当前位置：
纪实传记
> 民众大舞台——风俗世情
> 9. 光速是极限吗？
9. 光速是极限吗？
从伽利略到迈克尔逊， 科学家们测量光速长达200 余年。光速值测量得越来越精确， 人们对光在媒质或真空中传播的规律认识得越来越深。
最初， 对于光速的认识同声速差不多， 只是二者的差别有90 万倍左右。借助类比的方法进行思考， 声音可以在空气中传播， 空气就是声音的传播媒质， 光在什么媒质中传播呢？
古希腊人认为， 天上与人间是不同的。为此， 他们以月亮所处的( 球) 面为界， 把天空分为月面以上的空间和月面以下的空间， 月面以下的空间有4 种物质元素――水、气、火、土， 而月面以上的空间没有这4 种元素， 而有一种别的元素――“以太”。
由于星光可以在“以太”中传播， 荷兰物理学家惠更斯曾提出一种观点， 即光的传媒是以太。后来， 光的波动说在同微粒说斗争中取得了胜利， 人们试图找到“以太”， 为波动说“锦上添花”。
从英国物理学家托马斯・扬和法国物理学家菲涅尔的研究开始， 波动说取得了初步的胜利。著名的英国物理学家麦克斯韦对前人在电学和磁学方面研究成果进行了总结， 他于1871 年完成了他的电磁学理论体系， 发表了著名的麦克斯韦方程组。他预言了电磁波的存在， 而推导电磁波传播的速度时， 他发现这个速度与光速完全一致。进而推论， 麦克斯韦认为， 光的本质就是电磁波。他把光的波动说进一步地发展成为光的电磁波理论， 最终实现了电、磁、光的统一。
麦克斯韦的成功是物理学发展史上的一个重要里程碑。
但是， 对于“以太”他仍不很放心。1879 年， 他在一封信中谈到了一个测量“以太”存在的实验。这封信被美国物理学家迈克尔逊看到。这位年青的物理学家决定进行这个实验。
如何做这个实验呢？ 当时， 一些物理学家认为， 测量是有困难的。这相当于测一个v / C2 的值， 其中的v( 只有0 ～100 公里) 远小于C 。可以想见测量的困难了。迈克尔逊是一个还不到30 岁的小伙子， 他不惧困难， 对科学实验具有很高的热情。
在柏林期间， 迈克尔逊设计出他的实验。这个实验的原理很简单， 就像是一艘渡船在横渡小河。
假设流水的速度为v， 船行速度为c 。由于流水的冲击，
横渡是不可能的， 小船必须要与横渡的方向有一个偏角， 这个偏角恰好可以抵消水流的冲击。这样， 小船打个来回所用的时间：
t1= 2L 其中L 为河的宽度。
22
c -v
还有一种情况。小船顺流( 速度为c +v) 行L， 再逆行( 速度为c-v) 返回原地， 所用的时间：
L L 2Lc
t2=+=2 2c+v c-v c-v
2L 2L当v= 0 ( 静水) ，t1=c ，t 2=c ， 即t 1=t2 。
v ≠0( 流水)， t 1 ≠t2 。
地球也像一艘小船， 它行驶在以太的海洋中， 如果以太是静止的， 地球是运动的， 地球运动时会感觉到“以太风”。这就像是坐在汽车上会感到很强的气流吹过来一样。
古人说“工欲善其事， 必先利其器”。为了测出地球穿越以太感觉到的“以太风”， 迈克尔逊设计出一种干涉仪，它专门用于测量以太对光传播产生的效应。这种效应是非常小的， 它的数量仅是v / C2 ， 其中v 为地球运动速度――3210公里/ 秒，C 是光速。v2/ C2 大约只有10 -左右。迈克尔逊的干涉仪非常精密， 它完全可以测出v / C2 的光学效应。这种光学效应是干涉效应， 具体讲是一种明暗条纹的移动。这种移动很小， 只相当于0. 004 个条纹的移动。
1881 年， 迈克尔逊做了这个实验。然而， 测量的结果并不好。1884 年， 英国物理学家开尔文勋爵和瑞利勋爵访美， 两人都鼓励这个有才气的年轻人。1887 年， 迈克尔逊又同化学家莫雷做了这个实验， 这个实验也因此被称做“迈克尔逊-莫雷实验”。
他们改进了实验装置， 遗憾的是， 还是未能观测到任何条纹的移动。失望之余， 他们打消了继续进行下去的念头。
迈克尔逊-莫雷实验的结果是， 地球相对以太的运动速度为零。这个结果使物理学家陷入了一种尴尬的境地。是不是地球未动？ 或以太根本就不存在？
如何看待迈克尔逊-莫雷实验呢？ 物理学家都在设法“挽救以太，”尽管他们提出了很多有价值的见解， 但是都未能打破旧的理论框架。
1905 年， 年轻的物理学家爱因斯坦发表了他的著名论文――《论动体的电动力学》。他果断地抛弃了“以太”， 大胆地从迈克尔逊-莫雷实验归纳出一个重要的原理――“光速不变原理”。
按照我们的常识， 顺流而下的船只行驶速度为V + v， 这是显而易见的。当一盏灯行进时， 光速的行进速度为C+ v 吗？ 不是的！ 因为这与迈克尔逊-莫雷实验结果相矛盾。地球绕太阳运行并不影响光的传播速度， 干涉仪对光速也不产生影响， 因此干涉条纹不会移动。
在爱因斯坦看来， 光速是物质运动的极限速度， 任何粒子的运动速度都不能超越这个极限。
对于光速这个极限， 人们还存在这样或那样的问题， 例如， 光速为什么是30 万公里/ 秒， 而不是大一些或小一些？ 超越光速可能吗？ 存在一个不同于我们的世界――超光速世界吗？ 诸如此类， 不但很有趣， 而且也很重要。
