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7分钟科普“飞鹰互娱斗牛有挂吗(助手神器外辅工具)

作者专栏 2025年04月27日 11:50 13 厉尚文

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网上科普有关“为什么当年双缝干涉延迟实验让科学家感到恐怖?”话题很是火热,小编也是针对为什么当年双缝干涉延迟实验让科学家感到恐怖?寻找了一些与之相关的一些信息进行分析,如果能碰巧解决你现在面临的问题 ,希望能够帮助到您 。

随着科学技术的发展,人们对世界的了解越来越深刻,当然通过天神的观察再来惩罚一些恶人 ,这种说法并不可靠。但在一些微观世界里面,这些微观粒子好像就是拥有灵性一样,会懂得识别观察者的观测 ,这就不得不说双缝干涉延迟实验了。

早在牛顿提出光的粒子性之前 ,就已经有人提出了光的波动性,他就是惠更斯 。那时候惠更斯已经提出了光的一套综合理论,对于光的传播、反射定律和折射定律 ,都能解释一些相应的自然现象。

但这个理论在一些其他的自然现象的解释当中就遇到了困难。同一时期,另外的一位伟大科学家牛顿,就提出了光的粒子性 ,它认为光是有很多不同颜色的粒子混合在一起,并且可以通过三棱镜折射出不同的颜色,牛顿也通过光的粒子性来建立起光的颜色理论 。

由于当时牛顿在科学界上的地位已经非常高 ,现在常常所讨论的万有引力定律就是由牛顿证明的,而且他还是英国皇家科学院院长,加上他的这个身份 ,人们认为牛顿所提出来的光的粒子性更拥有权威性,所以在之后的很长一段时间内,光的粒子性都占有了非常大的位置。

到了1807年 ,有一个医生改行研究物理学的 ,他就是托马斯·杨,他设计出了光的双缝干涉实验,以此来证明光的波动性。但牛顿在英国科学界的地位非常牢固 ,这种新的实验带来的证明,并没有在英国得到很好的传播,但这个实验一传到了法国之后 ,就得到了法国科学家的确认,并且使他们对光的波动性的确认 。

不过这并无法否定光的粒子性学说,基本上科学界对于光的性质又分成了两派 ,其中一派支持光的波动性,另一派是支持光的粒子性。这又引起了人们的争论,人们纷纷通过实验来证明自己支持的学说 ,但在很长的时间里,谁也无法说服谁,总的来说还是光的波动性占据了上风。

随着光电效应被人们所发现 ,紧接着爱因斯坦也提出了光量子学说 ,可以很好的解释了光电效应,又使得人们对光的粒子性得到重新的认识 。爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

由于这些新的发现,和任何一派的学说都无法说服对方 ,所以物理学者不得不承认,光除了波动性之外,还拥有粒子性 ,这也就是波粒二象性。

1924年,在光的波粒二象性启发下,法国的物理学家德布罗意认为 ,不仅仅是只有光才会拥波粒二象性,他认为一切的微观粒子,包括电子 、质子和中子 ,都应该拥有波粒二象性 。

德布罗意按照这一思路,并且应用了狭义相对论,计算出了这些波长与速度之间的关系 ,并且还弄成了一篇博士毕业论文 ,但当时他的导师无法作出决定,就将这篇论文发给了爱因斯坦,请爱因斯坦对论文进行评价 。

此时的爱因斯坦在科学界已经拥有了很大的权威 ,他的评论自然会在科学界上受到很大的重视,而爱因斯坦所给出的评价,大概也就是这篇论文里面拥有的一些狠心很有趣的思想等等。

