每秒30万公里,不可被超越的真空光速,是怎么计算出来的?


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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 。

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 。

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 。

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 。

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 。

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 。

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 。

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 。

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 。

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 。

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 。

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 。

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 。

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