科學家們花了300年的時間,通過做實驗並進行計算,才確定了光在真空中驚人的傳播速度:每秒鐘186,282英里(摺合299,784公里)。
光在空氣中的傳播速度比真空中稍慢一點。實際上在一些極度的實驗中,已經可以把光減速到猶如爬行,甚至可以使其看起來象是在後退。但是在我們日常生活所遇到的尺度範圍中,光傳播得極快,以致於我們感覺周圍的一切都是實時發生的。
抬頭仰望夜空,這種錯覺就開始站不住腳了。
光從那裡到達地球需要時間,所以‘那裡’越遠,光離開那裡的時間也就越早,因此我們在某個時刻看到的所有天體都是過去的情形
我們所看到的相對較近的月球,是它在1.2秒鐘以前的情況,而所看到的較遠的太陽則是它在大約8分鐘以前的情況。可以認為這些測量資料——1.2光秒和8光分,都是既可以描述時間又可以描述距離的。
太陽半徑70萬公里,光子在太陽內部是以隨機遊走的方式傳播,太陽半徑70萬公里,一個在太陽中心產生的光子,大概要花上1000萬年的時間才能到達太陽表面。光速每秒30萬公里,太陽半徑大約70萬公里,粗略計算光子從太陽中心傳播到表面,也就兩秒多的時間,但為何實際上要花上近1000萬年呢?這是因為光子在太陽內部的行徑方式很特殊。
光子的自由程△l:1cm;
太陽的半徑R:7×10^8m;
真空中光速c:3×10^8m/s;
光子隨機遊走的步數為N,遊走距離為L:
根據隨機遊走公式有:L=△l√N;
那麼光子從太陽中心,隨機遊走到太陽表面,所需要的時間T:
T=R^2/(△lc)
=(7×10^8)^2/(10^-3×3×10^8)
=1.6×10^12秒≈518萬年;
以上只是粗略估計的值,但是也說明在太陽中心產生的光子,大約要花上1000萬年左右的時間,才能到達太陽表面;然後到達太陽表面的光子,傳播到1.5億公里外的地球,只需要大約8分鐘的時間。
更遠的天體,如其他恆星,距地球非常遙遠,其距離通常用光年來計算。光年是指光在一年的時間裡所穿行的距離,約相當於6萬億英里(摺合10萬億公里)。即使最近的恆星系統——比鄰星,也位於四光年開外的地方,所以對於地球上的我們來說,比鄰星是四年多以前其光線開始傳播時的樣子。
這樣,光速的有限性使我們能夠對過去進行有價值的觀測,當我們極力遙望之時,對宇宙觀察得距離越遠,我們所觀察到的情況在時間上也就越早。
就遙遠的星系來說,我們所看到的是它們在億萬年前宇宙相對年輕時候的情況。
有些星系特別遙遠,其光線儘管行走了137億年,但仍沒有足夠的時間到達我們地球。還可能存在更為遙遠的天體,它們將永遠不為我們所知。
因為宇宙正在膨脹,而且膨脹的速度好像在加快,所以可能存在這樣的情況:如果遙遠星系的光線因不具備到達我們地球所需的時間,致使我們現在未能看到這些星系,那麼我們將永遠也看不到這些星系了。
因此,我們永遠無法看到宇宙目前的面貌,我們所看到的只是宇宙發展歷史中各個階段的情況。
有辦法比光傳播得更快,同時又不違反狹義相對論,但是這些超光速的手段要麼是以透明媒質(如:水)為傳播媒介,要麼就是無法進行資訊傳輸。
要想打破太空中的光速極限,做到跟宇宙的交流就如同我們在地球上進行的日常交流一樣容易,這被認為是一個幾乎無法完成的任務,即使考慮到異乎尋常的理論,也無法完成。
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