有了爱因斯坦的回信 ,对论文进行评审的评审委员会成员也就不敢随意地下定论了,在论文的答辩过程中,他们就问德布罗意应该如何才可以通过实验验证他的这个假设。

按照这个假设 ,德布罗意认为可以通过电子加速之后投射到一些晶体上,这样就可以给电子进行衍射实验,以此来证实电子拥有波动性 。其实当时已经有一些科学家利用电子来进行衍射实验 ,但他们并没有获得成功,在德布罗意的假设指导下,他们给电子加大了能量 ,最终使实验获得了成功 ,也证实了电子拥有波动性,德布罗意也因此获得了1929年的诺贝尔物理学奖。

值得一说的是,德布罗意原来只是读 历史 的 ,后来才转行去读物理,但却获得了如此巨大的发现,所以说转行的人也有可能从中获得很大的成就。

也正是因为发现了电子的波动性 ,所以人们就利用电子去做一些以前的波动性实验,像双缝干涉实验也就是其中的一种 。

但电子是可以一个一个地发射的,当只发射一个电子的时候 ,难道电子还可以进行自我干涉?人们通过实验发现,还真的发现了电子自我干涉的现象,当电子进入到其中一个缝的时候 ,它就会一分为二,这样就可以自我干涉,并且产生干涉条纹。

这个现象让人们百思不得其解 ,就像是踢一个足球 ,且可以同时的将它踢进两个球门,这种现象对于人们来说是匪夷所思的。

然后科学家为了想了解电子穿过双缝之后到底做了什么?所以在后面加了一个监控器,以此来对电子进行行为监测 ,但令人想象不到的是,加了这个监测器之后,人们完全无法监测得到后面的干涉条纹 。

这种现象就更加诡异了 ,当加了监测器之后,电子之间的自我干涉就消失了,试验可以得到的结果就是双缝 ,但当人们关闭监测器进行实验的时候,干涉条纹又出现了。

这就是它们的诡异之处,但在实验中加入了一个监测室之后 ,可以得到完全不同的两种结果,就好像人们想要观察电子的时候,电子就好像会通灵一样 ,完全就表现出了另外一种姿态 ,还故意不让人们观察它的另外一种姿态,科学家也无法解释这种现象。

其实这一现象已经指向,这些微观粒子并不是一种物质而已 ,而是拥有一种意识,当人们想要对它进行观察的时候,它却有意识的改变了这种姿态 。也正是因为这种现象 ,才令科学家感到恐惧。

综上所述 ,科学家对于双缝干涉延迟实验的恐惧,并不是对于这个实验的恐惧 ,而是对于这些微观粒子的表现的恐惧,因为从实验的结果来看,这些微观粒子就好像拥有了意识一样 ,可以自主的进行改变姿态,并不是一种单纯的物质,这当然会令科学家感到恐惧了。

如果说宇宙不是完美的 ,它有BUG(漏洞) ,你信么?双缝干涉实验似乎一步步地发现了这个宇宙“漏洞"

双缝干涉实验是什么?

当我们在水中丢下一块石头,那么水面就会产生波纹,如果同时丢下两块石头 ,两个水波之间就能够出现交叉的干涉条纹 。这就是波能够互相干涉的特征 。

双缝干涉实验既在一个光源前放置一个开了两条缝隙的不透明挡板,挡板后面再放置一个能够观测到的背景。当我们打开光源,会看到背景上出现明暗相间的条纹 ,这就是简单的双缝干涉实验。 这个实验证明了光是一种波! 因为光在穿过两条缝隙后产生只有波特有的干涉,相反的波被抵消,相向的波被增强 ,导致背景上明暗相间的条纹 。(日常生活中主动降噪耳机就是利用了这个原理,用相反的声波抵消了噪音)

下面我们把实验升级一下,光源变得非常小 ,背景换成高灵敏高分辨的底片。打开光源后,一开始我们看到了无数随机分布的小点,随后这些小点越来越多最终形成明暗相间的条纹!实验升级后证明光是一种粒子并且还具备波的特征  , 也就是光的 波粒二象性