§§第四章 干涉、衍射和偏振
最初， 对于光速的认识同声速差不多， 只是二者的差别有90 万倍左右。借助类比的方法进行思考， 声音可以在空气中传播， 空气就是声音的传播媒质， 光在什么媒质中传播呢？
古希腊人认为， 天上与人间是不同的。为此， 他们以月亮所处的( 球) 面为界， 把天空分为月面以上的空间和月面以下的空间， 月面以下的空间有4 种物质元素――水、气、火、土， 而月面以上的空间没有这4 种元素， 而有一种别的元素――“以太”。
由于星光可以在“以太”中传播， 荷兰物理学家惠更斯曾提出一种观点， 即光的传媒是以太。后来， 光的波动说在同微粒说斗争中取得了胜利， 人们试图找到“以太”， 为波动说“锦上添花”。
从英国物理学家托马斯・扬和法国物理学家菲涅尔的研究开始， 波动说取得了初步的胜利。著名的英国物理学家麦克斯韦对前人在电学和磁学方面研究成果进行了总结， 他于1871 年完成了他的电磁学理论体系， 发表了著名的麦克斯韦方程组。他预言了电磁波的存在， 而推导电磁波传播的速度时， 他发现这个速度与光速完全一致。进而推论， 麦克斯韦认为， 光的本质就是电磁波。他把光的波动说进一步地发展成为光的电磁波理论， 最终实现了电、磁、光的统一。
麦克斯韦的成功是物理学发展史上的一个重要里程碑。
但是， 对于“以太”他仍不很放心。1879 年， 他在一封信中谈到了一个测量“以太”存在的实验。这封信被美国物理学家迈克尔逊看到。这位年青的物理学家决定进行这个实验。
如何做这个实验呢？ 当时， 一些物理学家认为， 测量是有困难的。这相当于测一个v / C2 的值， 其中的v( 只有0 ～100 公里) 远小于C 。可以想见测量的困难了。迈克尔逊是一个还不到30 岁的小伙子， 他不惧困难， 对科学实验具有很高的热情。
在柏林期间， 迈克尔逊设计出他的实验。这个实验的原理很简单， 就像是一艘渡船在横渡小河。
假设流水的速度为v， 船行速度为c 。由于流水的冲击，
横渡是不可能的， 小船必须要与横渡的方向有一个偏角， 这个偏角恰好可以抵消水流的冲击。这样， 小船打个来回所用的时间：
t1= 2L 其中L 为河的宽度。
22
c -v
还有一种情况。小船顺流( 速度为c +v) 行L， 再逆行( 速度为c-v) 返回原地， 所用的时间：
L L 2Lc
t2=+=2 2c+v c-v c-v
2L 2L当v= 0 ( 静水) ，t1=c ，t 2=c ， 即t 1=t2 。
v ≠0( 流水)， t 1 ≠t2 。
地球也像一艘小船， 它行驶在以太的海洋中， 如果以太是静止的， 地球是运动的， 地球运动时会感觉到“以太风”。这就像是坐在汽车上会感到很强的气流吹过来一样。
古人说“工欲善其事， 必先利其器”。为了测出地球穿越以太感觉到的“以太风”， 迈克尔逊设计出一种干涉仪，它专门用于测量以太对光传播产生的效应。这种效应是非常小的， 它的数量仅是v / C2 ， 其中v 为地球运动速度――3210公里/ 秒，C 是光速。v2/ C2 大约只有10 -左右。迈克尔逊的干涉仪非常精密， 它完全可以测出v / C2 的光学效应。这种光学效应是干涉效应， 具体讲是一种明暗条纹的移动。这种移动很小， 只相当于0. 004 个条纹的移动。
1881 年， 迈克尔逊做了这个实验。然而， 测量的结果并不好。1884 年， 英国物理学家开尔文勋爵和瑞利勋爵访美， 两人都鼓励这个有才气的年轻人。1887 年， 迈克尔逊又同化学家莫雷做了这个实验， 这个实验也因此被称做“迈克尔逊-莫雷实验”。
他们改进了实验装置， 遗憾的是， 还是未能观测到任何条纹的移动。失望之余， 他们打消了继续进行下去的念头。
迈克尔逊-莫雷实验的结果是， 地球相对以太的运动速度为零。这个结果使物理学家陷入了一种尴尬的境地。是不是地球未动？ 或以太根本就不存在？
如何看待迈克尔逊-莫雷实验呢？ 物理学家都在设法“挽救以太，”尽管他们提出了很多有价值的见解， 但是都未能打破旧的理论框架。
1905 年， 年轻的物理学家爱因斯坦发表了他的著名论文――《论动体的电动力学》。他果断地抛弃了“以太”， 大胆地从迈克尔逊-莫雷实验归纳出一个重要的原理――“光速不变原理”。
按照我们的常识， 顺流而下的船只行驶速度为V + v， 这是显而易见的。当一盏灯行进时， 光速的行进速度为C+ v 吗？ 不是的！ 因为这与迈克尔逊-莫雷实验结果相矛盾。地球绕太阳运行并不影响光的传播速度， 干涉仪对光速也不产生影响， 因此干涉条纹不会移动。
在爱因斯坦看来， 光速是物质运动的极限速度， 任何粒子的运动速度都不能超越这个极限。
对于光速这个极限， 人们还存在这样或那样的问题， 例如， 光速为什么是30 万公里/ 秒， 而不是大一些或小一些？ 超越光速可能吗？ 存在一个不同于我们的世界――超光速世界吗？ 诸如此类， 不但很有趣， 而且也很重要。
§§第四章 干涉、衍射和偏振
