四海资讯
首页 > 国内资讯 > 湖北新闻

那些创造常识的人 | 读+

时间:2021-01-26

作者:刘洪波 湖北仙桃人。长江日报评论员,高级记者。

今天,我们都知道光以每秒大约30万千米的速度传播,光的传播不需要介质,光速恒定不变。这些常识性的知识,是历代“顶尖”认识结出的果实,是把光看成“问题”才产生的结果。

光速之快,远远超过了人的感受能力。停留在生活见闻层面,人可以感受行走的速度、奔跑的速度、季节的节奏,但无法感受光的速度有限还是无限。因此,按照朴素的思维,光要么被认为具有无限的速度,要么光的速度根本不成其为一个问题。

古希腊哲学家恩培多克勒认为,光线传播需要时间,但时间快得我们不能察觉到。亚里士多德则认为,把光说成传播是错误说法,光的运动不能为我们所观测到。亚里士多德对光速的看法影响了1500年,直到伽利略对此产生怀疑。

光的行进是否需要时间,与另一个问题关联,那就是光从哪里产生。太阳可以发光,蜡烛可以发光,火可以发光,这是毫无疑问的,但在古希腊,包括亚里士多德在内,很多人认为根本来说,光是眼睛发出的,人一睁开眼睛,就能看到整个世界,说明光瞬间就从眼中发出又回来。古希腊科学家希罗论证,如果你在夜晚面对天空闭上眼睛,然后突然睁开,满天星辰立即展现,在睁眼与看到星星之间,不花任何时间,因此光的行进一定是无限速度。托勒密也认为人眼可以看见物体,是由于人眼可以发出光线。看看,放在日常生活层面,这些想法也没什么说不通。

中世纪伊斯兰科学家多相信光速有限。11世纪的“医者之王”阿维森纳认为,光来自于发光体的某种微粒辐射,它一定是有限的。同时代著有《光学宝鉴》的阿尔哈曾认为,光是一种运动,它的传播不可能是瞬时的。光线由发光体发射出来,通过物体反射进入人眼。而几个世纪后欧洲科学家仍认为光速无限。与伽利略同时代、发现了行星定律的开普勒,就在《光学》中认为光不是一种物质,没有运动阻力,因而具有无限速度。

伽利略认为,光是一种物质,物质从一个地方到另一个地方不需要时间,这无法想象,上帝既然创造了空间,就不应该再创造出一种可以无视空间存在的东西。他不仅质疑光速无限,而且进行了测量实验,但可惜,他的实验是失败的,相对于光速而言,他用来做实验的设备太过于简陋了。他在相距大约一英里的山头用两只油灯的明灭来测量。

伽利略去世30多年后,丹麦科学家罗默完成了人类第一次成功的光速实验。他认为光速有限,凭的不是哲学推断,而是天文观测和解释。他长期观测木星,记录下发生“月食”的时间间隔不一致,认为木星卫星的“月食”是规律的,但时间差异是距离造成,地球与木星离得近时,木星“月食”时间间隔缩小,离得远时,时间间隔就长,这表明光到达地球的时间与它行进的距离有关。他测量的结果是光速每秒有22.5万千米,光从太阳照到地球大约需要11分钟。

罗默的结论并未受到足够重视。直到18世纪英国天文学家詹姆斯·布拉德利再次测出光速。他设计的测量方法是,光速有限,地球的运转速度会使恒星到达地球的光产生微小角度的偏折,叫做“光行差”,就像一个人走起来,雨水滴到身上的位置跟静止时不一样。他算出的光速为每秒298000千米。这与现在测到的数值相差不到1%。这以后,光速有限才成为主流认识。

不只天文学在测光速,物理学家也在测量。1849年,法国物理学家阿曼德·斐索用齿轮法首次在地球上测得了准确的光速。他设计了精妙的方法,计算光线通过两齿之间的角度和齿轮的转速,算出光速的大小。这种方法直到20世纪初期,一直是测量光速的首选,只是物料变更加精细,测量误差也达到0.001%。这个方法的精妙之处,在于它既有直观的说服力,又控制了误差,它不需要超越技术难度的时钟,而直接对光行走的距离用钟表来测量,是非常难的,但计算一秒钟内齿轮转动了多少圈,是很容易的,如果光线在齿轮转动100圈的时候,光在一定距离内跑了一个来回,那就很容易推算光速。电磁学家麦克斯韦认为光就是一种电磁波,电、磁、光的理论因此统一,光的速度也被确定下来。

20世纪初,美国科学家迈克尔逊的光学实验被认为是一个伟大的实验。他的实验进行了几十年时间,确证了几个重要结论,一是作为光的传播介质的“以太”并不存在,二是光的传播不需要介质,三是光速不变。他的实验原理,属于斐索实验的改进,是旋转棱镜法,测得的数值为每秒299796千米。1973年,国际度量衡委员会推荐的值为每秒299792.458千米,这个值被1975年国际计量大会用决议通过。

光以其亮与热,生成了包括地球生命在内的一切,也生成了宇宙万物。从光速测量开始,人类的测量进入精密测量的阶段,正是因为光速极快,因而要测量它的速度就迫使人们想出各种方法。光是极速的顶点,也是我们所见的宇宙之内一切事物不可逾越的定数。在光速测量的基础上,时间成为得到最精确测量的数值,原子钟就是根据原子跃迁中释放光子的原理而设计。时光二字,显示了时间与光的关系。从以日计量时间到原子钟,光成为时间的尺度。光也成为距离的尺度,米和大距离天文单位,都由光定义。

回首看,那些相信光速有限的人其实是不可思议的,正是他们不可思议的认识,和一茬又一茬科学家的测量实践,使我们知悉光的一切。他们超越了日常经验,是创造常识的人。光对我们是决定性的条件。因为光才有明暗,才有色彩。因为光才有冷暖,才有生长与收获。有光才有热,石油、煤炭等能源不过是被保存下来的古代的光。光是一切可能性的尽头,没有什么能够超过光速,超过约450亿光年半径的光不会传过来,宇宙在那里以何种方式存在无法获知。

光是我们的福祉,也是我们的限度;是我们的天堂,也是我们的囚笼。

【编辑:付豪】

(作者:刘洪波)

  • 上一篇:“冷门绝学”的背后 | 读+
  • 下一篇:一步之遥 | 读+