双缝干涉延迟实验

虽然双缝干涉实验已经让人赞不绝口 ,不过科学家们还是在这个实验上再次升级。将光源变成一次发射一粒的电子!电子要通过这块挡板只能随机通过两条缝隙 。

我们知道,要干涉就必须有对象,没有对象怎么被干涉?然而这一次实验结果出事了 ,即便单个电子在随机穿过两条缝隙后依然在最后形成了干涉条纹。

这个结果震惊了科学界!为什么单个电子能够自我干涉?难道他还有一个分身?更诡异的是当我们观察电子是通过哪一条缝隙时,干涉条纹消失了。当取消观察时,干涉条纹又神奇的出现了!冥冥中仿佛有一双眼睛窥视着我们 ,只能让我们看到电子穿越缝隙的路径(粒子特征)或者电子的干涉条纹(波特征)其中之一!

双缝干涉之延迟选择量子擦除

看到这里,你也许认为上面的实验会有很多未知的漏洞,我们观察电子时已经打扰了电子的正常运动导致电子属性改变 ,只是我们没有办法找出这个因素 。接下来科学家用更加复杂精密的方法来做双缝实验。将一个光子分离成一对纠缠的光子A和B(纠缠的量子能够无视距离影响对方)

AB分别做双缝干涉实验(互不影响的环境),而B距离感应屏比A远,这样 A会比B要先到达感应屏 。当我们在B实验中放置相机观测到B通过双缝的路径时 ,A实验的干涉图像消失,显然,纠缠的两个光子是互相影响了 ,B得不到的波属性A也得不到 。接下来 ,我们通过技术手段把B获得的路径信息擦除,然后A和B都出现了干涉条纹。这里就出现了两个个非常诡异的现象。 测量到光子的路径信息只是"泄露”,没有主管观意识去查看,干涉条纹会消失!把这个路径信息擦除掉 ,干涉条纹又会出现!

更诡异的是,实验中我们设定从B获得路径信息时,A早就已经到达了感应屏形成了图像!这时候擦除B的路径信息 ,A感应屏已经"拍好照"的图像会鬼魅般地变成干涉条纹!

让人难以理解的“宇宙程序 ”

很多人一开始认为,观察光子路径就是人类意识干预了实验 。不过我们从最后一个实验得知,在延迟选择实验中 ,测量到的路径信息,你看与不看,宇宙程序它已经认定了你泄露了天机!光子波动属性就被隐藏了!我们得不到干涉图像 。如果我们把这个泄露的天机抹除掉 ,宇宙程序马上修复了光子的波动性,让我们得到了干涉图像。没想到的是,我们人类在实验室上利用量子纠缠钻了个空子 ,让图像形成之后再得到路径信息。接着我们再去选择是泄露还是擦除 ,宇宙程序任然按照原来的指令执行了 。让已经形成的图像变了回去(曾经不干涉的光子,在曾经又干涉了。这话很绕)?这是不是意味着我们找到了一个宇宙程序的BUG,用现在的决定 ,改变了过去!还是另有其他原因?我们生存的宇宙,这个看不到边无比真实的世界,难道是一个设定好的“程序”?或者说宇宙这个看似无比完美运行的世界其实还有一些漏洞。如果人类将来利用这些漏洞未来的世界会发展成什么样子?

很多人听过双缝干涉实验后会认为“玄之又玄” ,于是有了“遇事不决量子力学 ” 。实际上,量子力学是人类了解宇宙底层逻辑的敲门砖,而双缝干涉实验则是量子力学核心的显现 ,下面我聊聊双缝干涉实验到底多“诡异”,它揭示了宇宙哪些核心?

薛定谔的猫、上帝掷骰子、平行宇宙哪来的?

由于量子太过抽象,因此我们把量子现象过渡薛定谔的猫 ,再回到双缝干涉实验就容易理解了。这是薛定谔给我们理解量子力学的好例子。

话说啊,有个封闭的盒子里面装一只猫,然后一个量子装置连着毒药瓶 ,猫的生死取决于量子性质 ,如果量子发生衰变猫死,反之则没事 。换句话说,猫的生死间接表现了量子的性质。实验的问题是猫最后是死的 ,还是活的?

