光速可能没办法真正被测量
说起这个话题,其实挺有意思的,光速不就是299792458米/每秒吗?这是一个物理常数,就好像π为圆周率,γ是欧拉常数一样。不过最近有一种说法,让我大跌眼镜。之前我的文章中说到爱因斯坦狭义相对论光速恒定不变的原理,有人在火箭上测得的光速与在陆地上测得的光速是一致的,光速不会因为物体本身的运动而改变它的速度,虽然不符合认知的逻辑,但事实就是如此。
最近就有人提出,没有人真正测量过光速,让我们来看看到底是怎么回事。普通情况下,我们将一个石头扔出去,通过石头移动的距离除以所花的时间,测得石头移动的速度。所以我们就用这种方法来测量光速,1849年,法国物理学家斐索折了一个旋转齿轮装置,在几公里外放了一面镜子,通过齿轮数目,转速以及反射回来的光,测量出来光速大约为315,000公里/每秒。1972年埃文森团队测量出真空中计算出光速为299792.4562 0.0011公里/每秒,自此,光速被彻底的确定了下来。
但是这里有一个问题,我们测得的光速都是双向的,也就是光折射后进行了计算。那光的单向速度是多少呢?这就好比测量一根木头,拿尺子量一下就知道有多长了,但现在的测量方法是通过不同时段观察到木头的长度,或者是将木头折成两段后分别测量其长度的总和,又或者是将木头的组成原子全部加起来获得的长度。为何没有人直接测量这根木头的长度呢?
我们都知道,爱因斯坦是有名的理论物理学家,所以他基本不做实验,全是靠自己坐在那想出来的,所以他并没有测过光速,当年是通过麦克斯韦方程组计算出光速是不变的,在1905年,爱因斯坦的第一篇狭义相对论论文中提到:"只有当我们通过定义把光从A到B所需要的时间规定为等于光从B到A所需要的时间,我们才能够定义A和B的公共时间"。可能有点繁琐,简单来说就是光从A到B的时间规定等于从B到A的时间,这是爱因斯坦自己给出的一个约定前提,光在正反两个方向的传播速度是一样的。
所以我们现在明白了一件事,我们只是假设了光速的返回速度与光的单向速度的一致,并且用了这种假设来测量了光速。但其实我们是没有办法测量光的单向速度的,那么问题就出在这里,谁又能确定光的返回速度与单向速度是一样的呢?我们也来做一做思想实验,看看有没有办法测量单向光速。
假设有一个激光器,向真空状态下发射一束激光,真空距离为10000米,在发射激光的一瞬间同步启动时钟,在激光到达终点时停止计时,但问题是你和时钟都在起点,你怎么知道激光什么时候到的10000米呢?所以你需要两个时钟,一个在起点,一个在终点。当终点检测到激光的时候,就会自动停止。但是因为终点的时钟距离你有10000米,根据爱因斯坦狭义相对论的时间膨胀效应,你怎么确保两个时钟是同步的呢?
实际上无论使用任何时钟,包括原子钟在内,都没有办法做到绝对同步,所以只有在终点放一面镜子,把光反射到起点,这样就可以用一个时钟测量出20000米的时间。所以假如光往终点传播的速度与反射传播的速度不一样怎么办?有没有一种可能,光在抵达终点,再返回的速度真的不一样了,比如光用了两倍的速度到了终点,而返回起点是瞬间的,就好比量子纠缠的超距现象。换句话说,光速在前进的方向是一个速度,返回又是另一个速度。
可能会有人说,光速在各个方向的传播速度应该都是相同的,光速恒定不变可是爱因斯坦告诉我们的,但事实是光速在任何方向恒定只是个假设,一个约定,而不是经过实验验证以后的事实。事实上光在不同介质里的速度是不一样的,比如真空,水,玻璃,钻石等。有没有可能光在宇宙暗物质中的速度也不一样了,谁又能保证单向光速就一定是299792458米/每秒。
事实上科学家一直试图想找到能够找到测量单向光速的方法,但很遗憾,这也许超出了我们的能力范围,因为不管你用什么方法去测单向光速,首先我们人的物理特性就被约束了,我们需要用眼睛看,即便借助任何仪器,比如红外线,热感应,光谱分析仪,X光等等,这些都需要光这个介质来传递到相关的仪器上,这些仪器才能记录或拍摄到光,所以这样测量出来的并不是光的单向速度,于是我们实际上陷入了一个死循环。
单向光速能不能被测量出来,这是一项对人类探索与智慧的挑战。感谢大家的阅读,下次话题再见。
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