书城教材教辅课本上读不到的物理故事
19802400000020

第20章 有趣的光学(6)

既然光跑得那么快,伽利略又是怎样测量出光速的呢?首先伽利略请了两个人提着灯笼分别爬上相距一公里的山上,此时灯笼是掩着的,也就是光不能传到对方的眼睛里面。为了讲述方面,我们把这两个人称为A和B。两人各就各位之后,A掀开灯笼,灯笼发出光亮,与此同时A开始计时;当光亮到达对面山上的B处时,B立即打开自己的灯笼;一段时间后,光亮传到A处,A停止计时。

这就是伽利略测量光速的方案,根据A记下的从他自己开灯的一瞬间、到信号从B返回到A的一瞬间所经过的时间间隔t,我们就可以算出光速c=2s/t,其中的s就是A和B之间的距离。

虽然这样测量出的光速并不是很精确,但是它却从一个角度证明了光的速度是有限的。打破一个错误的结论,即使数据有误差,这个实验也是具有非凡意义的。

【物理碰碰车】千奇百怪的速度

1大陆移动的速度与指甲生长的速度恰好相等——都是每年5~7厘米;

2成人全身约有500万个毛囊,其中10万个在头皮,也就是我们约有10万根头发。每根头发每天生长约1/3毫米,每月可以生长1厘米。这样10万根头发每天一共生长30米,每年就可以生长10公里;

3咳嗽是人体排斥异物的反应,平均速度是每小时140公里。

迟到的时间——原子钟实验

“叮铃铃——”啊!已经八点了,上课迟到了!飞快地穿衣、洗漱、然后拎包飞奔出门……这时候,你最希望什么事情发生?一定是时间倒流吧。如果能够回到7点,我们就可以坦然悠闲地起床穿衣出门……那么时间能倒流吗?你一定很想知道答案!

理论上讲,时间旅行是存在的。这个理论,就是爱因斯坦的相对论。相对论原理显示:当物体的运动速度接近光速时,时间就变得缓慢;等于光速时,时间就静止;超过光速时,时间就会倒流!这里,最关键的一点就是——光速!

根据爱因斯坦的相对论,假如超过了光速,那么时间和空间将会发生改变。反过来说,假如时间与空间都改变了,是不是就意味着有超光速呢?的确,在世界各地,都曾有过超越时空的发现,但是这个问题还一直在研究中。

那么人类有没有超越光速的可能呢?其实,你之所以能感受到世间万物,是因为它们发出的信息可以以一定的速度传递给你。但这些速度,都没有光速快。那么,如果你能做超光速运动,那么,万物发出的信息就会被你追赶上,也就是说,你能看到它们的过去了。这样,你就回到了过去,时光就倒流了!

这下明白了吧,理论上时间也是会“迟到”的。但实际上,这还要依赖于超光速飞行。试想一下,如果人类研制出了超光速飞船,就可以飞出太阳系、银河系,到深深的宇宙中去发现其他的世界……

当然,这些都只是想象。科学家曾经根据爱因斯坦的相对论原理,通过高速火箭发射原子钟进行试验,证实了时间确实会“迟到”,因为原子钟落回地球的时间比地面上的钟慢了一点。可即便如此,到目前为止,人类依然没有找到造出超光速飞船的办法。

对超光速飞船来说,能量是个大问题。科学家曾计算,如果一艘飞船以半光速飞行,它将需要承载相当于它自身重量80倍的氢。80倍啊!这怎么可能呢?有人为此建议,在飞船上安装一个氢收集装置,一边飞行一边收集燃料,从而减轻载重。但据计算,这样一个装置的长度竟达25英里!

所以,如果没有合适的燃料和发动机,想建成超光速飞船是困难的。尽管人类疯狂地想穿越,想了解宇宙,但超越光速依然很遥远。

【物理碰碰车】原子钟的应用

原子钟是一种精密的计时器具,目前最常见的是氢原子钟,它广泛应用于许多实验室和生产部门,主要利用原子能级跳跃时反射的电磁波来控制和校准石英钟,氢原子钟用的是氢原子。这种钟的稳定程度相当高,常被用来做时间的频率标准,被广泛应用于射电天文观测、高精度时间计量、火箭和导弹的发射和核潜艇导航中。

超光速是不可能的吗

看了前面的故事,我们知道目前的科学技术条件下,超光速还是一个梦想,但是想象是科学研究的灵感之一,你能不能想到一些超越光速的方法呢?下边这两位小朋友就在畅想超光速呢?

阳阳、静静是好朋友,她们经常在一起讨论科学问题。

“宇宙中最低的温度是多少?”阳阳问。

“是-27315℃。”静静回答道。

“宇宙中最快的速度是多少?”

“是光在真空中的传播速度,30万千米/秒。”

“对了,你真聪明,书中说这是宇宙的两个极限,人类可以无限地接近极限,但永远也不能超越和达到。”

“不是有人在探索超光速吗?超光速真的太吸引人了。你想,如果我们能坐上超光速飞船,那就可以亲眼看到历史上发生的事了。”

“这么说,只要继续向前,还能看到清朝的情景,看到唐朝,看到春秋战国,看到北京猿人呢!”阳阳兴奋了。可是转念一想,“光越往前传播越弱,恐怕看不到呢!”

“是越传越弱,但这只是个技术问题,只要弱光逐级放大就行了。所以,不管技术上暂时能不能做到,从原理上讲,是应该看到的。”

“这倒是。”

“不过,爱因斯坦说,在真空中的光速是速度的极限,不可能有超过光速的速度。超过水中的光速是可能的,但超过真空中的光速则不可能。”

“太郁闷了,不,我有办法:在20万千米/秒的高速飞船上,顺着运动方向再向前发射速度是30万千米/秒的光,你说这光的速度是多少?”

“不知道。这倒像顺水行舟的情况。”

“我就是这么想的。如果船在静水中的速度是5米/秒,水流速度是2米/秒,那么船顺水运动的速度是多少?”

“当然是(5+2)米/秒啦!”

“依此类推,那飞船上发出的光,应该有(23+30)万千米/秒的速度,这不就超过光速了吗?”

“好像有些道理。可为什么科学家都说不行呢?”

“当然是我们错了,可不知道错在哪里。”

他们去找赵老师。赵老师说:“你们将平时我们周围低速运动的规律推广到高速世界中了,其实高速运动世界并不遵守这些规律。这里说的低速,是相对于光速来说的。发射人造卫星时,最高速度也不过8千米/秒;发射人造行星时,最高速度也不过12千米/秒,比起光速来,都只能算低速度。在低速世界里,一个物体同时参与两个运动时,两个运动速度可以相加。如顺水行舟的计算公式那样。但对如光速的高速运动来说,就不能用这种简单的加法,它有另外的规律,另外的计算公式。按照它的公式计算,最高速度仍是真空中的光速。换句话说,不管在哪里观测,不管谁去观测,光在真空中的速度是不变的,都是30万千米/秒。”

“任何客观的规律,都有它的适用范围,不能不顾适用条件随意搬用。对于‘超光速是不可能的’这一结论,也应这样去对待。所以科学界一直没有放弃对超光速的探索。”

【物理碰碰车】让通信方式超越光速

自19世纪进入通信时代以来,人们就一直梦想着一种比光速更快的瞬时通信方式。这种方式使得信息的传递不再通过信息载体(如电磁波)的直接传输来完成,而是通过一种类似于心灵感应的神秘机制,从而使通信不再受空间距离的限制。今天,科学的发展已经为我们提供了这种神秘的机制,这就是量子非定域影响或量子超光速影响,而依此实现的通信方式被称为量子超光速通信。