光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)

古代大多数人的出行方式靠步行,富贵人家有马车可乘,但即便如此,要从现今的广东到杭州,仍然需要半年时间左右。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(1)

工业革命之后内燃机促进了汽车的诞生,让人类的速度得到了质的飞跃,如今飞机和高铁的速度,又在不断地刷新人们的认知。

在地球上,我们的速度似乎已经足够快了。

但和光速比起来,我们的速度似乎又和蜗牛一样慢,要飞出太阳系,到达更广阔的星际空间,人类的速度是远远不够的。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(2)

但光速就是最快的速度吗?

天文学家认为宇宙十分辽阔,仅仅是可观测宇宙的直径就达到了930亿光年,银河系的邻居仙女座也和银河系相隔了254万光年。也就是说即使以光速前进,也要254万年才能到达离我们最近的其他星系。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(3)

但其实在最初的科学家认知里,光速应该是无限快的才对,因为当时根本没有人或者仪器能检测到光速的迟滞性,毕竟对于每秒30万公里的光子们来说,赤道周长仅4万公里的地球实在是一个很小的地方。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(4)

伽利略是有史以来第一个试图测量光速的人,他和助手站在两个距离较远的山头上,各自提了一盏灯,伽利略首先遮住灯,助手看见他遮灯后,也会遮住自己的灯。这样一来伽利略就可以测量自己遮住灯到助手遮住灯相差的时间。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(5)

但对于每秒30万公里的光速来说,在地球上两个小山包之间跑个来回就是瞬间的事,根本不是伽利略的肉眼凡胎能捕捉和感应到的,一直到19世纪阿曼德·斐索发明了旋转齿轮法后,光速才有了被准确测定的可能。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(6)

所谓旋转齿轮法,就是由一个半透镜和一个可控制的旋转齿轮组成,通过将光源透过齿轮折射出去,自己则在半透镜后观察。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(7)

如果齿轮是静止的,射出去的光到达反射镜后就会通过相同的齿缝原路返回,齿轮动起来并达到一定的速度后,光线在到达透镜返回时,原来的齿缝就会转走,光线就会被挡住,此时就看不见了光了,假如齿轮转速再快点,回来的光线就可以恰好通过下一个齿缝,光又可以被观察到了。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(8)

这样一来只需要知道齿轮转速,齿数和观察者到反射镜的距离,就能计算出光速了,但阿曼德.斐索没想到光速实在太快,只能不断延长观测距离和齿轮齿数来提高计算精度,最后齿轮和观察点的距离达到了8000米,齿轮的齿数到720尺,转速到每秒12.67次后,光线才终于被遮挡住了,由此计算出的光速是每秒31.5万公里。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(9)

虽然这一数字和目前的每秒30万公里存在一定差距,但在当时能得到这个数字已经很不容易了,但在天文学家看来这个速度简直不值一提。

因为我们的宇宙空间本身正在超光速膨胀,这就导致光在传播过程中虽然是在前进,但在几十亿光年上百亿光年的空间尺度上,光其实是在倒退的。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(10)

目前已经证明:距离地球越远的星系远离地球速度越快,宇宙时空在145亿光年外的膨胀速度也正式超过了光速,这意味着超过这个距离的星系是人类永远联系不上的,因为电磁波也只能以光速前进,根本追不上这些星系。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(11)

需要指出的是,宇宙空间本身的超光速膨胀并不违反相对论,因为相对论只约束了静止质量不为0的物体无法超光速,宇宙空间本身的超光速并不在相对论的范围之内,因此被宇宙超光速膨胀裹挟着的星系们的超光速,也并不违规。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(12)

我们目前说的可观测宇宙,只是光到达了的宇宙,宇宙的范围可能已经大大地超出了我们的认知,假如我们从宇宙的一端发射一束光线,这束光线将永远不会到达宇宙的另一端,因为光永远追不上空间膨胀的速度。

以宇宙的尺度来看,光速还是很慢

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(13)

但站在人类的实际需求来看,光速已经很快了,如果未来需要星际移民,达到光速是基本的条件之一,超光速以目前的理论来看很不现实,但也许可以通过其他的道路绕过光速。

光速是怎么被算出来的(不可被超越的真空光速)(14)

比如曲速引擎技术,它可以利用空间的膨胀和收缩,大大缩短行进距离,以扭曲空间的方式完成短时间内的快速移动,虽然曲速引擎现阶段仍建立在理论之上,但随着技术的不断突破,超越光速进行星际旅行,总有一天会成为现实。

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