人类对于光,总有着一种别样的情怀。中国早在战国时期, 墨子 就发现了 光的反射定律 ,同时建立起来了中国的光学体系;【圣经】旧约里的创世纪篇章中有写,大地是黑暗混沌的,直到神说:「要有光。」于是就有了光。神将光和暗分开,并且将光称为昼,将暗称为夜,这就是头一日。因此在当时的西方, 人们认为是上帝创造了光,而有光,才有了人类,有了万物的诞生与生长 。
人类对光的需求是从诞生之初就开始的, 光是人类生存的必需品,也是大自然存在的根本 ,但是夜晚的来临总会驱散光,而身在暗处非常危险且充满未知,比如远古时期,南猿的天敌就会在漆黑的夜晚出没。人类为了留住光,慢慢生产出了 火把、油灯 ,以及现在人类社会必备的 电灯 ,这也使得人类 从原始走向了文明 。
点燃文明的光亮
而因为 各个民族的传承和认知不同,光在各个文化的颜色也不一样 。古时候的中国认为 光是红色和黄色的 ,然而由于古代的 黄色一般被皇帝所独有 ,所以老百姓通常使用的是红色,比如结婚、寿宴等,都会摆上大大的红灯笼,具有着鲜明的中国特色。而 西方对于「光文化」的传承则是以冷白色为主 ,他们结婚的婚纱用的便是白色,婚车也挂着白色的绸缎。
中国人认为「红光」代表喜悦吉利
光是什么?
抛开人类社会中赋予给光的种种含义,它究竟是什么呢?在物理概念中,光是一种处于特定频段的 光子流 。当光源中的 电子有了额外的能量,就能发出光 ,而当能量不足,电子就会 加速运动 ,以波的形式释放出能量。同时,跃迁之后如果能够填补轨道上面的空位,变成了 稳定态 。如果并没有填补空位,电子就会 再次跃迁回去之前的地方 再释放能量。
光子流
同时人类根据各种研究和不断的实验发现,光拥着四个较为重要的特征。一是光是呈 直线传播 ,比如选择一个晴朗的白天,我们外出观察,就能看见笔直的光柱,还有小孔成像、影子的形成,以及日月食都能说明这个事实。
二是光以 波 的形式传播,就比如湖面上被风吹动的波纹,不同的波长,光也就会呈现出不同的颜色。荷兰物理学家惠更斯提出了光的 波动说 ,然而在当时并没有很多人支持他,直到19世纪才有科学家完成了光的双缝干涉实验,证明了波动说的正确性。
光波
三是光的 速度非常快 ,在真空中的空气比在空气中的要慢一些,而在水中,或者穿透过玻璃,类似上面这样折射率更大的介质中,光的传播速度还要更慢。
四是光的能量是 量子化 的,光的量子被人们叫做 光量子 ,简称光子,爱因斯坦通过光电效应的实验,证明了 光具有粒子的属性 ,因此提出了光量子说,并且与波动说结合到了一起,人们也因此对光的认知更加清晰了。
光量子
光年又是什么概念?
虽然说是「年」,看起来像一个时间的单位,但其实光年是 长度单位 ,就是 光在宇宙真空环境下,沿直线经过一年时间的距离,叫做光年 。一光年的距离就等于9460730472580800米。光年一般 用来计算在宇宙中天体之间的距离 ,比如太阳与另外一个恒星之间的距离是多少。
美国最快的飞机可以达到11260千米/小时的时速 ,而按照这个速度, 需要花大约95848年的时间才能走过一光年的距离 。而目前来说人造的最快速度物体还是上个世纪的70年代,美国和德国联合制造发射的 Helio-2卫星 ,最高速度为每小时252792千米,这也需要 花费4000年左右的时间才能走过一光年 ,时间之久,足以人类再一次进化了。
Helio-2卫星
事实上,在1676年以前,人类都认为光的传播不需要时间。1676年丹麦的一位科学家罗默率先提出了设想: 光的传播需要时间 。然而直到18世纪,科学界才普遍接受了这一观点,并且得出了大概的光速,1838年,德国天文学家使用了「光年」作为天文学测量单位。而现在, 人类能够观测到的宇宙范围,已经超过100亿光年了 。
除了代表距离单位,光年其实还代表我们看到这颗遥远的恒星或者星系多少年前的样子。因为人类是通过可见光来感受到物体的,人的眼睛只能被动接受光源或者光的反射,而光的传播速度虽然非常快,但是它的传播也是需要时间的,而我们看到的东西,其实都是 光经过了一定的时间以后,才传递到我们眼里 的。
光线的传播
也就是说, 我们看到的一光年外的星球,其实是它1年前时候的模样 。通过望远镜等一些设备,人类能够看到最远的星系大概在130多亿年,这也就意味着,我们现在所看到的星系,其实是它130亿多年的样子,如果我们想要看到它现在的模样,就要等到130亿多年以后了。
人类角度
光走一年的距离,真的要花一年的时间吗?
