比光还快？

它不仅从根本上联系了时间和空间，而且保证了未来。

不会发生在过去之前。因此，有人说我们可以阻止光的脚步，这可能

太神奇了。

当你读这句话的时候，迈克尔·舒马赫正在驾驶他的。

法拉利跑300米，光可以在地球和月球之间往返。光

它移动如此之快以至于在人类历史的大部分时间里。

是瞬间的。我们现在知道当然不是这样，我们已经学会了控制。

光速。我们可以减缓甚至停止光的运动，然后轻轻一点。

开关使它再次移动。我们可以看到光在比赛中打败了它。

你也可以用光速来测量宇宙的年龄。它甚至可以决定你是多少

高个子。

丹麦天文学家奥勒·罗默首次计算成功了17世纪。

脱离了光速。他利用木星的一颗卫星有规律的轨道运动作为计时器。

每次这颗卫星被一颗巨行星(木星)遮住，他就记录下一颗。

滴答滴答。但是他发现，从地球上看，这些扁虱的出现并不像预期的那样。

定期这么想，一年里有时候快几分钟有时候慢几分钟。

罗默计算出，当木星和地球围绕太阳运行时，这些延迟就是其中之一。

由它们之间距离的变化引起的。通过计算地球、木星及其卫星在一年内

在轨道的相对位置，他计算了光速通过空间。罗莫尤

1676向法国科学院提交了他的结果，数值是目前公认的数值之一。

相差不超过30%。

对光的本质的理论探讨，也让人们对光速有了认识。19世纪60

20世纪90年代中期，苏格兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦建立了一个小组。

描述空间电磁场行为的方程。这个方程的解表明电

磁波在真空中必须以每秒30万公里左右的速度传播，这与罗默和他的不同

后世的测量结果相当接近。

伦敦皇家研究所的迈克尔·法拉第用电场和磁场的概念来解释。

静电力和磁场力，并表明光会受到磁场的影响。这证实了可见光的事情。

事实上，它是电磁波谱的一部分。对于电磁波谱的其他部分-微波，红色

外线、紫外线、X射线和γ射线-传播速度的直接测量表明，

它们在真空中都有相同的速度。

用来测量光速的实验越来越精确了。到了20世纪50年代，

电子计时装置已经取代了古老的机械设备。上世纪80年代，通过

测量激光和频率(F)和波长(λ)，用公式c=fλ计算光。

速度(°c)。这些计算是基于米和秒的标准定义，就像现在一样。

1米定义为氪-86源产生的光的波长的1，650，763.73倍，确定1秒。

含义是铯-133原子超精细跃迁释放的辐射频率的9，192，631，770倍。

这使得C达到了非常高的精度，误差只有十亿分之几。

1983年，光速取代米成为定义标准，约定如下

299，792，458米/秒，数值符合当时米的定义。秒和光速的定义

值，代表1米，定义为光在1/299，792，458秒内在真空中传播的距离。

离开。因此，自1983以来，无论我们对光速的测量有多精确，

修正，不会影响光速，但会影响米的长度。你有多高？

实际上是由光速定义的。

但是光速也定义了比长度更基本的东西。艾伯特·安斯

谭的作品展示了光速的真正重要性。由于他的贡献，我们知道，

光速不仅是光子在真空中运动的速度，也是时间和空间的联系。

基本常数。

爱因斯坦年轻的时候曾经问过自己，人的动作是否够快。

要跟上光的脚步，光是什么样子。理论上，它看起来像

你周围有一个静止的峰值，但爱因斯坦知道麦克斯韦方程组不允许。

