1、光的思考,04物理一班 江峰 PB04203005,光,光是一种普遍存在的物质，它也是人类最早关注的物质之一；每当人类对光有了新的认识，人类对大自然的认识也就上了一个新的台阶。对光的认识是在不断的实验和摸索中发展起来的。难免的会有很多不是太清楚的地方等待我们去开拓，钻研。,光,众所周知，光在不同介质中的运动速度有所不同，它在真空中的速度大约为每秒30万公里，而在其他介质中的速度则略低于其在真空中的速度。根据现代实验，光在真空中的传播速度为29971010厘米/秒，它围绕地球赤道转一圈的时间还不到1/7秒 。,光速不变原理,1905年爱因斯坦发表狭义相对论。他阐述了一个通用原则：相对任何以恒定速
2、度运动的观察者 来说，不管这个速度是多少，物理原理及光速都是一样的。这也就强调了光速在物理学的根本地位。 事实上，爱因斯坦在物理学上的重大贡献在于提出了相对论，而相对论之所以引入关注的原因之一，则在于爱因斯坦提出的相对论中，有一项基本原理,即光速不变原理。,光速不变原理,光速不变原理涉及到光这种物质与其他物质的关系问题.所谓的“光速不变”是一种通俗的、不够严谨的说法。正确的表述应该是：“光以其特有的速度运动，它的运动速度与发光体的运动速度无关，也与观测者的运动速度无关。”,光速不变原理,在爱因斯坦的学术观念里，有许多未加证明的内容，其中与光有关的内容涉及到：1，物体可以经由常规方式加速到光速（
3、也不排除超过光速），从而推导出高速运动的物体存在着时间和空间的尺度变化现象；2，光是可以由发光体生成出来的；3，光是可以被吸光体吸收并消失或转化到吸光体之内的。,测量光速,那我们来看看,在历史上,光速都是怎么样被测出来的。 由于光速太大了，所以大多数古代的学者(包括原则上不承认瞬时作用原理的亚里士多德)都认为光速是无限大的。近代的开普勒和笛卡尔也持这种看法。,测量光速,伽利略首次测量但是伽利略认为光速是有限的,他第一次去测量光速。根据速度（v）=距离（s）/时间（t）就可以从理论上测出光线传播的速度。在这个测光速的实验中，存在着两次反应时间，假定每次反应时间为05秒，则整个实验中反应时间为1秒
4、钟，在这段时间内光线已绕地球赤道转许多圈了。在19世纪以前，没有一个人在地面上成功地测量了光速的。,测量光速,木星周期为12年，卫星中有4颗最亮的可用望远镜看到.而且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74天），它走过自己直径那样的距离约需35分钟，因而用望远镜可以观察到它刚发生蚀的瞬间.,测量光速,天文测量法1676年丹麦天文学家罗默指出光速是有限的 。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，;另一方面此卫星蚀的周期过程又是一个准确的时
5、钟.如果地球相对于木星的距离不变，或者光速为无限大。则两次蚀之间的时间间隔是一定的。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。,测量光速,如图,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蚀的时间，一般并不刚好发生在所推算的时间。当地球从E1到E2时，看到蚀的时间较推算出的时间迟。这是因为当地球运动时，地球与木星的距离增大，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。当地球由E4到E5时，地球与木星的距离在减小，自木星
6、来的任一信号都比前一信号少走一些距离。,测量光速,齿轮法1849年德国物理学家菲索用“齿轮法”测出光速。如图所示，从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，再反射回来,通过半镀银镜A射入观察者眼中。,测量光速,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t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t，再测出M、N间的距离，就可以算