各路大佬都说出了自己的看法,主流看法有三个:

哥本哈根学派,波尔:这是只 量子猫 ,它在盒子里的概率是100%的可能性是活的,同时100%可能性是死的,两种状态同时存在 ,叠加在一起,当你打开盒子一瞬间,猫的生死才会表现出来 ,生死的结果是随机的。

爱因斯坦 、薛定谔:猫50%是死的,50%是活的,我们打开盒子之前它就已经死了 ,或者还活着 ,我们打开盒子看到的是结果,而不是诱发结果 。

爱因斯坦:波尔,按你的意思是打开盒子时 ,上帝发现有人要来看结果了,赶紧摇号决定了猫的生死?

波尔:你别管上帝能干什么!

休·埃弗雷特:安静安静,我还没说呢!首先波尔的叠加态我是认同的 ,但是100%+100%=200%,打开盒子前与打开盒子后应该守恒才对,因此我认为如果打开盒子时猫死了 ,那么活着的猫应该存在于另外一个世界中——平行宇宙。

爱因斯坦、薛定谔、波尔:你厉害, 我们竟然不知道如何证明你说的是错的!

故事先到这里,看得懂看不懂没关系 ,先说结果:波尔是对的!而平行宇宙证明不了,最多算假说。在这个故事中有几点很重要:

1. 猫即死又活的状态——叠加态

2.打开盒子意味着观测, 观测会让叠加态随机坍缩为单一状态  。(上帝摇号!)

3.前两点 , 打开前与打开后 ,还隐含了波粒二象性 。 (下面再说)

光到底是什么?——双缝干涉的“诡异”

接下来我们看双缝干涉,这事要先从牛顿说起,源于一个看似简单 ,然而谁都答不上来的问题——光是什么东西?

图:牛顿三棱镜实验

牛顿作为当代学霸,为光学做出了不少贡献,比如阳光是由多种光混合而成的三棱镜实验就是他搞出来的。他认为光又能反射 ,还折射,运动轨迹会改变,就像乒乓球扔墙上会反弹回来 ,因此它最小的单位应该是粒子。

十九世纪,托马斯·杨反击牛顿,他只干了一件事 ,让一束光通过了两条小缝,后面有块感应屏 。“按照牛顿的说法 ”这个实验的结果应该是两条条纹,如下面:

实际上却出现了下面的结果:

于是老杨说光就像下面的水波一样 ,其实波:

通过缝隙的光波变成了两个波 ,两个波接触干涉,出现和水一样的现象,于是在屏幕上显示出干涉条纹。

这就是双缝干涉实验 ,但是诡异的事情是量子力学的双缝干涉实验。

好景不长,随着黑体辐射实验,普朗克发现光能量是一份一份不连续的 ,爱因斯坦发现光电效应,即光与原子作用时是以粒子的形式交换能量的 。于是大家重新审视双缝实验,对它进行升级。

既然光是一粒一粒的 ,那么我们把光子一粒粒通过双缝会发生什么?(实际实验用的是电子,道理是一样的)

大佬们很快地照着两条缝像机关枪一样发射一梭子电子,显示屏上随机出现大量的粒子 ,但站远点看这些粒子同样组成了干涉条纹。既然是粒子,为何会发生干涉?

于是有人认为一大堆电子在一起挤来挤去的所以发生了干涉,有点像儿童乐园里的海洋球 ,当你跳进去 ,海洋球虽然是一粒一粒的,但是会像波一样往向外扩散,于是就有了虽然是粒子但同样会发生干涉 。但真的只是这样吗?

