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音频在哪里？音频在这里。 今天是王木头讲科学的第11期节目。 来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人，他最擅长给孩子讲有趣的科学。 ▼ ▼ 用听的 ▼ ▼ 光速不变被证明 来自把科学带回家 00:00 06:11 ▼ ▼ 用看的 ▼ ▼ 假如你是超人，可以快速地飞行。那你能想象一下自己追上发射出去的子弹吗？就像是跑步时，你追上了前面的同学一样，你会和这位同学齐头并进。追上子弹也不会有什么差别。当你飞行的速度和子弹速度一样的时候，你会发现子弹就停止在身边。周围的景色嗖嗖嗖地向后退，只有子弹会静止在旁边，好像伸手就可以把它摘下了一样。 这样的场景还是很好想象的，但是大家可以想象得到你追上光之后会看到什么吗？那时候是不是就可以看到静止的光了呢？静止的光又会是什么样子呢？不只是你会有这样的好奇，在从前也有很多的科学家也有这样的好奇。 按照当时科学家们的想法，我们应该看到各种各样不同速度的光才对啊。我们在前面的内容里面讲到过，别看我们是静止在地面上的，但是只要换一下对比的对象，我们其实还是在快速运动着的。尤其是相对银河系或是银河系之外的其他恒星，我们和它们相对运动的速度那是相当快的。 从这些恒星中射出的光线照射到地球上，就应该像是扔出来的铅球。恒星和地球之间的相对运动，就相当于是在扔铅球的时候进行了助跑。如果助跑的方向和扔出去的铅球方向一样，那么铅球的速度就应该是出手的速度加上助跑的速度，如果助跑的方向和铅球的方向相反，那么铅球的速度就应该是出手的速度减去助跑的速度。当然，在运动会上我们是不会傻乎乎的向相反方向助跑的，但是和地球相对运动的恒星却有可能。 所以按照这个道理来说，因为地球相对不同恒星的运动速度不一样，或者反过来说，不同恒星相对于地球的速度是不同的。那么从它们身上发出的光线，最后照射到地球上都应该是加上或是减去恒星的助跑，那么我们看到这些恒星的光应该有各种各样的速度才对啊。 在当时科学家们都是这么相信的的，不过也因为一件事情而惊讶。为什么在地球上几乎观察不到这样的现象，从各个恒星照射过来的光看起来都是差不多的。于是当时的人们就普遍认为，或许是因为光速实在是太快了，即使加减了这些恒星的速度也根本察觉不到。等到以后，实验仪器足够精密，总是会发现各种光的差异的。 于是就有两个人在1887年想到了一个巧妙的方法，如果用这个方法来做实验的话，即使是光速有非常微小的变化仍然可以被发现。他们如何做的呢？具体解释起来比较麻烦，大概的方法是这样的。他们利用的地球自转的速度。先把一道激光分成两道，一道是向前，和地球表面运动的方向一样；另一道是直直地向上，和前一道激光垂直，也就是和地球表面运动的方向垂直。这两道光，就像是在地球这个大传送带上跑步一样。它们的速度因为方向不同，和地球的速度叠加之后也就不同了。 他们本来是设想着用这样的方法验证一下，光的速度是可以和其他速度发生叠加的。而且这个实验的精度特别高，他们满怀信心地认为这次一定没有问题了。结果呢？他们的实验失败了，不论怎样，不管两道光是和地球速度垂直，还是平行，甚至其他任何角度，光的速度都是不会变化的。最后他们不得不宣布实验失败，没有得到想要的结果。 在随后的二三十年里面，这个实验失败的阴影一直笼罩着科学界。在一百多年前的那个年代，牛顿的物理学正在蓬勃发展。牛顿就认为速度是可以叠加的，而且在各种实践中都对这一点进行了反复地验证，都证明牛顿是对的。可是现在有了一个迈克尔逊-莫雷实验，用牛顿的理论解释不了了。在当时其实还有一个问题，牛顿的理论也解释不了。 所以当时非常有名的科学家开尔文勋爵就说，现在的物理学已经非常完美了，唯独这两个实验就像两朵乌云一样笼罩在晴朗的天空中。让他想不到的是，就在他说我这句话没有多久，这两片乌云就急速膨胀，然后构建出了两个完全不同的物理学。其中的迈克尔逊-莫雷实验发展出了相对论。也正因为这样，这个实验虽然失败，但是却被公认为是最成功的实验之一。另一片乌云发展出了量子物理。 关于量子物理的内容啊，我们就不介绍了，这又是一个非常庞大的话题，有机会我们新开一个专辑专门来讲讲。我们还是来想想看，为什么光不会受到速度叠加的影响，可以变得更快或是更慢呢？速度无非是用移动的距离除以移动这么远所花费的时间。按照我们平时的经验是和牛顿的理论是一样的，移动的距离和花费的时间是不会变化的，是固定的。可事实呢？距离和时间都不固定。任何东西只要速度接近光速，距离和时间都会变化，所以这个时候速度就不能单纯地用加法的方式进行叠加了。这其实就是相对轮了的内容了。关于这部分内容我们后面还会继续讲解的。速度和时间的关系，速度和距离的关系，还有速度和重量的关系，准确地说是质量的关系，等等这些我们后面都会讲到。 好了，这一次的内容就到这里了。下一次我们会讲一下光到底是什么东西，它肯定不是分子和原子构成的。关于这一点还有一个很奇特的地方。就是光是具有波粒二象性的。这其实就相当于说一个人既是男生又是女生，或者既高又矮，既胖又瘦。听到这里大家会不会觉得晕掉了。到底是什么情况呢？我们下次继续讲光的故事。 |
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