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  • 1 # 使用者100632607336

    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,這些滴答的出現並不像預想的那麼規律,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。透過計算一年裡地球、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。羅默於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瞭解。19世紀60年代中期,蘇格蘭科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋建立了一組方程,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,與羅默及其後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,並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。用於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裝置。20世紀80年代,透過測量鐳射和頻率(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299,792,458m/s,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

    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瞭光速的真正重要性。由於他的功勞,我們知道,光速不僅僅是光子在真空中運動的速度,還是連線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,光看起來是什麼樣子的。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,要麼是麥克斯韋的理論不適用於運動中的觀察者,要麼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裡解決了這個問題。這一理論基於一個通用原則:相對任何以恆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。

  • 2 # 郭哥聊科學

    回答:光速並不是速度衡量的界限,光速是測量長度的標尺,但真空光速是常數,有質量物體的運動速度無法達到光速。

    人類認識和測量光速的過程

    在伽利略的那個年代,伽利略就意識到,光速並不是無窮大的,他曾經嘗試著去測量光速。但是由於當年的技術條件限制,他什麼結果也沒得到。

    1676年,就職於巴黎天文臺的丹麥天文學家羅默透過觀測發現光以有限速度傳播,雖然這個結論沒有被巴黎天文臺臺長接受,但是很快就受到惠更斯和牛頓的認可。1849年法國物理學家菲索發明了旋轉齒輪法來測量光速,他得到的光速是315000千米/秒,由於裝置的誤差,這個數值還是比較接近真實光速的。1850年,法國物理學家付科改進了菲索的方法,他用一個透鏡、一個旋轉的平面鏡和一個凹面鏡。平行光透過旋轉的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心上,同樣用平面鏡的轉速可以求出時間。他測量得到的光速是298000千米/秒。隨著時代進步,測量技術不斷提高,後來發展出邁克爾遜旋轉鏡和干涉儀測法,現代對光速的測量還發展出遮斷法,其中最好的是克爾盒法。1941年,安德遜改進了克爾法,其基線L的長度只有3米,他測量得到的結果為299776±6千米每秒。19951年貝斯特蘭再次改進這個裝置,他得到的結果為299793.1±0.3千米每秒。隨著鐳射器的問世,把光速測量推向了一個新階段。1970年,美國國家標準局率先使用鐳射測定光速,將光速測量精度提高了100倍。現代真空中光速的最可靠指是299792.485±0.001千米每秒。根據電磁理論,計算得到的光速為299792.50千米每秒。可以說除了早期測量,現代測量方法都是很接近這個理論值的。光速極限

    光速實驗在物理學發展史上非常重要,這不光是因為測量光速需要精確的實驗手段,對光學的發展起到了推動作用。

    重要的是光速實驗打破了光速無限的觀念,解決了長期存在的所謂以太漂移的懸案,為建立現代物理基礎理論之一的相對論,提供了一塊非常重要的基石。愛因斯坦在光速不變的基礎上提出了狹義相對論,並且在隨後的論文中提出了著名的質能公式。狹義相對論指出,有質量的物體的運動速度不能超過光速。這就是光速極限的由來。總結一下

    人類在不斷認識光的本質、對光速進行測量的過程中,提升了科學技術水平。在確認了光速是個常數之後,經過愛因斯坦的努力最終誕生了相對論,把人類對於自然和宇宙的認識提升了一大步。

  • 3 # 科學認識論

    以目前的宇宙學理論,我們的宇宙直徑大約為920億光年,這就顯得我們用光年衡量宇宙有點吃力,因為光年在宇宙尺度下顯得極其微小。

    我們之所以用光速衡量宇宙,並不是由於光速是最快的速度現象,而是因為光速是最快的資訊傳遞的速度。不管是遙遠星系的光芒還是引力波都是以光速傳遞到外界的。

    比光速更快的速度還有量子糾纏,但是量子糾纏速度具體是多少,我們尚且無從知曉。我們只能知道量子糾纏的速度底線是光速的四個數量級,也就是光速的一萬倍。

    我們之所以不用量子糾纏作為衡量宇宙的標準,在於我們還無法量化其數值。

    我們常說光速是宇宙的最快速度,這並不嚴謹。而是應該說:光速是物質運動以及能量和資訊傳遞的最快速度。

    光速不變沒有原因,而是自然事實。科學理論是基於自然現象歸納而來的,而並不能解釋自然現象為何如此!

    為什麼光速是最快的資訊和能量的傳遞速度?

    在相對論中,我們知道速度越快的物體其質量越大。

    那麼就可以得出一個結論:質量越小的物體越容易被加速。也就是,被相等力推動下的物體,質量越小,其加速度越大。

    那麼一個物體能被加速到的速度極限就是這個物體質量無窮小。我們可以將這種無限小等價於質量為0

    而光子恰好沒有靜止質量,也就是說光子的靜止質量為0,而靜止質量為零的光子被激發出來後就是以光速前進。

    所以無質量的物體的速度極限就是光速。

    那麼有靜止質量的物體速度極限就不可能達到光速了。

    而光子就是物質,光子雖然沒有靜止質量,但是有運動質量(相對論質量)。正是由於光子是物質才可以傳遞資訊和能量。

    因為資訊和能量的傳遞必需物質的參與。

    量子糾纏之所以無法傳遞能量和資訊在於它們之間的這種超距作用沒有中介粒子。

    所有的資訊無非就是物體的不同形態的體現而已。比如聲音只是物質的機械振動,顏色只是電磁波的頻率不同。

    而能量和物質不分家,有能量就有物質,有物質必有能量,因為質能方程告訴我們它們之間可以相互轉化。

    題主可能要問:找一個比光速還快的速度來衡量自然是不是更合適?

    我給出的答案是:自然界的確存在比光速還快的現象,但是卻沒有比光速更合適的衡量標準。

    宇宙暴脹時期的膨脹速度大於光速,但是那種速度很模糊,無法具體量化。量子糾纏的速度也無法具體量化。

    即便量化成功,它們都很有可能不是常數。

    而光速不同,它是常數。光速問題也是現代物理學開端的鼻祖。

    不管是基於自然界還是人類情感,光速是獨一無二量化宇宙的天選之子。

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