光,是人眼可看见的一系列电磁波,也称可见光谱,在科学上的定义,光是指所有的电磁波谱。光是由光子为基本粒子组成,具有粒子性和波动性,称为波粒二象性。
对于可见光的范围没有一个明确的界限,一般人眼所能接受的光的波长在308~~760nm之间。人们看到的光来自于宇宙中的发光物质(例如恒星)或借助于产生光的设备,包括白织灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫等,可以说因为有了光,使得我们生活的世界更加流光溢彩,不过,要说到光最大的特点,那就是一个字“快”,光在真空中的传播速度达到了每秒钟30万千米,为自然界目前已知的最高速度,甚至可以说光速在某种程度上定义了我们整个宇宙。
在1915年,爱因斯坦发表了狭义相对论,在这一理论中爱因斯坦指出,光速是物质运动速度的极限没有任何物质能快过光,但是我们总是会怀疑,事实真的就是如此吗?当然对于我们现在的生活而言,超不超过光其实无所谓,因为我们现在在地球上有高铁有飞机,想去地球的任何一个地方都很方便快捷,但是如果到了某一天,地球呆不下去了,人类需要移民或者去遥远的外星系开采资源的时候,光速的限制就会显得十分明显,那个时候我们就不得不考虑快速的问题了,光速虽然快,但是相对于广袤的宇宙来说,光速旅行依然要耗费难以想象的时间,就算以光速到达太阳都需要八分钟,即便是去到离我们最近的恒星系半人马座α,以光速前进依然需要四年,好了不说太多回到主题,光速对于现代的我们而言也许是极限,但是对于广袤的宇宙来说还会是极限吗?或者换句话说,从理论上来说是否有可能超越光速呢?很多人认为超越光速还有可能出现很多意想不到的事情,例如如果实现超光速通信可以穿越时空回到过去等等,这些诱惑让人们的确很想一试。
之前我们说过爱因斯坦在狭义相对论中提出光速是物质运动极限速度,而在这之前还有一个观点,那就是光速不变原理,意思就是光速在真空中的传播速度恒定不变,不会因为参照物或者测量方式的不同而改变,其实这个说法早在之前麦克斯韦就已经提出过,爱因斯坦也正是根据麦克斯韦的这一观点得出了光速为宇宙最高速度的结论,进而得到了整个完备的相对论体系,光速不变原理是整个相对论的基本出发点之一。
那么我们就先来了解一下光速不变原理,按照我们的常识,假如在一辆以速度v1运行的火车上,我以v2的速度在火车上奔跑,那么对于火车上的人而言,我的速度就是v2,但是如果是站在地面上的人而言,他们眼里我的速度又是多少呢?答案很显然是v1+v2,这样的速度叠加原理我们都能理解,但是如果在非常高速的情况下,这样简单的速度叠加原理能不能使得叠加后的速度超越光速呢?现在我们假设火车的速度为0.8c(c为光速),我奔跑的速度为0.3c,那么按照刚才叠加原理,地面上的人看到我的速度应该为0.8c+0.3c=1.1c,显然这个速度已经超越光速,可能很多人要说你不可能跑的这么快,那好,我们换个方式,一辆火箭以0.6倍光速向火星飞行,舱内宇航员拿着手电筒朝着火星发出一束光,那么对宇航员来说这束光的速度自然就是光速c,但是对于地球上相对静止的我们而言呢?按照常识,对我们而言这束光的速度应该是0.6c+c=1.6c,显然又超过光速了,不过实际情况并非如此,实际情况是,无论是站在火箭上拿着手电筒还是站在地球上拿着手电筒,发出的光速都是一样恒定不变的30万千米每秒,现在的科学家已经通过实验无数次的验证了这一理论,光在真空中的运行速度与观测者的运动状态无关,不论以什么样的方式什么样的参考系得到的光速都是恒定不变的,这就是著名的光速不变原理。当然,你可能觉得我们的火箭现在还无法达到这样的速度,实验测量火箭上的光速根本不切实际,也不具有说服力,但这没关系,因为我们有加速器,1964年欧洲核子中心利用他们的大型强子对撞机,把一个π介子加速到了0.99975倍光速,科学家对这颗π介子释放的光速进行了测量,实验测得的光速仍然是每秒30万千米,与真空中的光速分毫不差。
