒輪法、轉鏡法、克爾盒法、變頻閃光法等光速測量方法。

接近光速情況下，笛卡爾座標系不再適用。同樣測量光線離開自己的速度，一個快速追光的人與一個靜止的人會測得相同的速度（光速）。這與日常生活中對速度的概念有異。兩車以50km/h的速度迎面飛馳，司機會感覺對方的車以50 + 50 = 100km/h行駛，即與自己靜止而對方以100km/h迎面駛來的情況無異。但當速度接近光速時，實驗證明簡單加法計算速度不再奏效。當兩飛船以90%光速的速度（對第三者來說）迎面飛行時，船上的人不會感覺對方的飛船以90% + 90% = 180%光速速度迎面飛來，而只是以稍低于99.5%的光速速度行駛。結果可從愛因斯坦計算速度的算式得出：

其中v和w是對第三者來說飛船的速度，u是感受的速度，c是光速。

根據現代物理學，所有電磁波，包括可見光，在真空中的速度是常數，即是光速。強相互作用、電磁作用、弱相互作用傳播的速度都是光速，根據廣義相對論，萬有引力傳播的速度也是光速，且已于2003年得以證實。根據電磁學的定律，發放電磁波的對象的速度不會影響電磁波的速度。結合相對性原則，觀察者的參考坐標和發放光波的對象的速度不會影響被測量的光速，但會影響波長而產生紅移、藍移。這是狹義相對論的基礎。相對論探討的是光速而不是光，就算光被稍微減慢，也不會影響狹義相對論。

真空中的光速，這是最古老的物理常數之一。最早于1629年艾薩克?畢克曼（beeckman）提出一項試驗，一人將遵守閃光燈一炮反映過一面鏡子，約一英里。伽利略認為光速是有限的，1638年他請二個人提燈籠各爬上相距僅約一公里的山上，第一組人掀開燈籠，并開始計時，對面山上的人看見亮光后掀開燈籠，第一組看見亮光后，停止計時，這是史上著名的測量光速的掩燈方案，這種測量方法實際測到的主要只是實驗者的反應和人手的動作時間。 丹麥天文學家羅默（OleRomer）在17世紀首次成功地計算出光速。他使用木星的一顆衛星有規律的軌道運動作為計時器，每次這顆衛星被巨大的行星（木星）所掩食，他便記錄下一個“滴答”。但他發現，從地球上觀察，這些滴答的出現并不像預想的那么規律，在一年之中會時而快幾分鐘，時而慢幾分鐘。

羅默計算出，這些時延是木星和地球在繞太陽運動時它們之間的距離變化所引起的。通過計算一年里地球、木星及其衛星在軌道上的相對位置，他算出了光穿過宇宙空間的速度。羅默于1676年向法國科學院提交了他的結果，數值與目前被接受的值之差不超過30%。

對光之本性的理論探討也使人們對光速有所了解。19世紀60年代中期，蘇格蘭科學家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋創建了一組方程，描述電磁場在空間中的行為。這個方程的一個解表明，電磁波在真空中必須以約為每秒30萬公里的速度傳播，與羅默及其后人的測量結果相當接近。

倫敦皇家研究院的邁克爾?法拉第用電場和磁場的概念解釋靜電力和磁場力，并表明光會受到磁場影響。這證實了可見光事實上是電磁波譜中的一部分。對電磁波譜其它部分——微波，紅外線，紫外線，X射線和γ射線——傳播速度的直接測量表明，它們在真空中都有相同的速度。

用于測量光速的實驗不斷地變得更精確。到20世紀50年代，電子計時裝置已經取代了古老的機械設備。20世紀80年代，通過測量激光和頻率（f）和波長（λ），運用c=fλ公式計算出了光速（c）。這些計算以米和秒的標準定義為基礎，就像現在一樣，1米定義為氪-86源產生的光的波長的1,650,763.73倍，1秒則定義為銫-133原子超精細躍遷放出的輻射頻率的9,192,631,770倍。這使得c達到非常高的精度，誤差只有十億分之幾。

