每秒30萬公里,不可被超越的真空光速,是怎麼計算出來的?

在地球上,我們的速度似乎已經足夠快了。飛機和高鐵的存在讓地球之間的距離變得很短。

但和光速比起來,我們的速度似乎又和蝸牛一樣慢,要飛出太陽系,到達更廣闊的星際空間,人類的速度是遠遠不夠的。

但光速就是最快的速度嗎?

天文學家認為宇宙十分遼闊,僅僅是可觀測宇宙的直徑就達到了930億光年,銀河系的鄰居仙女座也和銀河系相隔了254萬光年。也就是說即使以光速前進,也要254萬年才能到達離我們最近的其他星系。

但其實在最初的科學家認知里,光速應該是無限快的才對,因為當時根本沒有人或者儀器能檢測到光速的遲滯性,畢竟對于每秒30萬公里的光子們來說,赤道周長僅4萬公里的地球實在是一個很小的地方。

伽利略是有史以來第一個試圖測量光速的人,他和助手站在兩個距離較遠的山頭上,各自提了一盞燈,伽利略首先遮住燈, 助手看見他遮燈后,也會遮住自己的燈。這樣一來伽利略就可以測量自己遮住燈到助手遮住燈相差的時間。

但對于每秒30萬公里的光速來說,在地球上兩個小山包之間跑個來回就是瞬間的事,根本不是伽利略的肉眼凡胎能捕捉和感應到的, 一直到19世紀阿曼德·斐索發明了旋轉齒輪法后,光速才有了被準確測定的可能。

所謂旋轉齒輪法,就是由一個半透鏡和一個可控制的旋轉齒輪組成,通過將光源透過齒輪折射出去,自己則在半透鏡后觀察。

如果齒輪是靜止的,射出去的光到達反射鏡后就會通過相同的齒縫原路返回,齒輪動起來并達到一定的速度后,光線在到達透鏡返回時,原來的齒縫就會轉走,光線就會被擋住,此時就看不見了光了,假如齒輪轉速再快點,回來的光線就可以恰好通過下一個齒縫,光又可以被觀察到了。

這樣一來只需要知道齒輪轉速,齒數和觀察者到反射鏡的距離,就能計算出光速了,但阿曼德.斐索沒想到光速實在太快, 只能不斷延長觀測距離和齒輪齒數來提高計算精度,最后齒輪和觀察點的距離達到了8000米,齒輪的齒數到720尺,轉速到每秒12.67次后,光線才終于被遮擋住了,由此計算出的光速是每秒31.5萬公里。

雖然這一數字和目前的 每秒30萬公里存在一定差距,但在當時能得到這個數字已經很不容易了,但在天文學家看來這個速度簡直不值一提。

因為我們的宇宙空間本身正在超光速膨脹,這就導致光在傳播過程中雖然是在前進,但在幾十億光年上百億光年的空間尺度上,光其實是在倒退的。

目前已經證明:距離地球越遠的星系遠離地球速度越快,宇宙時空在145億光年外的膨脹速度也正式超過了光速,這意味著超過這個距離的星系是人類永遠聯系不上的,因為電磁波也只能以光速前進,根本追不上這些星系。

需要指出的是,宇宙空間本身的超光速膨脹并不違反相對論,因為相對論只約束了靜止質量不為0的物體無法超光速,宇宙空間本身的超光速并不在相對論的范圍之內,因此被宇宙超光速膨脹裹挾著的星系們的超光速,也并不違規。

我們目前說的可觀測宇宙,只是光到達了的宇宙, 宇宙的范圍可能已經大大地超出了我們的認知,假如我們從宇宙的一端發射一束光線,這束光線將永遠不會到達宇宙的另一端,因為光永遠追不上空間膨脹的速度。

以宇宙的尺度來看,光速還是很慢

但站在人類的實際需求來看,光速已經很快了,如果未來需要星際移民, 達到光速是基本的條件之一,超光速以目前的理論來看很不現實,但也許可以通過其他的道路繞過光速。

比如曲速引擎技術,它可以利用空間的膨脹和收縮,大大縮短行進距離,以扭曲空間的方式完成短時間內的快速移動,雖然曲速引擎現階段仍建立在理論之上,但隨著技術的不斷突破,超越光速進行星際旅行,總有一天會成為現實。

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