图:实验结果

科学家再次做了实验 ,改成了“手枪式”发射,“啪”打一发电子,电子到达了感应屏 ,再打下一发,杜绝了两个电子在运动时发生干涉。然而科学家懵了,快点打和慢点打 ,结果是一样的,屏幕还是出现了波动性,才会出现的干涉条纹 ,而不是两条条纹!也就是说单个电子发生了干涉,那么它和谁干涉呢?就两个缝,它只能选一个穿过 ,另一个缝没有电子出来 ,上哪干涉去?

为了解决了问题,大佬们就在实验中安上了光电探测器“去看它 ”,看看电子是如何完成干涉的!结果发现电子老老实实的在感应屏上形成了两条条纹。大家:上帝 ,告诉我发生了什么!

上面的故事已经给了答案:波粒二象性

先按不靠谱的平行宇宙理论来解释:你不看时,电子即从A缝过去,又从B缝过去 ,然后发生了干涉,你可以理解为量子出现了一个分身 。如果你去看它,宇宙就分裂了 ,如果电子从A缝进入,那么平行宇宙中的电子就从B进入,是我们去探测引起了宇宙的分裂 ,导致处于两个宇宙中的电子(分身)无法形成干涉。

波尔的解释:前半段和平行宇宙一样,电子处于叠加态,这是一个波的状态 ,但当你去看它 ,就随机坍缩成了粒子态。

爱因斯坦:无法解释!肯定有什么我们还没弄清楚的,反正上帝是不会摇号的 。

图:我们印象中电子在原子中是这样的

图:实际上它是这样的,因此也叫电子云 ,具有概率性 、波动性 。

到目前的科学研究成果来看,波尔是对的。量子具有波粒二象性,这是量子力学的核心。一个电子同时具有波与粒子的性质 。

当它没有坍缩成粒子时 ,虽然也是以单个粒子发射,但波的性质也在发挥着作用,当你发单个电子就类似于发射出水波 ,你发射了一堆电子,其实就是在发射一堆波,这些波都会按着干涉后的结果显示在感应屏上。当你探测电子 ,它坍缩成单独的粒子性质,所以一堆电子打出去,没有发生干涉 ,只出现两条条纹。

如果不理解量子的性质就会觉得 ,我不看出现干涉条纹,我看了却不干涉了,似乎有点“恐怖” ,理解了就理所当然了,量子力学是目前人类发现的宇宙最底层的逻辑,它可以解释宇宙起源 ,大到宇宙的构成,小到组成宇宙最小结构的粒子的形成 。

“第二个地球”会是月球?中国这一重大发现,各国坐不住了 ,真的吗?

可以参考这个:

1.罗默的卫星蚀法

光速的测量,首先在天文学上获得成功,这是因为宇宙广阔的空间提供了测量光速所需要的足够大的距离.早在1676年丹麦天文学家罗默(1644— 1710)首先测量了光速.由于任何周期性的变化过程都可当作时钟 ,他成功地找到了离观察者非常遥远而相当准确的“时钟 ”,罗默在观察时所用的是木星每隔一定周期所出现的一次卫星蚀.他在观察时注意到:连续两次卫星蚀相隔的时间,当地球背离木星运动时 ,要比地球迎向木星运动时要长一些 ,他用光的传播速度是有限的来解释这个现象.光从木星发出(实际上是木星的卫星发出),当地球离开木星运动时,光必须追上地球 ,因而从地面上观察木星的两次卫星蚀相隔的时间,要比实际相隔的时间长一些;当地球迎向木星运动时,这个时间就短一些.因为卫星绕木星的周期不大(约为1.75天) ,所以上述时间差数,在最合适的时间(上图中地球运行到轨道上的A和A’两点时)不致超过15秒(地球的公转轨道速度约为30千米/秒).因此,为了取得可靠的结果 ,当时的观察曾在整年中连续地进行.罗默通过观察从卫星蚀的时间变化和地球轨道直径求出了光速.由于当时只知道地球轨道半径的近似值,故求出的光速只有214300km/s.这个光速值尽管离光速的准确值相差甚远,但它却是测定光速历史上的第一个记录.后来人们用照相方法测量木星卫星蚀的时间 ,并在地球轨道半径测量准确度提高后,用罗默法求得的光速为299840±60km/s.