1983年，光速取代了米被選作定義標準，約定為299,792,458米/秒，數值與當時的米定義一致。秒和光速的定義值，表示1米從此定義為光在真空中1/299,792,458秒內走過的距離。因此自1983年以來，不管我們對光速的測量作了多少精確的修正，都不會影響到光速值，卻會影響到米的長度。你有多高事實上是由光速定義的。

但光速還定義著比長度更加基本的東西。阿爾伯特?愛因斯坦的工作表明了光速的真正重要性。由于他的功勞，我們知道，光速不僅僅是光子在真空中運動的速度，還是連接時間與空間的基本常數。

愛因斯坦年輕的時候曾經問自己，如果人運動的速度快到足以跟上光的腳步，光看起來是什么樣子的。理論上它看上去像是你身邊一個靜止的峰，但愛因斯坦知道，麥克斯韋方程組不允許這種結果出現。他得出結論認為，要么是麥克斯韋的理論不適用于運動中的觀察者，要么是相對運動力學需要更改。

愛因斯坦在他1905年發表的狹義相對論里解決了這個問題。這一理論基于一個通用原則：相對任何以恒定速度運動的觀察者來說，不管這個速度是多少，物理原理及光速都是一樣的。愛因斯坦的狹義相對論使我們對時間和空間的觀念發生了革命性的變化，強調了光速在物理學中的根本地位。

想象你在一枚火箭里，與一道激光脈沖一同沖入宇宙空間。地球上的觀察者會看到這一脈沖以光速遠去。無論你相對于地球運動的速度為多少，譬如光速的99%罷，光線仍以光速超越你?？雌饋硭坪鹾芑闹?，但這是真的。使這為真的唯一途徑，就是你火箭中的居住者和地球表面的觀察者以不同方式衡量時間和空間。

時間與空間看上去當然是不同的，這依賴于你是在地球上還是在宇宙空間里。愛因斯坦的廣義相對論將引力描述為時空幾何結構的扭曲。這種說法的一個推論，就是始終沿可能的最短路徑穿越時空的光線，在大質量物體附近會彎曲。這在1919年日食期間觀測掠過太陽附近的星光被太陽的質量所彎曲而得到證明。這一觀測使愛因斯坦的理論最終得到接受，并為他贏得了世界性的聲譽。

但按照基本力學原理，如果光線偏轉，它會被加速。這是否將使光速發生變化，動搖相對論的根本原則？在某種意義上是對的：我們從地球上觀察到的光速，在它從太陽附近經過時確實會變化。然而相對論和光速不變原理不能被拋棄。 愛因斯坦認識到，引力是無法自由運動的觀察者們經歷的某種幻象。想象從一堵墻上跳下。在自由落體的過程中，你不會感動周圍的引力作用，但任何在地面上瞧著你落下來的人，都會解釋說你的運動是引力的作用所致。同樣的說法對空間站中的宇航員也適用：他們被提及時總是說成時處在“零重力”環境里，但從地球的表面往上看，我們會用引力吸引來解釋他們繞地球的軌道運動。所以當我們從地球上觀察時，經過太陽附近的光線看上去彎曲、加速了，但如果我們自由落體地落向太陽，光線看上去會以恒速沿直線經過我們身邊。對任何自由落體的觀察者來說，經過他的光線都以恒定速度運動。不過，它在掠過扭曲其附近時空的大質量物體時，看上去會彎曲和加速。

相對論另一個奇怪的推論是，沒有任何物體能加速到光速。不和我們建造動力多么強勁的火箭飛船，它們也永遠不能到達光速。這是因為物體運動得越快，其動能越大，慣性也越大。愛因斯坦在他的E=mc2公式中指出，能量和質量或者說慣性相關聯。因此一個物體的動能增加，它的慣性也增加，從而越來越難繼續加速。這是一個收益遞減原理：你對一個物體做的功越多，它就變得越重，加速的效果也越微弱。

