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；每當人類對光有了新的認識，人類對大自然的認識也就上了一個新的臺階。對光的認識是在不斷的實驗和摸索中發(fā)展起來的。難免的會有很多不是太清楚的地方等待我們?nèi)ラ_拓，鉆研。,光,眾所周知，光在不同介質(zhì)中的運動速度有所不同，它在真空中的速度大約為每秒30萬公里，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)代實驗，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)一圈的時間還不到1/7秒 。,光速不變原理,1905年愛因斯坦發(fā)表狹義相對論。他闡述了一個通用原則：相對任何以恒定速度運動的觀察者 來說，不管這個速度是多少，物理原理及光速都是一樣的。這也就強調(diào)了光速在物理學(xué)的根本地位。 事實上，愛因斯坦在物理學(xué)上的重大貢獻在于提出了相對論，而相對論之所以引入關(guān)注的原因之一，則在于愛因斯坦提出的相對論中，有一項基本原理,即光速不變原理。

3、,光速不變原理,光速不變原理涉及到光這種物質(zhì)與其他物質(zhì)的關(guān)系問題.所謂的“光速不變”是一種通俗的、不夠嚴謹?shù)恼f法。正確的表述應(yīng)該是：“光以其特有的速度運動，它的運動速度與發(fā)光體的運動速度無關(guān)，也與觀測者的運動速度無關(guān)?！?光速不變原理,在愛因斯坦的學(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（也不排除超過光速），從而推導(dǎo)出高速運動的物體存在著時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。,測量光速,那我們來看看,在歷史上,光速都是怎么樣被測出來的。 由于光速太大了，所以大多數(shù)古代的學(xué)者(包括原則上不承認瞬時作用原理的亞里士多德)都認為光速是無限大的。近代的開普勒和笛卡爾也持這種看法。,測量光速,伽利略首次測量但是伽利略認為光速是有限的,他第一次去測量光速。根據(jù)速度（v）=距離（s）/時間（t）就可以從理論上測出光線傳播的速度。在這個測光速的

5、實驗中，存在著兩次反應(yīng)時間，假定每次反應(yīng)時間為0．5秒，則整個實驗中反應(yīng)時間為1秒鐘，在這段時間內(nèi)光線已繞地球赤道轉(zhuǎn)許多圈了。在19世紀以前，沒有一個人在地面上成功地測量了光速的。,測量光速,木星周期為12年，衛(wèi)星中有4顆最亮的可用望遠鏡看到.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旋轉(zhuǎn)的軌道面。因而木星的衛(wèi)星每繞木星一周將在進入木星影處發(fā)生一次蝕。最接近于木星的衛(wèi)星，其周期是42小時28分16秒（約為7／4天），它走

6、過自己直徑那樣的距離約需3．5分鐘，因而用望遠鏡可以觀察到它剛發(fā)生蝕的瞬間.,測量光速,天文測量法1676年丹麥天文學(xué)家羅默指出光速是有限的 。在這個系統(tǒng)里，木星的衛(wèi)星蝕一方面作為一個信號供地球上人來觀察，;另一方面此衛(wèi)星蝕的周期過程又是一個準確的時鐘.如果地球相對于木星的距離不變，或者光速為無限大。則兩次蝕之間的時間間隔是一定的。但是，眾所周知，光速不是無限大，并且地球每時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、鄰蝕之間的時間間隔是變化的。顯然這個變化與地球相對于木星的距離的變化和光速的大小有關(guān)。,測量光速,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間，一般并不剛好發(fā)生在所推算的時間。當?shù)厍驈腅1到E2時，看到蝕的時間較推算出的時間遲。這是因為當?shù)厍蜻\動時，地球與木星的距離增大，自木星來的任一信號都必須比前一信號多走一些距離才到達地球。當?shù)厍蛴蒃4到E5時，地球與木星的距離在減小，自木星來的任一信號都比前一信

8、號少走一些距離。,測量光速,齒輪法1849年德國物理學(xué)家菲索用“齒輪法”測出光速。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,通過半鍍銀鏡A射入觀察者眼中。,測量光速,如果使齒輪轉(zhuǎn)動，那么在光從齒間到達M再反射回齒間的時間Δt內(nèi)，齒輪將轉(zhuǎn)過一個角度。如果這時齒a和a′間的空隙恰好被a所占據(jù)，則反射回來的光被遮斷，因而觀察者將看不到光。但如果這時齒輪恰好轉(zhuǎn)到下一個齒間空隙

