申博官网登录_申博手机版网址_申博会员登入

申博官网登录 > LES追踪 >

为什么光会这么快?

2019-01-31 13:47:41 LES追踪61℃

  为什么光会这么快?

光速研讨史

  

假如你去观赏坐落法国塞纳河左岸的巴黎地理台,你会看见那里的墙上有个牌子,上面写着1676年光速第一次在这儿得到丈量。不过,这却是一次意外的发现。那时,巴黎地理台的主管是闻名的地理学家乔凡尼·卡西尼,他的一位助理、丹麦人奥勒·罗默在试着搞清楚木卫一掩星(木卫一跑到木星暗影里的现象)发作的时刻为什么比理论核算的有推迟。罗默与卡西尼评论后,以为或许的原因是光速是有限的(之前一般以为光速是无穷大的),使咱们调查有推迟。罗默还粗略地核算出,光要是经过地球公转轨迹半径这样长的间隔,得需求10或11分钟。

  

不过,卡西尼以为假如原因真的是光速是有限的,那么相同的推迟现象应该也会呈现在木星其他的卫星上,但事实上却没有。所以,争议就随之而来了。直到1728年,英国地理学家詹姆斯·布拉德雷用其他的方法丈量了光速。布拉德雷以及许多后续的试验已证明,罗默估量出来的光速比实践的低了约25%。现在,咱们现已知道光在真空中的速度为299792458米/秒,并且这是一个精确值,由于米的界说就是依据光速的。

  

为什么光会这么快?为什么不更快一些,或更慢一些?换句话说,光速由什么决议?

  

19世纪60年代,英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦发现,当电场和磁场一同改动时,它们的相互作用会发作电磁波。麦克斯韦核算了一下电磁波的速度,发现它正好等于光速,这激烈地暗示光就是一种电磁波,而这种观念随后就被试验所证明。之后,另一项打破则发作在1905年。那时,阿尔伯特·爱因斯坦提出光速是世界中速度的上限。依据他提出的狭义相对论,一个物体不或许加快到超越光速。因而,麦克斯韦和爱因斯坦通知咱们,光速实践上与许多其他的工作休戚相关。

  

但是,上面这些理论都无法解说什么决议了光速。最近,一些物理学家以为,光速的隐秘或许与真空自身相关。

  

量子涨落决议光速

  

量子理论呈现之前,描绘光的最完好的理论就是麦克斯韦的电磁理论。即便在现在,电磁理论对咱们来说仍非常重要,但它发作了一个问题。为了核算出真空中的光速,麦克斯韦需求运用两个关于真空电磁性质的常数,别离称之为真空介电常数和真空磁导率。它们详细为多少,需求经过实践丈量来得到。

  

但问题是,这些常数终究代表着什么呢?究竟,电和磁是由电子等带电的根本粒子发作的。但是,假如咱们议论的是真空,里边什么也没有,那么不是应该没有任何粒子吗?

  

此刻,咱们得用量子理论来解说了。在量子场理论(一种高档版别的量子理论)中,真空不是真的空,而是一种状况,是一个量子体系能量到达最低的状况。它其实是一个很喧哗的舞台,量子涨落会发作少纵即逝的虚粒子。

  

那什么是量子涨落呢?依据海森堡的不确定性原理,在物理丈量中总是存在不确定性。经典物理学中,咱们能一同精确地知道方位和动量,例如台球桌上的一个停止的台球。但是,量子理论却不这么以为。依据不确定性原理,咱们总是不能一同精确地知道方位和动量,就好像台球一直有着弱小的颤动。不过这种颤动太弱小了,咱们人类无法直接感觉。但是在真空中,这些颤动会使得能量(或平等的质量)发作涨落,会不断地发作少纵即逝的虚粒子。

  

这些虚粒子好像鬼魂一般少纵即逝,但是它们却能发作可观测的影响,其中就包含电磁的影响。电场或磁场作用到它们身上,会发作相应的电磁反响。这种现象使得物理学家能够丈量到真空的电磁性质,进而能算出光速的巨细。

  

2013年,法国巴黎第十一大学的马塞尔·厄班和他的搭档使用量子涨落,正确地核算出了光速的数值。他们发现,真空中虚粒子的密度决议着真空介电常数和真空磁导率的巨细,进而决议着光速的巨细。

  

这个成果看起来很令人满意,但这并不能彻底解开光速之谜。假如持续问下去,仍有许多问题。例如,真空中虚粒子的密度决议着光速的话,那么虚粒子的密度又是由谁决议的?它会发作改动吗?

  

真的是常数?

