光速真的是不會變的嗎?
1975年,科學家們終於統一意見:真空光速為299,792,458米/秒。不過,光速為何是這個速度?它又為何如此重要?若要回答這些問題,我們必須了解空間、時間、物理學、測量方法等。但如今,現代研究首次對光速提出質疑。
十七世紀初,人們普遍認為,光沒有速度,它是瞬間產生的。隨後,這個觀點受到了挑戰。1629年,荷蘭科學家以撒·貝克曼在火藥爆炸周圍安置了一些鏡子,讓觀察者注意閃光出現時間是否存在差異。不過,這個實驗結果並不令人信服。
1676年,丹麥天文學家奧勒·羅默注意到,某顆木星衛星的月食時間在一年中存在奇怪的變化。他認為,這是由於地球遠離木星時,光需要走更長時間才能到達地球。據他粗略計算,光速約為22萬千米/秒。這個計算結果還不賴,尤其考慮到他所採用的行星數據並不那麼準確。
此後,科學家在地球上進行了各種實驗,結果越來越接近正確值。19世紀中期,物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋推出了麥克斯韋方程組,用於測量真空中的電場和磁場。他注意到,無質量電磁輻射波的速度和人們所推測的光速非常接近。於是,他認為二者可能完全相等。
麥克斯韋是對的。人類首次得以根據其它宇宙常量來測量光速。與此同時,麥克斯韋的研究成果表明,光本身就是一種電磁波。這個觀點被證實後,愛因斯坦在1905年將此觀點作為狹義相對論的一部分。
如今,光速通常被認為是狹義相對論的基石。光速與時空不同,它是恆定的,與觀察者無關。此外,這個常量支持了許多宇宙知識。它和引力波速度相同。
針對光速,我們不僅擁有麥克斯韋和愛因斯坦的理論。科學家進行了大量光速測量實驗(如反彈激光、觀察地球引力),所有實驗都得出了相同的結果。
然而,故事並未就此結束。量子場論認為,真空並不空,它遍布基本粒子,這些粒子在真空中迅速出現並消亡。科學家推測,這些粒子會製造電磁漣漪,而電磁漣漪可能會導致光速的變化。
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