出现这种结果。他的结论是要么麦克斯韦的理论不适用。

对于运动中的观察者来说，要么相对运动力学需要改变。

爱因斯坦在1905年发表的狭义相对论中解决了这个问题。

这个理论基于一个普遍原理:相对于任何匀速运动的观察者，

一般来说，无论速度是多少，物理原理和光速是一样的。自己的

斯坦的狭义相对论彻底改变了我们的时空观念。

，强调光速在物理学中的基础地位。

想象你在火箭里，带着激光脉冲冲向太空。

地球上的观察者将会看到这种脉冲以光速消失。你是否相对于地球

什么是运动速度，比如99%的光速，光还是以光速超越了你。

看似荒谬，却是事实。唯一能实现的方法就是你。

火箭里的居民和地球表面的观测者以不同的方式测量时间和空间。

时间和空间看起来当然不同，取决于你是否在地球上。

是在太空中。爱因斯坦的广义相对论将引力描述为时空几何。

结构扭曲。这种说法的一个推论是总是遵循最短的可能路径。

穿越时间和空间的光会在大质量物体附近弯曲。这是1919日食期间。

证明了经过太阳附近的星光被太阳的质量所弯曲。这

一次观察使爱因斯坦的理论最终被接受，并为他赢得了全世界的认可。

名声。

但是根据基本的力学原理，如果光线发生偏转，就会被加速。这是

会改变光速，动摇相对论的根本原理吗？从某种意义上说，是对的。

是的，我们从地球上观察到的光速在经过太阳附近时是这样的。

改变。但是，相对论和光速不变原理是不能抛弃的。

引力恶作剧——眼见为实

爱因斯坦意识到重力是不能自由移动的观察者所体验到的。

有点错觉。想象一下从墙上跳下来。在自由落体的过程中，你不会感觉到

移动你周围的重力，但任何看你倒地的人都会明白。

说明你的运动是重力引起的。空间站的航天也是如此。

成员也申请:他们总是被提到处于“零重力”环境，但是

从地球表面向上看，我们将通过引力吸引来解释它们围绕地球的轨道。

道运动。所以当我们从地球上看时，太阳附近通过的光看起来很好。

弯曲和加速，但是如果我们自由地落向太阳，光看起来像

会以匀速直线超过我们。对于任何自由落体的观察者来说，

穿过他的光以恒定的速度运动。然而，当它经过并扭曲它的邻近区域时，

一个空的物体看起来会弯曲和加速。

相对论的另一个奇怪推论是，没有任何东西可以加速到光速。

除非我们建造强大动力的火箭船，否则它们永远也不会到达光明。

速度。这是因为物体运动越快，其动能越大，惯性也越大。自己的

斯坦在他的E=mc2公式中指出，能量与质量或惯性有关。

因此，随着物体动能的增加，其惯性也增加，越来越难以继续。

加速。这是一个收益递减的原则:你对一个物体做的工作越多，它就越多

它变得越重，加速效果就越弱。

将单个电子加速到光速需要无限的能量，粒子物理学家。

科学家对这种限制深有感触。质子进入美国伊利诺伊州巴塔维亚的费米。

当实验室中的Tevatron加速器运转时，它们的速度已经达到了光速的99%。

加速器的末级把质子的能量提高了100倍，但速度只提高到了。

光速是99.99995%，比它们进入加速器的速度高不到1%。

然而，一直与相对论相冲突的量子论似乎允许物质

移动速度超过光速。20世纪20年代，量子理论展示了一个系统。

相距甚远的不同组件可以立即连接起来。例如，当一个高能光子

当衰变为两个低能光子时，它们的状态(例如，顺时针或逆时针)