对于可见光的范围没有一个明确的界限,一般人眼所能接受的光的波长在308~~760nm之间。人们看到的光来自于宇宙中的发光物质(例如恒星)或借助于产生光的设备,包括白织灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫等,可以说因为有了光,使得我们生活的世界更加流光溢彩,不过,要说到光最大的特点,那就是一个字“快”,光在真空中的传播速度达到了每秒钟30万千米,为自然界目前已知的最高速度,甚至可以说光速在某种程度上定义了我们整个宇宙。
在1915年,爱因斯坦发表了狭义相对论,在这一理论中爱因斯坦指出,光速是物质运动速度的极限没有任何物质能快过光,但是我们总是会怀疑,事实真的就是如此吗?当然对于我们现在的生活而言,超不超过光其实无所谓,因为我们现在在地球上有高铁有飞机,想去地球的任何一个地方都很方便快捷,但是如果到了某一天,地球呆不下去了,人类需要移民或者去遥远的外星系开采资源的时候,光速的限制就会显得十分明显,那个时候我们就不得不考虑快速的问题了,光速虽然快,但是相对于广袤的宇宙来说,光速旅行依然要耗费难以想象的时间,就算以光速到达太阳都需要八分钟,即便是去到离我们最近的恒星系半人马座α,以光速前进依然需要四年,好了不说太多回到主题,光速对于现代的我们而言也许是极限,但是对于广袤的宇宙来说还会是极限吗?或者换句话说,从理论上来说是否有可能超越光速呢?很多人认为超越光速还有可能出现很多意想不到的事情,例如如果实现超光速通信可以穿越时空回到过去等等,这些诱惑让人们的确很想一试。
之前我们说过爱因斯坦在狭义相对论中提出光速是物质运动极限速度,而在这之前还有一个观点,那就是光速不变原理,意思就是光速在真空中的传播速度恒定不变,不会因为参照物或者测量方式的不同而改变,其实这个说法早在之前麦克斯韦就已经提出过,爱因斯坦也正是根据麦克斯韦的这一观点得出了光速为宇宙最高速度的结论,进而得到了整个完备的相对论体系,光速不变原理是整个相对论的基本出发点之一。
那么我们就先来了解一下光速不变原理,按照我们的常识,假如在一辆以速度v1运行的火车上,我以v2的速度在火车上奔跑,那么对于火车上的人而言,我的速度就是v2,但是如果是站在地面上的人而言,他们眼里我的速度又是多少呢?答案很显然是v1+v2,这样的速度叠加原理我们都能理解,但是如果在非常高速的情况下,这样简单的速度叠加原理能不能使得叠加后的速度超越光速呢?现在我们假设火车的速度为0.8c(c为光速),我奔跑的速度为0.3c,那么按照刚才叠加原理,地面上的人看到我的速度应该为0.8c+0.3c=1.1c,显然这个速度已经超越光速,可能很多人要说你不可能跑的这么快,那好,我们换个方式,一辆火箭以0.6倍光速向火星飞行,舱内宇航员拿着手电筒朝着火星发出一束光,那么对宇航员来说这束光的速度自然就是光速c,但是对于地球上相对静止的我们而言呢?按照常识,对我们而言这束光的速度应该是0.6c+c=1.6c,显然又超过光速了,不过实际情况并非如此,实际情况是,无论是站在火箭上拿着手电筒还是站在地球上拿着手电筒,发出的光速都是一样恒定不变的30万千米每秒,现在的科学家已经通过实验无数次的验证了这一理论,光在真空中的运行速度与观测者的运动状态无关,不论以什么样的方式什么样的参考系得到的光速都是恒定不变的,这就是著名的光速不变原理。当然,你可能觉得我们的火箭现在还无法达到这样的速度,实验测量火箭上的光速根本不切实际,也不具有说服力,但这没关系,因为我们有加速器,1964年欧洲核子中心利用他们的大型强子对撞机,把一个π介子加速到了0.99975倍光速,科学家对这颗π介子释放的光速进行了测量,实验测得的光速仍然是每秒30万千米,与真空中的光速分毫不差。