光,这事儿听起来挺玄乎,但它实际上是个特别“实在”的东西。 咱们先把那个家伙拉出来。光就是电和磁的震动,就像水里甩开的水花,可是在水里甩的是筛子,在水里晃的是架子,光甩的是空气做的墙。在真空中,它甩的是空气分子,别看空气分子看不见,但光能穿过它们,穿过窗户,穿过你的眼。
故此,光的速度就是空气分子在光里跳舞的速度。 这就带来个直接的数字:每秒大约跑 30 万公里。别听我吹牛,这是常识里的数字,也是物理定律里刻在砖瓦上的数字。
不管你在月球上,还是在马路上跑,只要不看提速外挂(也就是光在忒空中被加速了这种科幻设定),速度根本就是这 30 万公里每秒。 不过,得提一句,这个数字实际上挺怪的。在地球表面,空气会干扰它,让它在跑 30 万公里的时候略微慢一点点,就连有时候得跑 29 万 9。但在真空里,比如忒阳和地球中间,光就是那种纯粹的“空手套白狼”,速度固定,管你装啥装,不管你是戴防弹衣还是穿隐身衣,光都穿那会儿。 为了让你有个具体的概念,咱们来打个比方。光每秒跑 30 万公里,要是你一直往西跑,能跑多少圈呢?要是不施展超本事,地球是个球,转一圈大约 24 小时,也就是 86400 秒。
那 30 万公里每秒,在地球自转一圈的时候,光能跑 30 万乘以 86400 条。算下来,大约 2.5 亿多趟。
也就是说,光比地球自转快得多。就连,光比银河系跑得都快。 银河系有多长?我们估算一下,从忒阳到银心,大约有 10 万光年。
这数字听起来大,实际上不然。10 万光年,换算成秒就是 10 万乘以 365 乘以 24 乘以 3600,算出来大约是 3 万亿秒。
这意味着,光从忒阳飞到银河系中心,只要 10 万年,比你听个新闻都要早。 那光是不是确实那么快?
有没有可能它被啥东西卡住了? 有人说,光在真空中是光速,但在有介质的时候(比如水、玻璃、空气),它变慢了。
这是出于光在介质里跑得比真空里的慢,介质就像给光开了个限速器。水里的光传播速度大约是真空的 75%,也就是每秒 22.5 万公里。玻璃里略微慢点,大约 20 万公里。声音在空气里才每秒 340 米,声音在玻璃里能跑 5000 多,光在玻璃里反而比声速慢多了。 这让人有点懵。光在玻璃里比空气里慢,声音在玻璃里比空气里快得多。
这说明啥?说明光不是那种喜爱在大块固体里狂奔的劲头,它更精通在空荡荡的管道里,要么在空气这种稀薄气体里跑。 再聊聊光速的极限。爱因斯坦说,光速是宇宙里的“光速”,是速度上限。任何有质量的物体,想要加快速度,后面总会跟上一个追来的物体,速度一辈子追不上。光也是。
哪怕你把反应堆里的原子核炸开了,哪怕你把所有物质都堆成砖头,你造不出一个比光速还快的东西。 那有没有例外?
有没有啥东西比光速还快? 在理论物理里,确实有。量子纠缠里的“超光速”现象,实际上并不违反相对论,出于它不传递信息,就像电灯开关和另一边的灯,关灯的时候另一边的灯瞬间变了,但这中间没有能量、没有信号,就像两拨人与此同时从不同地方跳下来,中间没一个人跑过来接应。光在宇宙里,包含黑洞边缘、宇宙膨胀的夸克,都没有突破这个底线。 至于宇宙本身。宇宙有多大?直径算起来大约有 90 亿光年。
这数字忒大了。光从大爆炸的地方出发,目前才走了 138 亿年。
这意味着,我们看到的宇宙回光,实际上是大爆炸形成后的画面。 再看看望远镜。哈勃望远镜要么韦伯望远镜,它们能看到的,实际上是那会儿的光。哈勃望远镜在 2009 年发射,那时候它离地球大约有 600 万公里。它离忒阳大约有 1.5 亿公里。
故此,哈勃望远镜离忒阳的最近距离,实际上比它离地球还要远。它目前离我们大约有 7.8 亿公里。 要是目前光的速度是 30 万公里每秒,那它从地球飞到哈勃望远镜的最近距离,只要 2.5 万年。但这只是理论上的真空距离。出于哈勃望远镜本身在跑,它在飞,它在离开地球。它离忒阳的距离是变化的,有时候近,有时候远。 故此,这次探测到哈勃望远镜,最短飞到忒阳,大约只要 2.5 万多年。但哈勃望远镜本身动得忒慢了,它离忒阳的距离比它离地球的距离近得多,出于它就在跑啊跑。 再谈谈宇宙尺度的光年。光年不是天文学家的专属,一般/平平人都能懂。
比方说,北京到广州的距离,光走 2 分钟就到了。出于人眼能跟上这快快的脚程。 光在真空里的速度,在旧的单位制里叫“秒”要么“米/秒”。目前的标准单位里,光速每秒是 299,792,458 米。
这就是为啥物理学上,目前统一用光年作为距离单位。 光在介质里的速度,在真空里是 299,792,458 米,在空气中略微慢一点,在真空中是最快的。 光在固体里的速度,比如在水银里,大约 20 万 5 公里每秒,比真空里慢。 光在气体里的速度,比如氢气里,比真空里快,比空气里慢。 光在等离子体里的速度,也就是恒星内部,有时候比真空里还快。出于那里充满了带电粒子,它们之间相互功能,光能够借助它们快速传递。 总而言之,光每秒跑 30 万公里,这个数字在物理学里是个常数,是个真理。它定义了时空的极限,定义了信息的传递极限。 光从地球跑到月球,只要 1 秒多。月球离地球 38 万公里,光只要走 1,3 秒。 光从地球到忒阳,只要 8 分 20 秒。忒阳离地球 1.5 亿公里,光跑 8 分钟。 光从地球到火星,只要 4 分钟左右。火星离地球 5000 万公里左右,光跑 4 分钟。 光从地球到最近的恒星,比邻星,只要 4.2 秒。比邻星离地球 4.24 光年。光从比邻星跑到地球,只要 4.2 秒。 故此,光不是那种慢动作。它每秒就跑 30 万公里,这速度在宇宙尺度上简直像蜗牛。它慢,是出于有质量。有质量的物体,想要跑得快,后面总有一串追来的物体,一辈子追不上。 光快,是出于它是无质量的。
没有重量,没有惯性,它只需求遵循方程,就能够跑得那么快。 光每秒跑 30 万公里,这就是宇宙的法则。