真空中的光速正好是每秒 299,792,458 米,我们都知道这是事实。 我们普遍对此深信不疑,以至于每个人都同意使用光速来定义长度单位。 光速是一个很好的整数,因为一米被定义为光在真空中以 1/299792458 秒行进的距离。 那我们怎样才能知道这个值否是准确的光速呢? 如果我要告诉你,迄今为止还没有人测量过光从一点到另一点的准确速度会怎样? 双向光速 要进入这个话题,我们首先需要了解我们如何测量光速。 早在 1849 年,Armand Fizeau 通过将光穿过移动齿轮的齿并用镜子反射回来来测量光速。 现在,我们可以用激光和高精度计时器来做到这一点。 菲索用来测量光速的实验装置。 我们需要一个光源、一面镜子和一个计时器。 如果我们知道光源和镜子之间的距离,并测量一束光或光脉冲反射回来所需的时间,那么我们就可以很容易地从那里计算出光速。 这里我们不是在测量光从 A 点到 B 点所用的时间。 我们是在测量从 A 点到 B 点然后反射回 B 点所用的时间。 然后往返。 光速是从 A 到 B 的光速与从 B 到 A 的光速的平均值。 光的往返速度也称为双向光速。这是迄今为止任何人测量到的唯一光速。 单向光速 单向光速是光在一个方向上的速度。为此,我们必须测量从 A 点到 B 点的光速,而不是往返。 单向光速是光从一点传播到另一点时测得的速度。 只要我们不能通过实验验证单向光速,就不能说它会是什么。 我们知道,对于往返行程,光以恒定速度c传播。 光可以从 A 到 B 以一种速度传播,从 B 到 A 以不同的速度传播。只要往返的速度平均为c,就没有其他限制。 甚至可能是光以c /2 的速度从 A 传播到 B,并在瞬间从B 传播到 A!除非我们能测量单向光速,否则我们根本无法分辨出其中的区别。 我们可以测量单向光速吗?你可能会想,为什么从来没有人测量过单向光速?看起来很简单。但事实是,你想到的任何方法都必然会出现问题。假设我们在 A 点放置一个计时器,在 B 点放置另一个计时器。我们可以通过同步计时器来测量光从 A 到 B 所需的时间。但是我们如何确保定时器是同步的呢?点之间的任何通信都会出现延迟。我们无法调整这种延迟,因为它将等于光速——这是我们试图测量的。我们可以在 A 点一起启动计时器,然后将一个计时器带到 B。但是看一下时间膨胀告诉我们,相对于静止的观察者,移动的时钟会减慢n。因此,当计时器到达 B 时,它将与 A 不同步。你能想到的任何其他方法都可能会遇到类似的问题 如果不知道光速或确保光速在两个方向上相同,则无法同步两个点的计时器,这就是我们要尝试确定的! 除此之外,还有一些理论和研究正在研究如何测量单向光速。但目前还没有人这样做。 爱因斯坦同步约定 如果我们不确定光速是单向的,那为什么我们都同意光速为常数呢? 嗯,主要是因为爱因斯坦是这么说的。 爱因斯坦的狭义相对论是基于光速是各向同性的假设——也就是说,所有观察者都一样。 在有史以来最著名的方程式中,我们看到光速是一个常数 在他的论文On the Electrodynamics of Moving Bodies中,爱因斯坦建立了同步时钟的惯例。他定义光从 A 传播到 B 所用的时间等于光从 B 传播到 A 所用的时间。它没有经过实验验证,而是假设光速在所有方向上都是相同的。光速是否各向异性?我们将双向光速称为光速,因为我们遵循光在所有方向上以相同速度传播的约定。这似乎合乎逻辑。毕竟,为什么光速在各个方向上都不一样呢?宇宙中的许多事物本质上都是对称的。然而,这不是一个经过实验验证的事实。这是一个约定。自然界中也有些东西是无法解释的不对称的。光速可能就是其中之一。我们只是不知道光速是各向同性的还是各向异性的。 无害的公约 我们所知道的光速是双向光速。 由于惯例,我们将其视为光速。 从未测量过单向光速。 那么,如果光速实际上在不同方向上是不同的,那么这意味着什么? 这是关于单向光速的奇怪之处。 即使光以不同的速度沿相反的方向传播,它也不会改变很多事情。 它不会改变任何依赖于光速恒定的东西。 只要光的往返速度保持不变,物理学就满足了。 没有方程式中断。没有任何理论变得复杂。 爱因斯坦本人在制定光速各向同性公约时承认了这一点。 即使在宇宙学模型中,光的各向异性也不会导致任何可观察到的变化。 这并不意味着探索单向光速的研究毫无意义。 这只是意味着不要把你的物理教科书扔进火里,因为你发现没有人知道单向光速是多少。