光速不變

1、光的思考,04物理一班 江峰 PB04203005,光,光是一種普遍存在的物質(zhì)，它也是人類最早關(guān)注的物質(zhì)之一；每當(dāng)人類對(duì)光有了新的認(rèn)識(shí)，人類對(duì)大自然的認(rèn)識(shí)也就上了一個(gè)新的臺(tái)階。對(duì)光的認(rèn)識(shí)是在不斷的實(shí)驗(yàn)和摸索中發(fā)展起來(lái)的。難免的會(huì)有很多不是太清楚的地方等待我們?nèi)ラ_(kāi)拓，鉆研。,光,眾所周知，光在不同介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)速度有所不同，它在真空中的速度大約為每秒30萬(wàn)公里，而在其他介質(zhì)中的速度則略低于其在真空中的速度。根據(jù)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)，光在真空中的

2、傳播速度為2．997×1010厘米/秒，它圍繞地球赤道轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間還不到1/7秒 。,光速不變?cè)?1905年愛(ài)因斯坦發(fā)表狹義相對(duì)論。他闡述了一個(gè)通用原則：相對(duì)任何以恒定速度運(yùn)動(dòng)的觀察者 來(lái)說(shuō)，不管這個(gè)速度是多少，物理原理及光速都是一樣的。這也就強(qiáng)調(diào)了光速在物理學(xué)的根本地位。 事實(shí)上，愛(ài)因斯坦在物理學(xué)上的重大貢獻(xiàn)在于提出了相對(duì)論，而相對(duì)論之所以引入關(guān)注的原因之一，則在于愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論中，有一項(xiàng)基本原理,即光速不變?cè)怼?/p>

3、,光速不變?cè)?光速不變?cè)砩婕暗焦膺@種物質(zhì)與其他物質(zhì)的關(guān)系問(wèn)題.所謂的“光速不變”是一種通俗的、不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f(shuō)法。正確的表述應(yīng)該是：“光以其特有的速度運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)速度與發(fā)光體的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，也與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)?！?光速不變?cè)?在愛(ài)因斯坦的學(xué)術(shù)觀念里，有許多未加證明的內(nèi)容，其中與光有關(guān)的內(nèi)容涉及到：1，物體可以經(jīng)由常規(guī)方式加速到光速（也不排除超過(guò)光速），從而推導(dǎo)出高速運(yùn)動(dòng)的物體存在著時(shí)間和空間的尺度變化現(xiàn)象；2，光是可以由

4、發(fā)光體生成出來(lái)的；3，光是可以被吸光體吸收并消失或轉(zhuǎn)化到吸光體之內(nèi)的。,測(cè)量光速,那我們來(lái)看看,在歷史上,光速都是怎么樣被測(cè)出來(lái)的。 由于光速太大了，所以大多數(shù)古代的學(xué)者(包括原則上不承認(rèn)瞬時(shí)作用原理的亞里士多德)都認(rèn)為光速是無(wú)限大的。近代的開(kāi)普勒和笛卡爾也持這種看法。,測(cè)量光速,伽利略首次測(cè)量但是伽利略認(rèn)為光速是有限的,他第一次去測(cè)量光速。根據(jù)速度（v）=距離（s）/時(shí)間（t）就可以從理論上測(cè)出光線傳播的速度。在這個(gè)測(cè)光速的

5、實(shí)驗(yàn)中，存在著兩次反應(yīng)時(shí)間，假定每次反應(yīng)時(shí)間為0．5秒，則整個(gè)實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)時(shí)間為1秒鐘，在這段時(shí)間內(nèi)光線已繞地球赤道轉(zhuǎn)許多圈了。在19世紀(jì)以前，沒(méi)有一個(gè)人在地面上成功地測(cè)量了光速的。,測(cè)量光速,木星周期為12年，衛(wèi)星中有4顆最亮的可用望遠(yuǎn)鏡看到.而且它們繞木星旋轉(zhuǎn)的軌道平面幾乎重合于地球和木星繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的軌道面。因而木星的衛(wèi)星每繞木星一周將在進(jìn)入木星影處發(fā)生一次蝕。最接近于木星的衛(wèi)星，其周期是42小時(shí)28分16秒（約為7／4天），它走

6、過(guò)自己直徑那樣的距離約需3．5分鐘，因而用望遠(yuǎn)鏡可以觀察到它剛發(fā)生蝕的瞬間.,測(cè)量光速,天文測(cè)量法1676年丹麥天文學(xué)家羅默指出光速是有限的 。在這個(gè)系統(tǒng)里，木星的衛(wèi)星蝕一方面作為一個(gè)信號(hào)供地球上人來(lái)觀察，;另一方面此衛(wèi)星蝕的周期過(guò)程又是一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘.如果地球相對(duì)于木星的距離不變，或者光速為無(wú)限大。則兩次蝕之間的時(shí)間間隔是一定的。但是，眾所周知，光速不是無(wú)限大，并且地球每時(shí)都在改變著它與木星的距離，所以在地球上看到的木星的衛(wèi)星相

