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为了寻找光速的微小波动,研究人员认为可以在较大的宇宙尺度上寻找其痕迹,在一些极端而遥远的天文现象中观察光的速度性质,比如伽玛射线暴可以产生强大的脉冲辐射,并且能作用相当长的距离,在如此大的尺度上光速的波动是可以被检测到的。此外,马塞尔·尔本以及其他小组成员还建议使用镜子反射激光光速来验证光速是否是非恒定的理论,这个实验方法与著名的掩等测量光速实验有些类似,通过计算一束激光在反射镜中反弹的次数来验证光速是否恒定。2100433B
真空光速作为物理学上的重要常数,是科学家马塞尔·尔本研究的重点,由于光速的限制,超光速宇宙飞船是否能实现呢?
据国外媒体报道 ,众所周知,光速是物理学上的一个重要常数,爱因斯坦的相对论中认为物体的运动速度无法超过真空中的光速,但是一些科学家正在探索光速是否为非恒定的可能性,这一宇宙速度极限可能与空间真空性质有关。光的速度在宇宙学和天文学上都有明确的定义,光速不仅是电磁波的传播速度,同时也适用于万有引力的作用,在假设光速恒定的条件下,科学家又推出了许多结论,比如物理学上的无量纲数:精细结构常数(阿尔法)、定义电磁力的强度等。变化的光速会改变分子键的性质以及核物质的密度。
光速恒定的前提也与宇宙的大小存在关联,非恒定的光速可能导致宇宙的收缩,但光速是宇宙中任何物体都不可能超过的速度。在2013年3月份,欧洲物理学期刊D发表了两篇关于光速的论文,研究人员试图从宇宙空间的量子特性角度寻找光速的奥秘,两篇论文都提出了不同的光速作用机制,认为在一个假设出现改变的前提下,光速可能出现改变,但是这样的空间并不是“空”的,而是充满了虚拟粒子的巨大“宇宙汤”。
由于光速被认为是无法超越的,而且星系之间有着巨大尺度的空间,因此科学家提出了多种超光速旅行的方法,比如一种被称为“时空波”的技术可让星际飞船以“冲浪”的方式实现超光速旅行。到目前为止,科学家对曲速驱动的方式几乎一无所知,未来的太空飞船会是何种模样也是个未知数,曲速飞船背后的物理基础纯粹是理论上的认识,而且还需要提供大量的能量源。
来自法国巴黎第十一大学物理学家马塞尔·尔本在他的论文中提到,看上去似乎是宇宙真空的环境通常被假设为空的空间,量子物理学定律在粒子尺度上可“规范”亚原子粒子等的行为,我们所说的空的空间实际上是充满了基本粒子,比如夸克等,这些虚粒子使得真空环境出现微小的变化,从而决定了光速可能不是常数,应该是随着虚粒子波动出现一定程度的改变。宇宙中的虚粒子是无法被直接探测到的,但是它们在量子物理学中确是存在的,从量子水平上来看,空的宇宙空间并非是虚空,其中充满了基本粒子对,比如夸克和反夸克,它们与自己对应的粒子总是呈现配对的关系,当物质与反物质粒子碰撞时就会发生湮灭。
光子在宇宙空间中穿梭时,可与虚粒子发生相互作用,对此物理学家马塞尔·尔本和他的同事们提出了虚粒子能量可能使光速发生改变的理论,由于虚粒子与光子之间的相互作用存在随机的特点,因此光子的移动速度也会随该影响的作用而出现变化。对于光速非恒定的理论假设,马塞尔·尔本通过本项研究提出了在量子理论框架下的介电常数和磁导率,认为光速的非恒定需要这两个因素的作用,而且真空中单位体积的虚粒子数量与光子的传播速度存在关联。凭借着先进的观测仪器,科学家们已经精确测量了光速,即便虚粒子对光速构成了影响,那么这样的影响也应该是非常微小的。
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关于光拍法测光速实验中光电流表示式的探讨
