光速為什麼如此重要？

作者：Nola Taylor Redd

翻譯：Nothing

審校：山寺小沙彌

光在真空中的傳播速度是299792km/s，理論上沒有什麼物體可以比光運動的更快。如果你可以光速飛行，那麼你每秒足以繞地球7.5圈。

早期的科學家不能感知到光的運動，所以他們認為光的傳播不需要時間。但是隨著時間的推移，對光速的測量越來越精確。由於Albert Einstein和其他人的工作，我們認識到光速是物體運動的理論上限：光速c被認為是任何具有靜止質量的物體都不可能達到的速度極限，原因我們會在下面的內容中解釋。但這並沒有阻止科幻作家們甚至一些正統的物理學家們構想在宇宙中進行超光速旅行。

光速理論的歷史 - - -

已知的第一個對光速進行描述的是古希臘哲學家亞里士多德，他不同意另外一位希臘科學家恩培多克勒的觀點。恩培多克勒辯稱因為光在移動所以它的移動一定需要時間。亞里士多德堅持相信光的運動不需要時間。

1667年，義大利天文學家Galileo Galilei讓兩個人分別站在相距不足一英里的兩座小山上，每個人拿著一個帶罩子的燈籠。一個人打開他的燈籠，當另外一個人看到閃光，他也打開自己的燈籠。通過測量第一個人多久才能看到第二個燈籠的閃光，Galileo認為自己可以計算出光速。不幸的是，Galileo所選的不到一英里的實驗距離不足以測量到光速的具體值，所以他僅僅可以確定光速是聲速的十倍以上。

17世紀70年代，丹麥物理學家Ole R?mer利用木衛一的月食現象作為第一次測量光速的精確時鐘。在歷時數月的實驗中，羅默發現木衛一被木星遮擋之後再次出現的時間比計算值要遲，儘管推遲的不是很多。羅默確定光從木衛一運動到地球需要一定的時間。

NASA稱「觀測結果給了R?mer光在空間中以恆定速度飛行的令人信服的證據。」

他推斷光需要10-11分鐘從太陽抵達地球，這比實際的八分十九秒要長一些。所以他的計算結果給出的光速時200000km/s，但至少科學家有數據可以用了。

1728年，英國物理學家James Bradley 根據他對由於地球公轉造成的恆星出現的位置的改變進行的計算，得出的光速是301000km/s,誤差低於百分之一。

17世紀中期，兩個嘗試使得光速可以在地球上進行測量：法國物理學家Hippolyte Fizeau把一束光照射在高速旋轉的齒輪上，並在5英里外用鏡子把透過的光反射回齒輪。通過改變齒輪的轉速，Fizeau 可以計算光要多長時間可以通過齒輪上的空洞抵達鏡子上並在反射之後通過齒輪的孔。另外一位法國物理學家Leon Foucault利用旋轉的鏡子而不是齒輪。兩種獨立的方法測到的結果和今天測量得到的光速之間的誤差都小於1000miles/s。

在普魯士出生在美國長大的Albert Michelson，嘗試去複製1879年Foucault的方法，但他使用了更長的距離，同樣使用高質量的鏡子和鏡頭。他得到的結果是299910km/s,這個結果是之後四十年內光速測量最精確的結果。

關於邁克爾遜的實驗有一個很有趣的故事：他的實驗原本是想探測光傳播的媒介-以太。然而，他的實驗證實了以太不存在。

「這項實驗是如此的具有革命性以至於他成為歷史上唯一一位沒有發現任何東西卻得了諾貝爾獎的諾貝爾獎得主。」Ethan Siegal寫到。「這個實驗本身可以說是完全的失敗，但是從中得到的信息大大加深人類對宇宙的理解。」