7、鄰蝕之間的時(shí)間間隔是變化的。顯然這個(gè)變化與地球相對(duì)于木星的距離的變化和光速的大小有關(guān)。,測(cè)量光速,如圖,若地球在E1和木星在J1看到一次木星衛(wèi)星蝕，再用平均周期推算此后蝕的時(shí)間，一般并不剛好發(fā)生在所推算的時(shí)間。當(dāng)?shù)厍驈腅1到E2時(shí)，看到蝕的時(shí)間較推算出的時(shí)間遲。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)厍蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)，地球與木星的距離增大，自木星來(lái)的任一信號(hào)都必須比前一信號(hào)多走一些距離才到達(dá)地球。當(dāng)?shù)厍蛴蒃4到E5時(shí)，地球與木星的距離在減小，自木星來(lái)的任一信號(hào)都比前一信

8、號(hào)少走一些距離。,測(cè)量光速,齒輪法1849年德國(guó)物理學(xué)家菲索用“齒輪法”測(cè)出光速。如圖所示，從S發(fā)出的光，射到半鍍銀的平面鏡A上，經(jīng)A反射后，從齒輪N的齒間空隙射到反射鏡M上，再反射回來(lái),通過(guò)半鍍銀鏡A射入觀察者眼中。,測(cè)量光速,如果使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，那么在光從齒間到達(dá)M再反射回齒間的時(shí)間Δt內(nèi)，齒輪將轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度。如果這時(shí)齒a和a′間的空隙恰好被a所占據(jù)，則反射回來(lái)的光被遮斷，因而觀察者將看不到光。但如果這時(shí)齒輪恰好轉(zhuǎn)到下一個(gè)齒間空隙

9、，由M反射回來(lái)的光從齒間空隙通過(guò)，觀察者就能重新看到光。齒輪的齒數(shù)已知，測(cè)出齒輪的轉(zhuǎn)速，可算出齒輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒的時(shí)間Δt，再測(cè)出M、N間的距離，就可以算出光速。,測(cè)量光速,旋轉(zhuǎn)棱鏡法1924—1927年，美國(guó)科學(xué)家邁克爾孫綜合菲索和傅科測(cè)光速方法的優(yōu)點(diǎn)，用旋轉(zhuǎn)棱鏡法，測(cè)得了光速.其結(jié)果非常接近后來(lái)用極其精密的儀器測(cè)出的結(jié)果.,測(cè)量光速,左邊是凹面鏡將從右面射過(guò)來(lái)的光線反射到平面鏡，經(jīng)平面鏡反射凹鏡再反射變成與原方向相反的光線。右邊是

10、八面棱鏡將位于上方的光源射到面1的光線向左反射到凹鏡。反射回來(lái)的光線再射到八面棱鏡面3.經(jīng)面3反射后，光線射到望遠(yuǎn)鏡筒,可以被觀察者看見(jiàn). (要指出的是凹鏡到八面鏡的距離相當(dāng)遠(yuǎn)),測(cè)量光速,轉(zhuǎn)動(dòng)八面鏡，這樣從面1反射的光線從凹鏡反射回來(lái)時(shí)，面3已轉(zhuǎn)了過(guò)去，在望遠(yuǎn)鏡里就看不到反射光線了。不斷地將八面鏡轉(zhuǎn)速加快，當(dāng)快到一定程度，使得光線從凹鏡反射回來(lái)時(shí)，面2正好轉(zhuǎn)到了面3的位置，望遠(yuǎn)鏡筒里又能看得見(jiàn)這條光線了。光在反射的過(guò)程中所化的時(shí)間就等

11、于八面棱鏡面2轉(zhuǎn)到面3 的位置的時(shí)間，只要測(cè)出八面棱鏡的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出八面鏡轉(zhuǎn)過(guò)1/8周的時(shí)間t，于是把距離除以這個(gè)時(shí)間t就能得到光在空氣里的傳播速度了。,對(duì)測(cè)量過(guò)程的思考,事實(shí)上，我們可以發(fā)現(xiàn),由于目前測(cè)量光速的方法都利用了光的反射現(xiàn)象，而光的反射所經(jīng)歷的時(shí)間卻沒(méi)有被考慮進(jìn)去，因此目前的光速數(shù)值應(yīng)當(dāng)與真實(shí)的情況有所差異。 我們測(cè)量到的光速，實(shí)際上是由光速不變?cè)淼墓獾倪\(yùn)動(dòng)和光在介質(zhì)中由于反射、吸收、再反射（包括折射）所增加的距離、所消