9、，由M反射回來的光從齒間空隙通過，觀察者就能重新看到光。齒輪的齒數(shù)已知，測出齒輪的轉(zhuǎn)速，可算出齒輪轉(zhuǎn)過一個齒的時間Δt，再測出M、N間的距離，就可以算出光速。,測量光速,旋轉(zhuǎn)棱鏡法1924—1927年，美國科學(xué)家邁克爾孫綜合菲索和傅科測光速方法的優(yōu)點，用旋轉(zhuǎn)棱鏡法，測得了光速.其結(jié)果非常接近后來用極其精密的儀器測出的結(jié)果.,測量光速,左邊是凹面鏡將從右面射過來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，光線射到望遠鏡筒,可以被觀察者看見. (要指出的是凹鏡到八面鏡的距離相當遠),測量光速,轉(zhuǎn)動八面鏡，這樣從面1反射的光線從凹鏡反射回來時，面3已轉(zhuǎn)了過去，在望遠鏡里就看不到反射光線了。不斷地將八面鏡轉(zhuǎn)速加快，當快到一定程度，使得光線從凹鏡反射回來時，面2正好轉(zhuǎn)到了面3的位置，望遠鏡筒里又能看得見這條光線了。光在反射的過程中所化的時間就等

11、于八面棱鏡面2轉(zhuǎn)到面3 的位置的時間，只要測出八面棱鏡的轉(zhuǎn)速，計算出八面鏡轉(zhuǎn)過1/8周的時間t，于是把距離除以這個時間t就能得到光在空氣里的傳播速度了。,對測量過程的思考,事實上，我們可以發(fā)現(xiàn),由于目前測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)歷的時間卻沒有被考慮進去，因此目前的光速數(shù)值應(yīng)當與真實的情況有所差異。 我們測量到的光速，實際上是由光速不變原理的光的運動和光在介質(zhì)中由于反射、吸收、再反射（包括折射）所增加的距離、所消

12、耗的時間共同構(gòu)成的。,光速不變？,長期以來，光在被物體反射的過程中是否需要時間的問題，至今沒有得到答案。與此同時，發(fā)光體在發(fā)光的那一刻，光從零速度上升到光速的過程，吸光體在吸收光的那一刻，光從光速下降為零速度的過程，它們都是如何實現(xiàn)的，仍然沒有一個足夠合理的解釋。,光速不變？,對此，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有解釋光在生成與吸收過程中是如何變速的，以及這種變速是否

13、需要時間。當然更沒有說明光究竟是用什么東西如何來生成的，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)加速方式而達成以光速運動的狀況嗎？假如普通物體達到光速時它也就變成了光，問題是我們能否用對普通物體加速的方式來制造光？如果不能，那么普通物體所能達到的最高速度又是多少呢？ 如果能，那我們是不是就可以說我們創(chuàng)造了光呢？,光的其他奇怪性質(zhì),光在真空中的運動速度與光源運動速度無關(guān)，是不變的.舉例說明：例1：

14、某飛機向?qū)τ诘孛嫠俣葹関機，飛機上向前發(fā)射一顆子彈，子彈相對于飛機的速度為v彈，則子彈相對于地面速度為v=v機+v彈，兩速度是迭加的。若飛機向前發(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)，與飛機速度無關(guān)，而聲音相對于聲源（飛機）的速度反而為（v聲—v機）。若飛機超音速飛行，則把聲音拋到后面了，聲速為負值。例2，打水漂的時候，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為中心向四周

15、擴散的，波速恒定，與石頭速度無關(guān)。例3，轟炸機扔的炸彈下落時呈拋物線，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散，波速恒定，中心是上下振動，不向遠處移動，與炸彈水平速度無關(guān)。,光的其他奇怪性質(zhì),如果人運動的速度快到足以跟上光的腳步，光看起來是什么樣子的。理論上它看上去像是你身邊一個靜止的峰，想象你在一枚火箭里，與一道激光脈沖一同沖入宇宙空間。 地球上的觀察者會看到這一脈沖以光速遠去。無論你相對于地球運動的速度為多少

16、，光線仍以光速超越你。 看起來似乎很荒謬，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間和空間。,,光的其他奇怪性質(zhì),引力是無法自由運動的觀察者們經(jīng)歷的某種幻象。如果我們自由落體地落向太陽，光線看上去會以恒速沿直線經(jīng)過我們身邊。對任何自由落體的觀察者來說，經(jīng)過他的光線都以恒定速度運動。不過，它在掠過扭曲其附近時空的大質(zhì)量物體時，看上去會彎曲和加速。,光的其他奇怪性質(zhì),沒有任何物體能加速到光速。