光速为什么如此重要？

Original 2018-03-20 Nola Taylor Redd 中科院物理所

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今天我们将送出三本由图灵新知提供的优质科普书籍《物理奇遇记》。

汤普金斯先生是一家大的城市银行里的一个小职员。他对现代物理学感兴趣，但像很多人一样，物理理论的长篇大论让他昏昏欲睡。而在梦境中，他进入了许多不同寻常的物理世界：有个世界的光速变得很小很小，有个宇宙的膨胀和收缩周期只有短短两小时，还有个世界的普朗克常数变得很大很大，而在原子世界中，他则化身为一个电子……

就这样，通过汤姆金斯先生在这些梦中物理世界的种种奇遇，乔治·伽莫夫在这部科普经典中向我们生动讲解了相对论、宇宙学、量子理论以及粒子物理的诸多基本概念，让我们得以更清晰地理解我们所实际生活的物理世界。

如何才能得到这本《物理奇遇记》呢？参与的方式非常简单！只要你认真阅读下面的这篇文章，思考文末提出的问题，严格按照［互动：你的答案］的格式在评论区留言，就有机会获得奖品！（PS：格式不符合要求者无效）截止到本周四中午12点，点赞数前三名的朋友将获得一本《物理奇遇记》。

【互动问答示例】

互动：这里就可以自由发挥你的答案啦~

作者：Nola Taylor Redd

翻译：Nothing

审校：山寺小沙弥

光在真空中的传播速度是299792km/s，理论上 41 36205 41 14940 0 0 4596 0 0:00:07 0:00:03 0:00:04 4595有什么物体可以比光运动的更快。如果你可以光速飞行，那么你每秒足以绕地球7.5圈。

早期的科学家不能感知到光的运动，所以他们认为光的传播不需要时间。但是随着时间的推移，对光速的测量越来越精确。由于Albert Einstein和其他人的工作，我们认识到光速是物体运动的理论上限：光速c被认为是任何具有静止质量的物体都不可能达到的速度极限，原因我们会在下面的内容中解释。但这并没有阻止科幻作家们甚至一些正统的物理学家们构想在宇宙中进行超光速旅行。

光速理论的历史 - - -

已知的第一个对光速进行描述的是古希腊哲学家亚里士多德，他不同意另外一位希腊科学家恩培多克勒的观点。恩培多克勒辩称因为光在移动所以它的移动一定需要时间。亚里士多德坚持相信光的运动不需要时间。

1667年，意大利天文学家Galileo Galilei让两个人分别站在相距不足一英里的两座小山上，每个人拿着一个带罩子的灯笼。一个人打开他的灯笼，当另外一个人看到闪光，他也打开自己的灯笼。通过测量第一个人多久才能看到第二个灯笼的闪光，Galileo认为自己可以计算出光速。不幸的是，Galileo所选的不到一英里的实验距离不足以测量到光速的具体值，所以他仅仅可以确定光速是声速的十倍以上。

Ole Römer测量光速的原理图:A是太阳B是木星，小圆是木卫一轨道，大圆是地球轨道。来源WIKI

17世纪70年代，丹麦物理学家Ole Römer利用木卫一的月食现象作为第一次测量光速的精确时钟。在历时数月的实验中，罗默发现木卫一被木星遮挡之后再次出现的时间比计算值要迟，尽管推迟的不是很多。罗默确定光从木卫一运动到地球需要一定的时间。

NASA称“观测结果给了Römer光在空间中以恒定速度飞行的令人信服的证据。”

他推断光需要10-11分钟从太阳抵达地球，这比实际的八分十九秒要长一些。所以他的计算结果给出的光速时200000km/s，但至少科学家有数据可以用了。

1728年，英国物理学家James Bradley 根据他对由于地球公转造成的恒星出现的位置的改变进行的计算，得出的光速是301000km/s,误差低于百分之一。