把單一電子加速到光速，就需要無限的能量，粒子物理學家們對這一限制深有感觸。質子進入美國伊利諾伊州Batawia費米實驗室的Tevatron加速器時，它們的速度已經達到光速的99%。加速器的最后階段使質子的能量提高了100倍，但速度僅增加到光速的99.99995%，與它們進入加速器的速度相比，提高不足1%。

不過，一直與相對論有沖突的量子理論看上去是允許物質以大于光速的速度運動的。在20世紀20年代，量子論顯示一個系統相隔遙遠的不同組成部分能夠瞬時聯系。例如，當一個高能光子衰變成兩個低能光子時，它們的狀態（例如，是順時針或逆時針自旋）是不定的，直到對它們中間的某一個作出觀察才確定下來。另一個粒子看上去感知到它的同伴被進行了一次觀測，結果是任何對第二個粒子的測量總會得到與對第一個粒子的測量相一致的結果。這樣遠距離的瞬時聯系，看起來像是一個訊息以無限大的速度在粒子之間傳遞了。它被愛因斯坦稱為“幽靈式的超距作用”，聽起來難以置信，但卻是真實的現象。

1993年，加利福尼亞大學伯克利分校的RaymondChiao表明，量子理論還允許另一種超光速旅行存在：量子隧穿。想象朝一堵堅實的墻上踢一個足球，牛頓力學預言它會被彈會，但量子力學預言它還有極小的可能出現在墻的另一面。考慮這種情況的一種途徑，是想象它能“借”到足夠的能量穿越墻壁，并在到達另一面之后立即將能量歸還。這并不違反物理定律，因為最終能量、動量和其它屬性都得到了保存。德國物理學家維納?海森堡的測不準原理表明，在一個系統中，總有某些屬性——在這一情況中是能量——的值是不能確定的，因此量子物理學原理允許系統利用這種不確定性，短時間借到一些額外的能量。在隧穿的情況中，粒子從障礙物的一面消失又從另一面重現的需要幾乎可以忽略不計，障礙物可以任意的厚——不過隨著厚度增加，粒子隧穿的幾率也就迅速地朝零的方向遞減。

Chiao通過測量可見光光子通過特定過濾器的隧穿時間，證明了隧穿“超光速”隧穿效應的存在。為此，他讓這些光子與在相似時間內穿過真空的光子進行比較。結果隧穿光子先到達探測器，Chiao證明它們穿越過濾器的速度可能為光速的1.7倍。

1994年，維也納技術大學的FerencKraus表明，隧穿時間有一個不依賴于障礙物厚度的上限，這表示光子隧穿障礙物的時間沒有上限。德國科隆大學的GunterNimtz也用微波實現了這種“超光速”。他甚至把莫扎特第40號交響曲調制在信號上，以4.7倍光速的速度將它傳輸通過12厘米厚的障礙物。

目前公認光速與介質相關：光在水中的速度：2.25×10^8m/s 　　光在玻璃中的速度：2.0×10^8m/s 　　光在冰中的速度：2.30×10^8m/s 　　光在空氣中的速度：3.0×10^8m/s 　　光在酒精中的速度：2.2×10^8m/s

承認光是波，就應該用波學原理來分析光，而不是用粒子規律。任何波在均勻穩定的介質中，波速都不變，與波源無關。例如：無論在空氣靜止的地面，還是超音速飛機的內部，只要空氣性質相同，聲速都不變，這沒什么奇怪的。在一輛運動的車上發射粒子與發射波也不同，粒子速度是速度疊加，而波的規律是波速恒定與波源運動無關，且測量速度在不同介質條件下，可以得到多種結果。

愛因斯坦受光粒子說影響，沒有把光當成波來分析(參見《論動體的電動力學》和大學課本《普通物理學1》)，所以結果不對。他也不知道任何一種光介質，不知道在穩定的空氣中，光速是不會變的，麥克爾遜-莫雷實驗，必然得到0結果；在高速運動粒子上發出的光，光速也必然是不變的。