利用光拍法测光速实验是一个比较重要的近代物理实验。在相关文献关于光拍形成原理的介绍中,光电探测器输出光电流的表示式有误。从光电探测器的光电计数理论的基本公式出发,对探测器输出的光电流表示式进行了推导,并对推导结果进行了分析讨论。最后指出了相关文献中出现错误的原因。
用统计的方法研究光拍法测光速实验中的电流表达式
根据光电子具有泊松分布的特点得到一定光强的光入射到光电探测器后,光电流的表达式,并对光电流的起伏误差进行了分析。
超光速(faster-than-light,FTL或称superluminality)会成为一个讨论题目,源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制,光速成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。而在相对论中,运动速度和物体的其它性质,如质量甚至它所在参考系的时间流逝等,密切相关,速度低于(真空中)光速的物体如果要加速达到光速,其质量会增长到无穷大因而需要无穷大的能量,而且它所感受到的时间流逝甚至会停止,所以理论上来说达到或超过光速是不可能的(至于光子,那是因为它们永远处于光速,而不是从低于光速增加到光速)。但也因此使得物理学家(以及普通大众)对于一些“看似”超光速的物理现象特别感兴趣。
物体要到光速需要无限能量,而在平行空间下无法超光速。
现已有科学家提出设想:将物体前方的空间压缩,将物体后方的空间扩大来超过光速。只是需要巨大的能量,现有科技也无法做到。
光在同一种均匀的介质中沿直线传播。
光速是有限还是无限,到17世纪还有争议,笛卡尔认为是无限的,伽利略认为是有限的。17世纪初,伽利略用测量声速的方法来测量光速,他让两个人各提一盏有遮光板的灯,并分别站在相距约1.6千米的地方,令第一个人先打开他的灯,同时开始计时;第二个人见到第一个人的灯亮时,立刻打开自己的灯;当第一个人看见第二个人的灯亮时,停止计时,这样测出光从第一个人到第二个人再返回所用的时间,再测出两地的距离,就可以计算出光的速度。从原理上讲,伽利略的方法是对的,但是实验失败了。这是因为光速很大,1/7秒能绕地球一周多,靠当时的条件在地球上用通常测声速的方法测光速是难以实现的。于是,人们把测光速的场地移到太空。在伽利略去世后约30年,丹麦王文学家罗默在观察木星的卫星食中,于1676年指出光速是有限的。
木星是一个周期为12年的太阳行星,它有11个卫星——木星的月亮,其中4个最亮的可用合适的望远镜看到,它们绕木星旋转的轨道平面几乎重合于地球和木星绕太阳旋转的轨道面。因而木星的卫星每绕木星一周将在进入木星影处发生一次蚀。最接近于木星的卫星,其周期是42小时28分16秒(约为7/4天),它走过自己直径那样的距离约需3.5分钟,因而用望远镜可以观察到它刚发生蚀的瞬间,在这个系统里,木星的卫星蚀,一方面作为一个信号供地球上人来观察,同时,此卫星蚀的周期过程又是一个准确的时钟,如果地球相对于木星的距离不变,或者光速为无限大(信号由木星那里传到地球不需要时间),则每隔42小时28分16秒自然就看到该卫星的蚀一次。但是,众所周知,光速不是无限大,并且地球每时都在改变着它与木星的距离,所以在地球上看到的木星的卫星相邻蚀之间的时间间隔是变化的。显然这个变化与地球相对于木星的距离的变化和光速的大小有关。
罗默经过长期细心的观察,他发现:若地球在E1和木星在J1看到一次木星卫星蚀,再用平均周期推算此后任一次蚀的时间,则后一次蚀一般地并不刚好发生在所推算的时间。例如当地球在经过E1之后约三个月行至E2处,实际看到蚀的时间较推算出的时间延迟了约10分钟。这是因为当地球在作自E1向E2而达E3的运动时,地球与木星的距离在逐渐增大,自木星来的任一信号都必须比前一信号多走一些距离才到达地球。经过由E1到E2的三个月,所有相邻蚀的时间延迟的总和约为10分钟。当地球继续由E2经过E4而向E5运动时,地球与木星的距离在逐渐减小,自木星来的任一信号都比前一信号少走一些距离。罗默从他的测量得出,光走过与地球轨道半径等长的距离所需的时间约为11分钟。在罗默的时代只知道地球轨道半径的近似值,当取此半径为149.7×106千米时,算得光速c=215000千米/秒。