2.布莱德雷的光行差法

1728年,英国天文学家布莱德雷(1693—1762)采用恒星的光行差法 ,再一次得出光速是一有限的物理量.布莱德雷在地球上观察恒星时 ,发现恒星的视位置在不断地变化,在一年之内,所有恒星似乎都在天顶上绕着半长轴相等的椭圆运行了一周.他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间 ,而在此时间内,地球已因公转而发生了位置的变化.他由此测得光速为:

C=299930千米/秒

这一数值与实际值比较接近.

以上仅是利用天文学的现象和观察数值对光速的测定,而在实验室内限于当时的条件 ,测定光速尚不能实现.

二 、光速测定的大地测量方法

光速的测定包含着对光所通过的距离和所需时间的量度,由于光速很大,所以必须测量一个很长的距离和一个很短的时间 ,大地测量法就是围绕着如何准确测定距离和时间而设计的各种方法.

1.伽利略测定光速的方法

物理学发展史上,最早提出测量光速的是意大利物理学家伽利略.1607年在他的实验中,让相距甚远的两个观察者 ,各执一盏能遮闭的灯,如图所示:观察者A打开灯光,经过一定时间后 ,光到达观察者B ,B立即打开自己的灯光,过了某一时间后,此信号回到A ,于是A可以记下从他自己开灯的一瞬间,到信号从B返回到A的一瞬间所经过的时间间隔t.若两观察者的距离为S,则光的速度为

c=2s/t

因为光速很大 ,加之观察者还要有一定的反应时间,所以伽利略的尝试没有成功.如果用反射镜来代替B,那么情况有所改善 ,这样就可以避免观察者所引入的误差.这种测量原理长远地保留在后来的一切测定光速的实验方法之中.甚至在现代测定光速的实验中仍然采用.但在信号接收上和时间测量上,要采用可靠的方法.使用这些方法甚至能在不太长的距离上测定光速,并达到足够高的精确度.

2.旋转齿轮法

用实验方法测定光速首先是在1849年由斐索实验.他用定期遮断光线的方法(旋转齿轮法)进行自动记录.实验示意图如下.从光源s发出的光经会聚透镜L1射到半镀银的镜面A ,由此反射后在齿轮W的齿a和a’之间的空隙内会聚,再经透镜L2和L3而达到反射镜M,然后再反射回来.又通过半镀镜A由 L4集聚后射入观察者的眼睛E.如使齿轮转动 ,那么在光达到M镜后再反射回来时所经过的时间△t内 ,齿轮将转过一个角度.如果这时a与a’之间的空隙为齿 a(或a’)所占据,则反射回来的光将被遮断,因而观察者将看不到光.但如齿轮转到这样一个角度 ,使由M镜反射回来的光从另一齿间空隙通过,那么观察者会重新看到光,当齿轮转动得更快 ,反射光又被另一个齿遮断时,光又消失.这样,当齿轮转速由零而逐渐加快时 ,在E处将看到闪光.由齿轮转速v、齿数n与齿轮和M的间距L可推得光速c=4nvL.

在斐索所做的实验中,当具有720齿的齿轮,一秒钟内转动12.67次时 ,光将首次被挡住而消失,空隙与轮齿交替所需时间为

在这一时间内,光所经过的光程为2×8633米 ,所以光速c=2×8633×18244=3.15×108(m/s).

在对信号的发出和返回接收时刻能作自动记录的遮断法除旋转齿轮法外 ,在现代还采用克尔盒法.1941年安德孙用克尔盒法测得:c=299776±6km/s,1951年贝格斯格兰又用克尔盒法测得c=299793.1±0.3km/s.