自旋)是不确定的，直到其中一个被观测到。

另一个粒子似乎察觉到它的同伴被观察到了，结果是任。

如何测量第二个粒子将始终与第一个粒子的测量保持一致

结果。这样的远距离瞬时连接，看起来就像是一条无限大小的消息。

速度在粒子间传递。爱因斯坦称之为“超距幽灵工作”。

“用”听起来不可思议，但却是真实存在的现象。

在1993中，加州大学伯克利分校的Raymond Chiao表明，

量子理论还允许另一种超光速旅行:量子隧道。想象面对一面墙

在坚固的墙上踢球。牛顿力学预言它会被弹回，但是量子力学

据预测，它出现在墙的另一边的可能性很小。考虑以下情况之一。

方法是想象它可以“借”足够的能量穿过墙到达另一面墙

脸后立即归还能量。这并不违反物理定律，因为最终的能量，

动量和其他属性被保留。德国物理学家维纳·海森堡的测量

测不准原理表明，在一个系统中，总有一些属性——在这种情况下。

但是能量的值是不确定的，所以量子物理的原理让系统受益。

有了这种不确定性，我们可以在短时间内借到一些额外的能量。在隧道的情况下，

粒子从障碍物的一侧消失并从另一侧重新出现的需要几乎可以忽略不计。

计，障碍物可以任意厚——但随着厚度的增加，粒子隧道变少了。

这一比率正迅速向零下降。

焦立中通过测量可见光光子通过特定滤光片的隧穿时间来证明。

了解“超光速”隧道效应的存在。为此，他制造了这些光子

比较了在相似时间内通过真空的光子。结果，隧道光子首先到达检测点。

焦立中证明了它们通过过滤器的速度可能是1.7倍光速。

1994，维也纳工业大学的Ferenc Kraus表明隧穿时间如下

不依赖于障碍物厚度的上限，表示光子穿过障碍物的时间。

没有上限。德国科隆大学的冈特·尼姆茨也用微波实现了这一点。

“超光速”他甚至把莫扎特的第40号交响曲调制到信号上

4.7倍光速来传输它通过一个厚度为12 cm的障碍物。

全速前进——信息传递的极限

所有这些想法似乎都动摇了禁止超光速的相对论原理。那样地

都不是，因为相对论禁止的其实是信息的超光速传播。

实验表明，两个量子物体之间的“瞬时连接”不能用来传递信件。

休息。隧道效应也受到同样的限制。这是因为量子理论是一种内在的。

统计规律，这取决于大量粒子群的性质。所以当一些光子超过，

时间不能用来传递信息。隧道效应使输入波形失真并使其产生。

生出一个可能比预期更早收到的高峰。然而，信息不是由

单个波峰携带它，但它是通过整个波包传输的，它的移动速度并不比光快。

对隧道效应的仔细分析似乎支持信号的信息内容仍然受光的影响。

限速，虽然这还是一个有争议的话题。

这种信息传递的限速，保护的是因果律，也就是一个事件的结果。

不可能发生在这个事件之前。如果不是，观察以不同的速度移动

对于一系列相关事件的顺序，研究人员永远不会得出相同的结论。有

有些人可能会撞到茶杯，看到它的碎片散落，而另一个观察者

但是你可能会先看到碎片，然后你可能会看到杯子掉下来。如果没有信息传输速度

有了这个极限，宇宙看起来会很奇怪。

虽然在真空中不可能让一个大质量的粒子运动得比光还快，

“折射率”超过1的物质就不是这样了。例如，在水中，光

运动速度是其真空速度的60%。不同透明材料中的光速将是

慢点说，这是300年前发现的。它可以解释光的折射和

散射也是所有光学仪器背后的原理。折射是因为光而发生的。

中子——组成光的独立能量单位——与原子内部的电子相互作用。

使用。光子在原子间全速行进，但在穿过材料的过程中会反复。

它们被吸收又被重新释放，所以它们携带信息的速度会降低。

因此，高能电子等粒子在水中可能与光处于同一介质中。

动作要快。在这种情况下，它们产生电磁波，后者不以同样的速度运动。

当粒子速度很快时，它们会沿着运动的方向聚集起来，形成猛烈的冲击波，这与超音速不同。

高速飞机音爆的机理也是一样的。物质介质中运动速度超过光速的粒子产生

这种辐射被称为切伦科夫辐射，常用于探测其他比光更快的运动。

看不见的粒子，比如东京宇宙射线研究所神冈宇宙粒子研究设施。

在一个装满水的巨大探测器中寻找中微子。

大多数物质都不会明显减慢光速。在普通物质中，光速可以降低。

跌幅不超过50%。但是，美国哈佛大学的1998 Lene。

维斯特加德·侯宣布她已经把光速降低到每秒17米。2001，她

完全熄灭了灯光。当然，她的研究团队使用的不是普通材料，而是