  

所以问题仍旧悬而未决。并且,并不仅仅光速有这样的问题。咱们知道,光速只不过是许多根本物理常数中的一个。其他的根本物理常数还有万有引力常数(标明引力强度的常数)、普朗克常数(标明量子效应有多大的常数)、根本电荷(一个电子或一个质子所带的电量)等等。这些根本物理常数被以为适用于整个世界,并且不随时刻发作改动。果真如此吗?

  

根本物理常数是否一直不变,其实是一个陈旧的哲学争辩。亚里士多德曾以为,地球的结构与上天的结构是彻底不同的,那么根本物理常数也会因而而不同。而哥白尼却以为,咱们这儿其实与世界其他任何部分都是相同的。在今日,科学家们都选用的是现代版的哥白尼观念,以为物理规律在时空的任何地方都是彻底相同的,但这仍仅仅假定。

  

因而,20世纪英国理论物理学家、量子力学的奠基者之一保罗·狄拉克就曾质疑过万有引力常数。1937年,依据相关的世界学观测,狄拉克猜想万有引力常数或许每年大约会削减100亿分之一。不过,之后的地理观测标明并不存在这种削减,并且也没有任何迹象标明万有引力常数跟着空间的不同而不同。并且,使用在地球上的万有引力常数丈量值,咱们能够精确地描绘整个太阳系行星和航天器运转的轨迹,以及世界深处的地理学事情。

  

相同,现在没有任何依据标明,光速会跟着时刻或空间的不同而发作变化。

  

谁是根本的常数?

  

所以,让咱们假定这些常数是真实的常数。那么它们是根本的吗?有没有哪些比另一些更为根本?尽管有多种提议,物理学家一般以为普朗克常数、光速和万有引力常数是最为根本的。不过,并不是一切人都认同这个观念。

  

咱们知道每一个丈量出的物理量都是由数值和单位构成的。咱们不会说光速约为300000,而是300000千米/秒,或186000英里/秒,或0.984英尺/纳秒。尽管前面这些数字和单位都是不相同的,但是它们的量纲(物理量的特点)却是相同的,都是长度除以时刻。

  。相同,万有引力常数和普朗克常数也有自己的量纲,别离是[长度3/(质量×时刻2)]和[质量×长度2/时刻]。

  

但是一些常量却不具有任何量纲。这些常数就是所谓的无量纲常数,它们就是纯数字,在各种单位制下都是相同的。例如,质子与电子的质量之比就是无量纲常数,约为1836.2,后边不需求加任何物理单位。伦敦大学帝国理工学院的物理学家迈克尔·达夫以为,只要无量纲常数才是根本的,由于它们是独立于任何的单位制。他以为,有量纲常数仅仅是人类结构出来的,由于其数量在不同单位制会有所不同。

  

人择原理

  

或许最风趣的无量纲常量就是精细结构常数。1916年,物理学家使用量子理论解说氢原子光谱线的精细结构(指的光谱线靠得比较近)时,初次引用了它。物理学家发现,精细结构常数相当于电子绕着氢核的速度除以光速,其数值约为0.0072973525698,与1/137简直持平。

  

今日,在量子电动力学(光与物质相互作用的理论)中,精细结构常数则被以为是电磁力作用到一个电子上的强度。这一下使得它变得很重要了起来,究竟电磁力与引力、强核力和弱核力一同决议了世界是怎样运转的。但是,还没有人解说精细结构常数这个数值是怎样来的,它与哪些根底理论有联络。所以,美国物理学家理查德·费曼曾写道,一切优异的理论物理学家都将这个数贴在墙上,为它大伤脑筋……它是物理学中最大的谜之一,一个该死的谜:一个魔数来到咱们身边,但是没人能了解它。你或许会说‘天主之手’写下了这个数字,而‘咱们不知道他是怎样下的笔’。

  

无论是天主之手仍是一些真实的根本物理进程发作了这个常数,一个令物理学家不安的假定是,精细结构常数或许是一个随机的成果。果真如此吗?那么为什么会是这个数字呢?

  

这个问题常用的方法是选用人择原理来答复。人择原理是一种哲学思想,以为咱们所调查到的世界必定具有能答应咱们存在于这儿并能观测世界的生存条件。精细结构常数略微不同,就或许改动整个世界的姿态,例如使得恒星焚烧的进程中无法发作碳,这样的话,以碳为根底的生命将不复存在。简而言之,咱们之所以会发现精细结构常数以及其他的常数会是这个数值,是由于假如它们不是这个数值,咱们就不会存在了。依据量子电动力学,物理学家发现,精细结构常数有必要处在1/170和1/80之间,由于超出这个规模,咱们相同也就不会存在了。

  

人择原理看似很好的解说了根本物理常数之谜,但也有许多物理学家把人择原理看作一种狡赖罢了,并以为问题并没有真实得到解决。或许,光速等根本物理常数之谜将长时刻困扰着咱们。

搜索
网站分类