當前位置：
紀實傳記
> 民眾大舞台——風俗世情
> 9. 光速是極限嗎？
9. 光速是極限嗎？
從伽利略到邁克爾遜， 科學家們測量光速長達200 餘年。光速值測量得越來越精確， 人們對光在媒質或真空中傳播的規律認識得越來越深。
最初， 對於光速的認識同聲速差不多， 隻是二者的差別有90 萬倍左右。借助類比的方法進行思考， 聲音可以在空氣中傳播， 空氣就是聲音的傳播媒質， 光在什麽媒質中傳播呢？
古希臘人認為， 天上與人間是不同的。為此， 他們以月亮所處的( 球) 麵為界， 把天空分為月麵以上的空間和月麵以下的空間， 月麵以下的空間有4 種物質元素――水、氣、火、土， 而月麵以上的空間沒有這4 種元素， 而有一種別的元素――“以太”。
由於星光可以在“以太”中傳播， 荷蘭物理學家惠更斯曾提出一種觀點， 即光的傳媒是以太。後來， 光的波動說在同微粒說鬥爭中取得了勝利， 人們試圖找到“以太”， 為波動說“錦上添花”。
從英國物理學家托馬斯・揚和法國物理學家菲涅爾的研究開始， 波動說取得了初步的勝利。著名的英國物理學家麥克斯韋對前人在電學和磁學方麵研究成果進行了總結， 他於1871 年完成了他的電磁學理論體係， 發表了著名的麥克斯韋方程組。他預言了電磁波的存在， 而推導電磁波傳播的速度時， 他發現這個速度與光速完全一致。進而推論， 麥克斯韋認為， 光的本質就是電磁波。他把光的波動說進一步地發展成為光的電磁波理論， 最終實現了電、磁、光的統一。
麥克斯韋的成功是物理學發展史上的一個重要裏程碑。
但是， 對於“以太”他仍不很放心。1879 年， 他在一封信中談到了一個測量“以太”存在的實驗。這封信被美國物理學家邁克爾遜看到。這位年青的物理學家決定進行這個實驗。
如何做這個實驗呢？ 當時， 一些物理學家認為， 測量是有困難的。這相當於測一個v / C2 的值， 其中的v( 隻有0 ～100 公裏) 遠小於C 。可以想見測量的困難了。邁克爾遜是一個還不到30 歲的小夥子， 他不懼困難， 對科學實驗具有很高的熱情。
在柏林期間， 邁克爾遜設計出他的實驗。這個實驗的原理很簡單， 就像是一艘渡船在橫渡小河。
假設流水的速度為v， 船行速度為c 。由於流水的衝擊，
橫渡是不可能的， 小船必須要與橫渡的方向有一個偏角， 這個偏角恰好可以抵消水流的衝擊。這樣， 小船打個來回所用的時間：
t1= 2L 其中L 為河的寬度。
22
c -v
還有一種情況。小船順流( 速度為c +v) 行L， 再逆行( 速度為c-v) 返回原地， 所用的時間：
L L 2Lc
t2=+=2 2c+v c-v c-v
2L 2L當v= 0 ( 靜水) ，t1=c ，t 2=c ， 即t 1=t2 。
v ≠0( 流水)， t 1 ≠t2 。
地球也像一艘小船， 它行駛在以太的海洋中， 如果以太是靜止的， 地球是運動的， 地球運動時會感覺到“以太風”。這就像是坐在汽車上會感到很強的氣流吹過來一樣。
古人說“工欲善其事， 必先利其器”。為了測出地球穿越以太感覺到的“以太風”， 邁克爾遜設計出一種幹涉儀，它專門用於測量以太對光傳播產生的效應。這種效應是非常小的， 它的數量僅是v / C2 ， 其中v 為地球運動速度――3210公裏/ 秒，C 是光速。v2/ C2 大約隻有10 -左右。邁克爾遜的幹涉儀非常精密， 它完全可以測出v / C2 的光學效應。這種光學效應是幹涉效應， 具體講是一種明暗條紋的移動。這種移動很小， 隻相當於0. 004 個條紋的移動。