在地球上较短的距离内用实验的方法测出光速是19世纪中叶的事了。1849年法国物理学家菲索用“齿轮法”测出光速。从光源S发出的光,射到半镀银的平面镜A上,经A反射后,从齿轮N的齿间空隙射到反射镜M上,然后再反射回来,通过半镀银镜射入观察者眼中。如果使齿轮转动,那么在光从齿间到达M再反射回齿间的时间Δt内,齿轮将转过一个角度。如果这时齿a和a′间的空隙恰好被a所占据,则反射回来的光被遮断,因而观察者将看不到光。但如果这时齿轮恰好转到下一个齿间空隙,由M反射回来的光从齿间空隙通过,观察者就能重新看到光。齿轮的齿数已知,测出齿轮的转速,可算出齿轮转过一个齿的时间Δt,再测出M、N间的距离,就可以算出光速。菲索当时测得空气中的光速:c=315300千米/秒。1851年,法国物理学家傅科用旋转镜法测得空气中的光速:c=298×108米/秒。傅科还第一次测出了光在水中的传播速度为2.23×108米/秒,相当空气中光速的四分之三。
1924—1927年,美国科学家迈克尔孙综合菲索和傅科测光速方法的优点,用旋转棱镜法,在美国海拔5500米、相距35千米的威尔孙山和圣安东尼奥山进行实验,精确地测得光速:c=299796±4千米/秒。非常接近1975年第15届国际计量大会决议采用的光速值c=299792.458±0.001千米/秒。他就在这次测量过程中中风,于1931年去世。
在激光得以广泛应用以后,开始利用激光测量光速。其方法是测出激光的频率和波长,应用c=λν计算出光速c,这种方法测出的光速是最精确的。根据1975年第15届国际计量大会决议,把真空中光速值定为c=299792458米/秒。在通常应用多取c=3×10^8米/秒。
在物理学中,光速是一个重要的基本参量。光波波长的测量、相对论中的质能关系、基本粒子的运动质量等都与光速有关;在科学研究、精密计量、工程技术、航空航天、数据通讯等许多领域这一参数更有着广泛的应用,因而正确测定真空中的光速具有十分重大的意义。但由于光速每秒钟约达 30 万公里(目前公认的光速值为 c=299792458 ± 1.2 米 / 秒),近距离测量光速需要相当精密的仪器,这对空间有限、资金不足的实验室来说就需要另辟蹊径来完成一般精度下光速测量的实验项目。
有鉴于此,华东师范大学科教仪器厂开发出新一代的 GS-1 型光速测量仪。该仪器利用电信号对发射光进行调制,并在一定距离外将接收光进行解调,再通过发射与接收两信号之间的相位差来间接获得光速的实测值
实验精度: 误差≤ 5%
半导体激光器: 波长: 650nm
功率: 30mW
调制信号频率: 60MHz
参考信号频率: 59.9MHz
外型尺寸: 发射模块:200 ×100× 185
接受模块: 104 × 75 × 35
导轨: 长度: 1.5m
线缆: 长度: 2.5m 7 芯射频同轴混合电缆
有机玻管: 长度: 0.5m
直径: Φ 32mm。1. 本仪器可进行下列实验:
利用双踪示波器定量比较光在空气中传播时发射和接收信号间的相位差,求得光速值。测量光在水中传播时的速度 。
移动接收单元用双踪示波器观察光在空气中传播时接收波形的相移过程 。
用示波器或频率计观察和测试两基准信号的波形和频率。
2. 本仪器有下列特性:
利用高频信号对发射光进行调制,对接收光进行解调。
通过发射与接收两信号间的相位差,获得光速的实测值。
适用于基础物理实验条件下的光速测量。