愛因斯坦和相對論 - - -

1905年，愛因斯坦寫成了他關於狹義相對論的第一篇論文。在這篇論文中，他提出無論觀察者以什麼樣的速度運動，他測量到的光速都是固定值。即便用最精密的方法測量，觀察者在地面測量到的光速和在噴氣飛機上測到的數據完全一樣。相似地，儘管地球繞著太陽飛行，太陽又在銀河系中運動。但是無論觀察者是處於銀河系內還是銀河系外，他測到的太陽發出的光的速度都是一樣的。愛因斯坦推斷出光速不隨時間和地點的變化而改變。

儘管光速經常被認為是宇宙中速度的上限，但事實上宇宙膨脹的更快。根據天文學家Paul Sutter的說法，宇宙擴張的速度大約是68km/s每秒差距，秒差距是326萬光年。所以距離銀河1秒差距的星系遠離銀河的速度是68km/s,相距2秒差距的星系遠離速度是136km/s,以此類推。

「在某些點某些非常大的距離上，膨脹速度會超過光速，這是空間膨脹的自然結果」Sutter寫到。

他繼續解釋道，儘管狹義相對論給出了絕對的速度極限，但廣義相對論在更大的尺度上允許超光速的存在。

處於宇宙遠端的星系？那是廣義相對論支配的範疇，廣義相對論會說：我不關心這些，星系想跑多快就跑多快，只要它離得夠遠！

狹義相對論不關心遠處的星系是否超光速，你也不必關心。

什麼是光年 - - -

真空中的光在空間中傳播一年走過的距離叫做光年。可以這麼理解：光從月亮傳到我們的眼睛大概需要一秒鐘時間，我們可以說月亮距離我們1光秒。陽光需要八分鐘的時間才能傳入我們的眼睛，所以太陽距離我們8光分。光從離我們最近的恆星系統到達地球需要大概4.3年，所以這個星系距離我們4.3光年。

「我們可以通過地球的周長來獲得對一光年的直觀認識：先把地球的赤道拉直然後擴展至7.5倍（對應一光秒），然後用3160萬個相同的線段首尾相接就是一光年的長度，」NASAs Glenn Research center寫到，「大約就是6000000000000英里長。」

太陽系外的恆星和其他物體距離我們幾光年至幾十億光年不等。事實上，當天文學家研究距離我們超過1光年的物體，他們看到的光並不是這是它發出的光。也就是說，我們看到的有關遙遠宇宙的一切都是它們歷史上的樣子。

這條原則使得天文學家可以看到138億年前的大爆炸後宇宙的樣子。當我們觀測距離我們100億光年的物體時，我們看到的是它100億年之前的樣子，而不是它現在的樣子，那時宇宙大爆炸剛剛發生不久。

光速真的是常數嗎？ - - -

光像聲波一樣以波的形式傳播，光會被它傳播路徑上的介質減速。沒有什麼可以追趕上真空中的光。然而，如果一個區域內包含一些物質，哪怕是灰塵，光在通過這個區域時會因為和粒子之間的相互作用而發生轉向，這使得光速降下來。

光在地球的大氣層中的傳播速度幾乎和真空中相同，但是光在金剛石中的傳播速度只有真空中的不到一半，即便這樣也還有124000km/s。

我們可以比光運動的更快嗎 - - -

科幻小說熱衷於設想超光速飛行，因為只有這樣我們才能實現真正的星際旅行。儘管超光速飛行並沒有被完全證明是不可能的，但是實現超光速飛行一定是非常非常困難的。

根據愛因斯坦的狹義相對論，當物體的速度變快，它的質量會增加，儘管它的長度會收縮。在達到光速時，物體的質量無窮大但長度是0，這是不可能的。事實上沒有物體可以達到光速。

「如果柯克船長的航行速度和我們最快的火箭一樣，即便是飛行到離我們最近的恆星系統也要花費幾百年的時間，」Seth Shostak說，「所以科幻小說經常假設擁有超越光速壁壘的辦法，這樣故事可以推進的快一些。」

原文地址：

https://www.space.com/15830-light-speed.html

推薦閱讀：