1881 年， 邁克爾遜做了這個實驗。然而， 測量的結果並不好。1884 年， 英國物理學家開爾文勳爵和瑞利勳爵訪美， 兩人都鼓勵這個有才氣的年輕人。1887 年， 邁克爾遜又同化學家莫雷做了這個實驗， 這個實驗也因此被稱做“邁克爾遜-莫雷實驗”。
他們改進了實驗裝置， 遺憾的是， 還是未能觀測到任何條紋的移動。失望之餘， 他們打消了繼續進行下去的念頭。
邁克爾遜-莫雷實驗的結果是， 地球相對以太的運動速度為零。這個結果使物理學家陷入了一種尷尬的境地。是不是地球未動？ 或以太根本就不存在？
如何看待邁克爾遜-莫雷實驗呢？ 物理學家都在設法“挽救以太，”盡管他們提出了很多有價值的見解， 但是都未能打破舊的理論框架。
1905 年， 年輕的物理學家愛因斯坦發表了他的著名論文――《論動體的電動力學》。他果斷地拋棄了“以太”， 大膽地從邁克爾遜-莫雷實驗歸納出一個重要的原理――“光速不變原理”。
按照我們的常識， 順流而下的船隻行駛速度為V + v， 這是顯而易見的。當一盞燈行進時， 光速的行進速度為C+ v 嗎？ 不是的！ 因為這與邁克爾遜-莫雷實驗結果相矛盾。地球繞太陽運行並不影響光的傳播速度， 幹涉儀對光速也不產生影響， 因此幹涉條紋不會移動。
在愛因斯坦看來， 光速是物質運動的極限速度， 任何粒子的運動速度都不能超越這個極限。
對於光速這個極限， 人們還存在這樣或那樣的問題， 例如， 光速為什麽是30 萬公裏/ 秒， 而不是大一些或小一些？ 超越光速可能嗎？ 存在一個不同於我們的世界――超光速世界嗎？ 諸如此類， 不但很有趣， 而且也很重要。
§§第四章 幹涉、衍射和偏振
最初， 對於光速的認識同聲速差不多， 隻是二者的差別有90 萬倍左右。借助類比的方法進行思考， 聲音可以在空氣中傳播， 空氣就是聲音的傳播媒質， 光在什麽媒質中傳播呢？
古希臘人認為， 天上與人間是不同的。為此， 他們以月亮所處的( 球) 麵為界， 把天空分為月麵以上的空間和月麵以下的空間， 月麵以下的空間有4 種物質元素――水、氣、火、土， 而月麵以上的空間沒有這4 種元素， 而有一種別的元素――“以太”。
由於星光可以在“以太”中傳播， 荷蘭物理學家惠更斯曾提出一種觀點， 即光的傳媒是以太。後來， 光的波動說在同微粒說鬥爭中取得了勝利， 人們試圖找到“以太”， 為波動說“錦上添花”。
從英國物理學家托馬斯・揚和法國物理學家菲涅爾的研究開始， 波動說取得了初步的勝利。著名的英國物理學家麥克斯韋對前人在電學和磁學方麵研究成果進行了總結， 他於1871 年完成了他的電磁學理論體係， 發表了著名的麥克斯韋方程組。他預言了電磁波的存在， 而推導電磁波傳播的速度時， 他發現這個速度與光速完全一致。進而推論， 麥克斯韋認為， 光的本質就是電磁波。他把光的波動說進一步地發展成為光的電磁波理論， 最終實現了電、磁、光的統一。
麥克斯韋的成功是物理學發展史上的一個重要裏程碑。
但是， 對於“以太”他仍不很放心。1879 年， 他在一封信中談到了一個測量“以太”存在的實驗。這封信被美國物理學家邁克爾遜看到。這位年青的物理學家決定進行這個實驗。