12、耗的時(shí)間共同構(gòu)成的。,光速不變？,長(zhǎng)期以來(lái)，光在被物體反射的過(guò)程中是否需要時(shí)間的問(wèn)題，至今沒(méi)有得到答案。與此同時(shí)，發(fā)光體在發(fā)光的那一刻，光從零速度上升到光速的過(guò)程，吸光體在吸收光的那一刻，光從光速下降為零速度的過(guò)程，它們都是如何實(shí)現(xiàn)的，仍然沒(méi)有一個(gè)足夠合理的解釋。,光速不變？,對(duì)此，目前的量子力學(xué)是用原子內(nèi)的電子在軌道上的躍遷來(lái)解釋光的發(fā)射和光的吸收現(xiàn)象的.但是這種躍遷理論并沒(méi)有解釋光在生成與吸收過(guò)程中是如何變速的，以及這種變速是否

13、需要時(shí)間。當(dāng)然更沒(méi)有說(shuō)明光究竟是用什么東西如何來(lái)生成的，而光在被吸收后又變成了其他的什么東西。,光速不變？,普通物體可以經(jīng)由常規(guī)加速方式而達(dá)成以光速運(yùn)動(dòng)的狀況嗎？假如普通物體達(dá)到光速時(shí)它也就變成了光，問(wèn)題是我們能否用對(duì)普通物體加速的方式來(lái)制造光？如果不能，那么普通物體所能達(dá)到的最高速度又是多少呢？ 如果能，那我們是不是就可以說(shuō)我們創(chuàng)造了光呢？,光的其他奇怪性質(zhì),光在真空中的運(yùn)動(dòng)速度與光源運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，是不變的.舉例說(shuō)明：例1：

14、某飛機(jī)向?qū)τ诘孛嫠俣葹関機(jī)，飛機(jī)上向前發(fā)射一顆子彈，子彈相對(duì)于飛機(jī)的速度為v彈，則子彈相對(duì)于地面速度為v=v機(jī)+v彈，兩速度是迭加的。若飛機(jī)向前發(fā)射聲波，情況就不同了。從地面觀察v聲=331m/s，聲速是常數(shù)，與飛機(jī)速度無(wú)關(guān)，而聲音相對(duì)于聲源（飛機(jī)）的速度反而為（v聲—v機(jī)）。若飛機(jī)超音速飛行，則把聲音拋到后面了，聲速為負(fù)值。例2，打水漂的時(shí)候，石頭不斷拍打水面，最終沉入水中，每一次拍打水面都激起波紋，而波紋是以石頭觸水點(diǎn)為中心向四周

15、擴(kuò)散的，波速恒定，與石頭速度無(wú)關(guān)。例3，轟炸機(jī)扔的炸彈下落時(shí)呈拋物線，炸彈落入海中或大河中，激起很大的波紋，波紋也是均勻向四周擴(kuò)散，波速恒定，中心是上下振動(dòng)，不向遠(yuǎn)處移動(dòng)，與炸彈水平速度無(wú)關(guān)。,光的其他奇怪性質(zhì),如果人運(yùn)動(dòng)的速度快到足以跟上光的腳步，光看起來(lái)是什么樣子的。理論上它看上去像是你身邊一個(gè)靜止的峰，想象你在一枚火箭里，與一道激光脈沖一同沖入宇宙空間。 地球上的觀察者會(huì)看到這一脈沖以光速遠(yuǎn)去。無(wú)論你相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)的速度為多少

16、，光線仍以光速超越你。 看起來(lái)似乎很荒謬，但這是真的。使這為真的唯一途徑，就是你火箭中的居住者和地球表面的觀察者以不同方式衡量時(shí)間和空間。,,光的其他奇怪性質(zhì),引力是無(wú)法自由運(yùn)動(dòng)的觀察者們經(jīng)歷的某種幻象。如果我們自由落體地落向太陽(yáng)，光線看上去會(huì)以恒速沿直線經(jīng)過(guò)我們身邊。對(duì)任何自由落體的觀察者來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)他的光線都以恒定速度運(yùn)動(dòng)。不過(guò)，它在掠過(guò)扭曲其附近時(shí)空的大質(zhì)量物體時(shí)，看上去會(huì)彎曲和加速。,光的其他奇怪性質(zhì),沒(méi)有任何物體能加速到光速。