17世纪中期，两个尝试使得光速可以在地球上进行测量：法国物理学家Hippolyte Fizeau把一束光照射在高速旋转的齿轮上，并在5英里外用镜子把透过的光反射回齿轮。通过改变齿轮的转速，Fizeau 可以计算光要多长时间可以通过齿轮上的空洞抵达镜子上并在反射之后通过齿轮的孔。另外一位法国物理学家Leon Foucault利用旋转的镜子而不是齿轮。两种独立的方法测到的结果和今天测量得到的光速之间的误差都小于1000miles/s。

迈克尔逊-莫雷实验原理图来源：wiki

在普鲁士出生在美国长大的Albert Michelson，尝试去复制1879年Foucault的方法，但他使用了更长的距离，同样使用高质量的镜子和镜头。他得到的结果是299910km/s,这个结果是之后四十年内光速测量最精确的结果。

关于迈克尔逊的实验有一个很有趣的故事：他的实验原本是想探测光传播的媒介-以太。然而，他的实验证实了以太不存在。

“这项实验是如此的具有革命性以至于他成为历史上唯一一位没有发现任何东西却得了诺贝尔奖的诺贝尔奖得主。”Ethan Siegal写到。“这个实验本身可以说是完全的失败，但是从中得到的信息大大加深人类对宇宙的理解。”

爱因斯坦和相对论 - - -

1905年，爱因斯坦写成了他关于狭义相对论的第一篇论文。在这篇论文中，他提出无论观察者以什么样的速度运动，他测量到的光速都是固定值。即便用最精密的方法测量，观察者在地面测量到的光速和在喷气飞机上测到的数据完全一样。相似地，尽管地球绕着太阳飞行，太阳又在银河系中运动。但是无论观察者是处于银河系内还是银河系外，他测到的太阳发出的光的速度都是一样的。爱因斯坦推断出光速不随时间和地点的变化而改变。

加速膨胀的宇宙来源：wiki

尽管光速经常被认为是宇宙中速度的上限，但事实上宇宙膨胀的更快。根据天文学家Paul Sutter的说法，宇宙扩张的速度大约是68km/s每秒差距，秒差距是326万光年。所以距离银河1秒差距的星系远离银河的速度是68km/s,相距2秒差距的星系远离速度是136km/s,以此类推。

“在某些点某些非常大的距离上，膨胀速度会超过光速，这是空间膨胀的自然结果”Sutter写到。

他继续解释道，尽管狭义相对论给出了绝对的速度极限，但广义相对论在更大的尺度上允许超光速的存在。

处于宇宙远端的星系？那是广义相对论支配的范畴，广义相对论会说：我不关心这些，星系想跑多快就跑多快，只要它离得够远！

狭义相对论不关心远处的星系是否超光速，你也不必关心。

什么是光年 - - -

真空中的光在空间中传播一年走过的距离叫做光年。可以这么理解：光从月亮传到我们的眼睛大概需要一秒钟时间，我们可以说月亮距离我们1光秒。阳光需要八分钟的时间才能传入我们的眼睛，所以太阳距离我们8光分。光从离我们最近的恒星系统到达地球需要大概4.3年，所以这个星系距离我们4.3光年。

“我们可以通过地球的周长来获得对一光年的直观认识：先把地球的赤道拉直然后扩展至7.5倍（对应一光秒），然后用3160万个相同的线段首尾相接就是一光年的长度，”NASA's Glenn Research center写到，“大约就是6000000000000英里长。”

哈勃望远镜拍摄的半人马座，半人马座中的比邻星是距离太阳最近的恒星，距离4.2光年来源：wiki

太阳系外的恒星和其他物体距离我们几光年至几十亿光年不等。事实上，当天文学家研究距离我们超过1光年的物体，他们看到的光并不是这是它发出的光。也就是说，我们看到的有关遥远宇宙的一切都是它们历史上的样子。

这条原则使得天文学家可以看到138亿年前的大爆炸后宇宙的样子。当我们观测距离我们100亿光年的物体时，我们看到的是它100亿年之前的样子，而不是它现在的样子，那时宇宙大爆炸刚刚发生不久。