什么是现代物理学之光
“光”是现代物理学之光。
首先从视觉和光谈起。为了提醒大家视觉和光对我们的生活到底有多重要,我引用盲人作家海伦·凯勒的文章《假如给我三天光明》。她说她相信“视觉给人带来的愉悦是任何感官都无法与之相比的”。光视觉对我们是多么的重要。
对物理学,光也是同样重要。光速是有限的,光速是每秒30万千米。是的,没错。但是你有没有想过光速为什么是有限的?我们是怎么知道光速是有限的呢?怎么知道光速是有限的,其实是一个挺难的问题。因为光速太快了,人是根本看不见光的轨迹的。
但是早在1676年,我们就通过天文学观测发现了光速是有限的。当时人们已经知道用望远镜来观测天文现象,人们观测到了木星的一颗卫星木卫1的“卫食”现象。什么叫“卫食”?即,正像月食一样,太阳射向木卫1的光线被木星挡住了,便发生了“卫食”。
1676年,天文学家Rømer发现,当相对于太阳,地球处于不同的位置时,我们看到的木卫1卫食持续时间是不一样的。如果地球远离木星而去,我们看到卫食持续的时间长,如果地球是向着木星而来的,那么我们看到木卫1卫食持续的时间相对短一些。我们做一个类比,想象一条路上行驶着的汽车,两辆汽车的间隔是一定的,并且汽车的速度也是一定的。好,你向着汽车跑或远离汽车跑,你看到的两辆汽车的时间间隔是一样的吗?如果你向着汽车跑,是不是你测到两辆汽车的时间间隔要短一点?
这里长和短有一个前提条件,即汽车的速度是有限的,这样你才能测出相对的长短变化。当我们发现地球处于不同位置时测得的木卫1卫食持续时间长短不同,便知道了光速是有限的。既然光速是有限的,我们就希望测量出光速。当然了,1676年那个时候,我们对光速只有一个大体的估计,精确的测量光速是19世纪末的事情了。
迈克尔逊和莫雷做了一个著名的实验去测光速。迈克尔逊其实对物理学的发展是挺悲观的,他说物理学可能已经没有什么大发现了,物理学家的工作就是把物理常数测量到6位有效数字而已。
迈克尔逊为什么在乎这些有效数字?因为当你测到了光速的6位有效数字,你就可以知道地球相对于太阳的运动对光速有什么影响,地球绕太阳转的速度就在光速的6位有效数字那里。把光速测到这么精确的时候,迈克尔逊发现在地球上测量不同方向的光速,光速居然是一样的。也就是说,牛顿的速度叠加公式失效了,这导致了狭义相对论的基本假设之一:光速不变。
具体内容可见墨子沙龙,老师讲的很好。