事实上,人类测算的光年是光 呈直线传播的速度 ,并且处在无引力场和磁场的干扰的完美环境,但是庞大的 宇宙中并不是完全真空的 ,宇宙中存在着星体、星云、陨石、宇宙尘埃等物质。而 光在不同的介质下传播的速度 不同,理论上 在真空中传播速度是最快 但宇宙中的各种各样的物质会成为光前进路上的 「绊脚石」 。
宇宙并不「空反而很满
从量子场论观点来看的话,光射入 介质 当中,光子要 与原子发生相互作用 ,而这个作用是需要一定的时间的,原子会吸收光子,被激发后再去释放光子,这个过程会导致时间延长,也就是说, 距离一光年,实际上光需要走的时间要大于一年。
而宇宙中有着许多的大质量天体,而直线的光在经过这些天体时,难免会产生 偏折 ,理论上来讲光是没有质量的,不会受到引力场的影响,但是实际上,光是会 受到引力的作用发生偏折 的,大质量的天体 会把光线的直线扭曲,并且暗物质和黑洞同样也会对光的传播造成影响 ,加剧了其传播的复杂性,比如黑洞的引力场过大,光的路径会被 严重扭曲 ,导致无法脱离, 黑洞周围自然就没有光了 。
黑洞
宇宙角度
其实从宇宙的角度来说,光子本身是没有时间的概念的,处在光速运动下的光子只需要瞬间,就能去到任何地方,它的时间已经被拉到无限长了。对光子而言,它的时间体系和最开始出发的时候是一模一样的,是没有任何一个时间可以计算的,哪怕是一个 普朗克时间 。
爱因斯坦的相对论认为, 时间与空间是一个不可被分割的整体 ,它们一起组成了时空这个维度,这也令我们的空间变成了 四维空间 。也因此,当一个物体运动的速度越来越快,它周围的时间也就会越来越慢,这就是 时间膨胀效应 ,同样也被称为 钟慢效应 。
时间受物体运动速度影响
在相对论被创立之前,人类认为时间的流逝是绝对的,对于所有人都是一样的,无论是在宇宙中的何处,还是处在什么样的运动状态下,时间永恒不变。然而爱因斯坦的 相对论 提出以后,却告诉了世人: 时间是相对的 ,是与观察者的状态有关系的。这也就是其中「相对」的含义。与相对论的狭义和广义相同的是,钟慢效应也有着狭义和广义的区别。 狭义不涉及到引力的存在,而广义涉及到引力 。
爱因斯坦与相对论
狭义相对论表明,如果地球上有两个时钟, 一个是静止的,一个是运动的 ,那么两个时钟显示出来的时间也就不一致——运动的时钟会比静止的时钟更快,并且 运动的速度越快,显示出来的时间也就越慢 。
假设运动的时钟速度为每秒7.9千米,这也被人们称为是 第一宇宙速度 。在这个基础上,运动时钟每天会比静止时钟慢30微秒,变化极小,人类平时很难感知到这种微弱的钟慢效应。而当 速度接近光速 时,比如当运动时钟的速度达到光速的99.5%时, 钟慢效应就开始明显了起来,比静止时钟慢了10倍 ,如果 当速度达到光速的99.9999995%,运动时钟则比静止时钟慢了足足有10000倍!
光束运动
为了验证钟慢效应,科学家们 将两个铯原子钟放在了两架分别向东和西方向飞行的客机上面 ,最后通过与美国天文台的时钟进行对比,发现在飞机上 经过了运动的两个时钟都比在天文台上的时钟慢 。这些也都证实了,当光以光速前进,时间就会如同静止一般,也因此, 光前进一光年的距离,对它而言只是一瞬间而已 。
铯原子钟
亚光速
人们普遍认为 光速是世界上最快的速度 ,人类目前来说根本无法达到这种速度,并且光速运动是需要 极大的能量 的,而这种能量,人类无法提供。就目前来说,各个国家和组织只能做到将单个的粒子,加速到 亚光速 ,即为 接近于光速的速度 。
当一个物体的速度大于光速的 90% ,但是并没有超过光速的时候,我们就把这个物体的速度称为亚光速,也就是说,亚光速的速度大概是在270,000,000m/s~299,792,458m/s之间的范围。而根据目前的理论, 通过轨道炮的辅助,人类可以将物体在理论上达到亚光速 。
即使是亚光速也很快
结论
人类对于世界乃至宇宙的认知都太少了,我们还需要了解更多的知识,发现更多的真理。相对论的提出也令人们产生了时光穿梭的幻想,他们认为一个物体在光速下可以使时间静止,那么一个物体在接近光速的速度下,就能够来到未来。英国物理学家斯蒂芬·霍金发表了相关文章,表示穿梭时光理论上是可行的,但是: 「人可以穿越未来,不可穿越过去!」 因为回到过去,就违反了基本的因果论。
穿越时空终究只是人们的美好幻想
爱因斯坦认为, 在三维速度中,不可能有物体超过光速,然而四维速度是无穷大的,光速只是最小的速度 。但是按照人类的技术而言,目前来说速度最快的载人飞船是「阿波罗」10号,如果要实现时间旅行,那么速度就要达到阿波罗10号速度的27000倍。
阿波罗十号飞船
这是人类还无法做到的,但是科技还在不断地发展,未来是怎样的,没有人知道。或许在很久很久以后,人类能够成功接近甚至达到光速,穿越时光的科幻梦想也终将会在未来实现。