如何做這個實驗呢？ 當時， 一些物理學家認為， 測量是有困難的。這相當於測一個v / C2 的值， 其中的v( 隻有0 ～100 公裏) 遠小於C 。可以想見測量的困難了。邁克爾遜是一個還不到30 歲的小夥子， 他不懼困難， 對科學實驗具有很高的熱情。
在柏林期間， 邁克爾遜設計出他的實驗。這個實驗的原理很簡單， 就像是一艘渡船在橫渡小河。
假設流水的速度為v， 船行速度為c 。由於流水的衝擊，
橫渡是不可能的， 小船必須要與橫渡的方向有一個偏角， 這個偏角恰好可以抵消水流的衝擊。這樣， 小船打個來回所用的時間：
t1= 2L 其中L 為河的寬度。
22
c -v
還有一種情況。小船順流( 速度為c +v) 行L， 再逆行( 速度為c-v) 返回原地， 所用的時間：
L L 2Lc
t2=+=2 2c+v c-v c-v
2L 2L當v= 0 ( 靜水) ，t1=c ，t 2=c ， 即t 1=t2 。
v ≠0( 流水)， t 1 ≠t2 。
地球也像一艘小船， 它行駛在以太的海洋中， 如果以太是靜止的， 地球是運動的， 地球運動時會感覺到“以太風”。這就像是坐在汽車上會感到很強的氣流吹過來一樣。
古人說“工欲善其事， 必先利其器”。為了測出地球穿越以太感覺到的“以太風”， 邁克爾遜設計出一種幹涉儀，它專門用於測量以太對光傳播產生的效應。這種效應是非常小的， 它的數量僅是v / C2 ， 其中v 為地球運動速度――3210公裏/ 秒，C 是光速。v2/ C2 大約隻有10 -左右。邁克爾遜的幹涉儀非常精密， 它完全可以測出v / C2 的光學效應。這種光學效應是幹涉效應， 具體講是一種明暗條紋的移動。這種移動很小， 隻相當於0. 004 個條紋的移動。
1881 年， 邁克爾遜做了這個實驗。然而， 測量的結果並不好。1884 年， 英國物理學家開爾文勳爵和瑞利勳爵訪美， 兩人都鼓勵這個有才氣的年輕人。1887 年， 邁克爾遜又同化學家莫雷做了這個實驗， 這個實驗也因此被稱做“邁克爾遜-莫雷實驗”。
他們改進了實驗裝置， 遺憾的是， 還是未能觀測到任何條紋的移動。失望之餘， 他們打消了繼續進行下去的念頭。
邁克爾遜-莫雷實驗的結果是， 地球相對以太的運動速度為零。這個結果使物理學家陷入了一種尷尬的境地。是不是地球未動？ 或以太根本就不存在？
如何看待邁克爾遜-莫雷實驗呢？ 物理學家都在設法“挽救以太，”盡管他們提出了很多有價值的見解， 但是都未能打破舊的理論框架。
1905 年， 年輕的物理學家愛因斯坦發表了他的著名論文――《論動體的電動力學》。他果斷地拋棄了“以太”， 大膽地從邁克爾遜-莫雷實驗歸納出一個重要的原理――“光速不變原理”。
按照我們的常識， 順流而下的船隻行駛速度為V + v， 這是顯而易見的。當一盞燈行進時， 光速的行進速度為C+ v 嗎？ 不是的！ 因為這與邁克爾遜-莫雷實驗結果相矛盾。地球繞太陽運行並不影響光的傳播速度， 幹涉儀對光速也不產生影響， 因此幹涉條紋不會移動。
在愛因斯坦看來， 光速是物質運動的極限速度， 任何粒子的運動速度都不能超越這個極限。
對於光速這個極限， 人們還存在這樣或那樣的問題， 例如， 光速為什麽是30 萬公裏/ 秒， 而不是大一些或小一些？ 超越光速可能嗎？ 存在一個不同於我們的世界――超光速世界嗎？ 諸如此類， 不但很有趣， 而且也很重要。
§§第四章 幹涉、衍射和偏振
