@ 2017.04.17 , 13:00

光速为何是光速?它真的不变吗?

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1975年,科学家们终于统一意见:真空光速为299,792,458米/秒。不过,光速为何是这个速度?它又为何如此重要?若要回答这些问题,我们必须了解空间、时间、物理学、测量方法等。但如今,现代研究首次对光速提出质疑。

十七世纪初,人们普遍认为,光没有速度,它是瞬间产生的。随后,这个观点受到了挑战。1629年,荷兰科学家以撒·贝克曼在火药爆炸周围安置了一些镜子,让观察者注意闪光出现时间是否存在差异。不过,这个实验结果并不令人信服。

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1667年Rømer测算光速的示意图

1676年,丹麦天文学家奥勒·罗默注意到,某颗木星卫星的月食时间在一年中存在奇怪的变化。他认为,这是由于地球远离木星时,光需要走更长时间才能到达地球。据他粗略计算,光速约为22万千米/秒。这个计算结果还不赖,尤其考虑到他所采用的行星数据并不那么准确。

此后,科学家在地球上进行了各种实验,结果越来越接近正确值。19世纪中期,物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦推出了麦克斯韦方程组,用于测量真空中的电场和磁场。他注意到,无质量电磁辐射波的速度和人们所推测的光速非常接近。于是,他认为二者可能完全相等。

麦克斯韦是对的。人类首次得以根据其它宇宙常量来测量光速。与此同时,麦克斯韦的研究成果表明,光本身就是一种电磁波。这个观点被证实后,爱因斯坦在1905年将此观点作为狭义相对论的一部分。

如今,光速通常被认为是狭义相对论的基石。光速与时空不同,它是恒定的,与观察者无关。此外,这个常量支持了许多宇宙知识。它和引力波速度相同。

针对光速,我们不仅拥有麦克斯韦和爱因斯坦的理论。科学家进行了大量光速测量实验(如反弹激光、观察地球引力),所有实验都得出了相同的结果。

然而,故事并未就此结束。量子场论认为,真空并不空,它遍布基本粒子,这些粒子在真空中迅速出现并消亡。科学家推测,这些粒子会制造电磁涟漪,而电磁涟漪可能会导致光速的变化。

相关研究仍在进行,目前尚无定论。

本文译自 sciencealert,由译者 蛋花 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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