7、出光速。,测量光速,旋转棱镜法19241927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，测得了光速.其结果非常接近后来用极其精密的仪器测出的结果.,测量光速,左边是凹面镜将从右面射过来的光线反射到平面镜，经平面镜反射凹镜再反射变成与原方向相反的光线。右边是八面棱镜将位于上方的光源射到面1的光线向左反射到凹镜。反射回来的光线再射到八面棱镜面3.经面3反射后，光线射到望远镜筒,可以被观察者看见. (要指出的是凹镜到八面镜的距离相当远),测量光速,转动八面镜，这样从面1反射的光线从凹镜反射回来时，面3已转了过去，在望远镜里就看不到反射光线了。不断地将八面镜转速加快，当快到一
8、定程度，使得光线从凹镜反射回来时，面2正好转到了面3的位置，望远镜筒里又能看得见这条光线了。光在反射的过程中所化的时间就等于八面棱镜面2转到面3 的位置的时间，只要测出八面棱镜的转速，计算出八面镜转过1/8周的时间t，于是把距离除以这个时间t就能得到光在空气里的传播速度了。,对测量过程的思考,事实上，我们可以发现,由于目前测量光速的方法都利用了光的反射现象，而光的反射所经历的时间却没有被考虑进去，因此目前的光速数值应当与真实的情况有所差异。 我们测量到的光速，实际上是由光速不变原理的光的运动和光在介质中由于反射、吸收、再反射（包括折射）所增加的距离、所消耗的时间共同构成的。,光速不变？,长期以
9、来，光在被物体反射的过程中是否需要时间的问题，至今没有得到答案。与此同时，发光体在发光的那一刻，光从零速度上升到光速的过程，吸光体在吸收光的那一刻，光从光速下降为零速度的过程，它们都是如何实现的，仍然没有一个足够合理的解释。,光速不变？,对此，目前的量子力学是用原子内的电子在轨道上的跃迁来解释光的发射和光的吸收现象的.但是这种跃迁理论并没有解释光在生成与吸收过程中是如何变速的，以及这种变速是否需要时间。当然更没有说明光究竟是用什么东西如何来生成的，而光在被吸收后又变成了其他的什么东西。,光速不变？,普通物体可以经由常规加速方式而达成以光速运动的状况吗？假如普通物体达到光速时它也就变成了光，问题
10、是我们能否用对普通物体加速的方式来制造光？如果不能，那么普通物体所能达到的最高速度又是多少呢？ 如果能，那我们是不是就可以说我们创造了光呢？,光的其他奇怪性质,光在真空中的运动速度与光源运动速度无关，是不变的.举例说明：例1：某飞机向对于地面速度为v机，飞机上向前发射一颗子弹，子弹相对于飞机的速度为v弹，则子弹相对于地面速度为v=v机+v弹，两速度是迭加的。若飞机向前发射声波，情况就不同了。从地面观察v声=331m/s，声速是常数，与飞机速度无关，而声音相对于声源（飞机）的速度反而为（v声v机）。若飞机超音速飞行，则把声音抛到后面了，声速为负值。例2，打水漂的时候，石头不断拍打水面，最终沉入水
11、中，每一次拍打水面都激起波纹，而波纹是以石头触水点为中心向四周扩散的，波速恒定，与石头速度无关。例3，轰炸机扔的炸弹下落时呈抛物线，炸弹落入海中或大河中，激起很大的波纹，波纹也是均匀向四周扩散，波速恒定，中心是上下振动，不向远处移动，与炸弹水平速度无关。,光的其他奇怪性质,如果人运动的速度快到足以跟上光的脚步，光看起来是什么样子的。理论上它看上去像是你身边一个静止的峰，想象你在一枚火箭里，与一道激光脉冲一同冲入宇宙空间。 地球上的观察者会看到这一脉冲以光速远去。无论你相对于地球运动的速度为多少，光线仍以光速超越你。 看起来似乎很荒谬，但这是真的。使这为真的唯一途径，就是你火箭中的居住者和地球表
12、面的观察者以不同方式衡量时间和空间。,光的其他奇怪性质,引力是无法自由运动的观察者们经历的某种幻象。如果我们自由落体地落向太阳，光线看上去会以恒速沿直线经过我们身边。对任何自由落体的观察者来说，经过他的光线都以恒定速度运动。不过，它在掠过扭曲其附近时空的大质量物体时，看上去会弯曲和加速。,光的其他奇怪性质,没有任何物体能加速到光速。 不管我们建造动力多么强劲的飞船，它们也永远不能到达光 速。这是因为物体运动得越快，其动能越大，惯性也越大。爱因 斯坦在他的E=mc2公式中指出，能量和质量或者说惯性相关联。 因此一个物体的动能增加，它的惯性也增加，从而越来越难继续 加速。这是一个收益递减原理：你对一个物体做的功越多，它就 变得越重，加速的效果也越微弱。,水平有限难免有不当之处希望老师及助教给予指正,谢谢,