就是所谓的第五物质(继固体、液体、气体、等离子体之后)。

质量状态:玻色-爱因斯坦凝聚态。

这种不寻常的物质由一团原子组成，被冷却到。

绝对零度以上的百万分之一度，从而形成玻色-爱因斯坦凝聚。它

本质是单个量子物体，有点像巨型原子，所有这些

所有的原子都处于相同的量子态，以相同的方式运动，就好像它们是一个整体一样。

一个物体。

减慢光速的诀窍是照射玻色-

爱因斯坦凝聚体。其中一种携带信息，称为探测光；另一个叫做

耦合光。当耦合光照射到冷凝物上时，它将变得完全透明，因此

以便探测光可以通过。

在钠原子的最外层轨道上有一个电子，在探测光和这个电子之间。

它们之间的相互作用对这一过程至关重要。当一个原子从检测到的光速中吸收一个。

当有10个光子时，外层电子跳到更高的能级。在一小段时间后，

它回落到原来的能量水平，释放出一个光子。不幸的是，这太

这个过程是完全随机的，所以原始光束中的所有信息都丢失了。

探测光的不同脉冲频率的分量在穿过冷凝物时具有不同的速度，

结果是输入脉冲聚集在钠原子云中，缓慢通过。

与此同时，原子的自旋在脉冲的影响下发生变化。如果此时耦合光被移除

否则，光脉冲(或者至少是其中的信息)就会束缚在原子的自旋模式上

在房间里，光束基本上停止了。当耦合灯再次亮起时，冷凝物再次释放。

光脉冲。

减慢或停止光的速度可能在操作中得到实际应用。物理学

科学家们早就想制造光学计算机，利用光速而不是电子来传输信件。

号，执行操作。他们还希望利用原子的量子态建造一台量子计算机。

和奇怪的量子原理来制造拥有超强计算能力的处理器。侯与光打交道

技术也可能帮助科学家模拟黑洞附近的光的行为。事实上，研究

研究光速可能是宇宙最深奥的奥秘——那些由光速决定的奥秘。

-最好的方法。

补充1:光的恶作剧和空间中的幻觉

有许多例子表明物体的运动速度似乎超过了光速。但事实上他们没有

不违反相对性原则。例如，电子束扫过电视屏幕所画的线。

理论上，它的移动速度可以超过光速。造成这种现象的原因是屏幕上持续的荧光。

光学像素被不同的电子激发。所以，本质上无非就是光。

快速从一个点移动到下一个点仅仅是因为它们以一定的顺序发射。

明亮，所以看起来是这样的。

天文学家在太空中看到过超光速的错觉:类星体有时会喷薄。

看起来比光速快得多的喷气式飞机。为了测量这些射流的速度，

天文学家需要对他们的位置进行两次测量，以确定这两次测量之间的时间。

来计算喷射的速度。但是如果这个速度比光速快得多，就足够了。

原因:因为喷流直接朝着观测者爆发。这样，下一个观点

需要考虑气流离观测者更近，发出的光需要到达地球。

时间减少了。这使得喷流运动的距离看起来是在两次观测的间隔中

它比实际上更高。

两位美国天文学家，埃德温·哈勃和维斯托·施赖弗，20岁。

另一个错觉是在20世纪20年代发现的。他们发现宇宙正在膨胀，而星系就像

爆炸产生的碎片彼此相距甚远。但是在这种情况下，在星系之间，

距离越远，分离的速度越大。如果星系离得足够远，它们就会后退。

旅行的速度比光还快。所以如果这种明显的膨胀是由星系引起的，

在太空中奔跑，没有什么能跑得比光更快的相对论原理。

它坏了。但其实这也是一种错觉。星系的超光速运动实际上是

星系之间的空间正在扩大。不管人们认为他们看到了什么，

光速还没有被超越。

补充2:均匀宇宙中光速不均匀？

在宇宙学中，有一个问题叫做“视界问题”

Prolem).光速可能不会一直像现在这么大。如果随着时间的推移，

变化，以前比现在快很多，可能有助于解决宇宙。

学习的奥秘。

如果光速是任何信号传输速度的上限，宇宙中遥远的那些

该地区没有理由达到热平衡。简单来说，就是因为什么都没有。

-包括热量-可以在大爆炸后的时间内走完这段距离。

而如果两个区域不能进行热量交换，就达不到同样的温度。

但是，宇宙在大尺度上是相当均匀的，所以它在过去肯定是存在的。

在某种程度上，对此最合理的解释被称为通货膨胀理论。这个原则

理论上，很早的时候，悠悠的扩张就在哈尔滨找到了。

在开始之前，宇宙经历了一个指数膨胀的时期。

但是这种快速膨胀面临着自身的光速问题，这促使物理学。

科学家认为早期宇宙的光速可能与现在不同。如果光速曾经是

比现在快得多，它会让“视界”进一步扩散，这样就可以实现热。

平衡。

尚不清楚这一大胆的理论能否融入其他物理理论。

但是，仍然说明光速在我们对宇宙的认识中占据着核心地位。