光速与超光速的故事(一)

2017-12-02 14:41 作者: 春耕

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在现代科学中,光学有着无可比拟的重要性。从天体观测到微观世界的研究,都离不开光学。相对论更是把光速联系到因果律上。然而2000年时王利军实现超光速到豪威实现零光速,人们一次次的重新思考光学以至相对论和因果律。本系列将回顾关于光速的一些研究与思考,特别是一些被大众忽视的一些思考。

(一)光速测量

最早人们认为光是瞬时传播,速度是无限大。直到1675年,丹麦天文学家Olaus Roemer发现了木星月食时间与地球木星的相对位置有关。这种现象被解释为光在太空传播需要一定的时间。

1728年英国的Bradley利用星光法测得了28.2万公里/秒。Fizeau是第一个在地上测出光速的人。1849年他用一个八公里外的镜子反射回到一个旋转齿轮上测出光速。他的助手Foucault很快又用类似的反射镜方法测得了29.6万公里/秒。但是这些方法测出的结果误差都比较大。二十世纪六十年代雷射出现以后,光速测量的误差一下减小到了一公里/秒以下。

1983年十月,光速被宣布为常数:299,792.458公里/秒。再加上爱因斯坦的相对论,光速不变,故事似乎应该到此结束了。

是Dirac最早提出,“物理常数”也许会随着宇宙演化而变化。Dirac从理论上探讨了这种可能性和随之而来的一些结果。1931年De Bray在《自然》杂志(Nature)上指出,人们测的得光速是不断减小的。最老的数据比当时的数据要大100公里/秒。Barry Setterfield在八十年代系统研究了历史上对光速的测量以及有关其他常数的测量,并得出结论,光速在不断减小。

到九十年代中叶,科学家们开始谈论“变化光速理论”(Varying Speed of Light),以解释标准大爆炸模型难以解释的几个问题。就是说,在宇宙早期,光速要比现在快得多。

时间和空间其实是密不可分的。我们看到的遥远的星系,其实是很久以前这个星系的样子,因为光线穿过广袤的太空已经度过了许久的时间。所以科学家说的宇宙早期在实际观测中实际上是离我们更远的太空。就是说光线在接近地球时越来越慢。

那么设想一下,如果自己是一个原子。那么地球就大得象一个宇宙。光线进入地球以后再进入原子会不会也越来越慢或是有不同的速度呢?

这种变慢一定要是均匀的吗?先变快一点,进入地球后一下子慢下来人能分辨出来吗?

再有,时间和空间是密不可分的,速度又何尝可以被分割出去呢?当我们测的光速变慢时,怎么知道不是时间被加速或是长度被压缩呢?


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