3.旋转镜法

旋转镜法的主要特点是能对信号的传播时间作精确测量.1851年傅科成功地运用此法测定了光速.旋转镜法的原理早在1834年1838年就已为惠更斯和阿拉果提出过,它主要用一个高速均匀转动的镜面来代替齿轮装置.由于光源较强 ,而且聚焦得较好.因此能极其精密地测量很短的时间间隔.实验装置如图所示.从光源s所发出的光通过半镀银的镜面M1后,经过透镜L射在绕O轴旋转的平面反射镜M2上O轴与图面垂直.光从M2反射而会聚到凹面反射镜M3上, M3的曲率中心恰在O轴上 ,所以光线由M3对称地反射,并在s′点产生光源的像.当M2的转速足够快时,像S′的位置将改变到s〃 ,相对于可视M2为不转时的位置移动了△s的距离可以推导出光速值:

式中w为M2转动的角速度.l0为M2到M3的间距,l为透镜L到光源S的间距,△s为s的像移动的距离.因此直接测量w、l 、l0、△s ,便可求得光速.

在傅科的实验中:L=4米,L0=20米,△s=0.0007米 ,W=800×2π弧度/秒 ,他求得光速值c=298000±500km/s.

另外,傅科还利用这个实验的基本原理,首次测出了光在介质(水)中的速度v<c ,这是对波动说的有力证据.

3.旋转棱镜法

迈克耳逊把齿轮法和旋转镜法结合起来,创造了旋转棱镜法装置.因为齿轮法之所以不够准确,是由于不仅当齿的中央将光遮断时变暗 ,而且当齿的边缘遮断光时也是如此.因此不能精确地测定象消失的瞬时.旋转镜法也不够精确,因为在该法中象的位移△s太小,只有0.7毫米 ,不易测准.迈克耳逊的旋转镜法克服了这些缺点.他用一个正八面钢质棱镜代替了旋转镜法中的旋转平面镜,从而光路大大的增长,并利用精确地测定棱镜的转动速度代替测齿轮法中的齿轮转速测出光走完整个路程所需的时间 ,从而减少了测量误差.从1879年至1926年,迈克耳逊曾前后从事光速的测量工作近五十年,在这方面付出了极大的劳动. 1926年他的最后一个光速测定值为

c=299796km/s

这是当时最精确的测定值 ,很快成为当时光速的公认值.

三、光速测定的实验室方法

光速测定的天文学方法和大地测量方法 ,都是采用测定光信号的传播距离和传播时间来确定光速的.这就要求要尽可能地增加光程,改进时间测量的准确性.这在实验室里一般是受时空限制的,而只能在大地野外进行 ,如斐索的旋轮齿轮法当时是在巴黎的苏冷与达蒙玛特勒相距8633米的两地进行的.傅科的旋转镜法当时也是在野外,迈克耳逊当时是在相距35373.21米的两个山峰上完成的.现代科学技术的发展,使人们可以使用更小更精确地实验仪器在实验室中进行光速的测量.

1.微波谐振腔法

1950年埃森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速.在他的实验中 ,将微波输入到圆柱形的谐振腔中,当微波波长和谐振腔的几何尺寸匹配时,谐振腔的圆周长πD和波长之比有如下的关系:πD=2.404825λ ,因此可以通过谐振腔直径的测定来确定波长,而直径则用干涉法测量;频率用逐级差频法测定.测量精度达10-7.在埃森的实验中,所用微波的波长为10厘米 ,所得光速的结果为299792.5±1km/s.

2.激光测速法

1790年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速.这个方法的原理是同时测定激光的波长和频率来确定光速(c=νλ).由于激光的频率和波长的测量精确度已大大提高,所以用激光测速法的测量精度可达10-9,比以前已有最精密的实验方法提高精度约100倍.

四 、光速测量方法一览表

除了以上介绍的几种测量光速的方法外 ,还有许多十分精确的测定光速的方法.现将不同方法测定的光速值列为“光速测量一览表 ”供参考.

根据1975年第十五届国际计量大会的决议 ,现代真空中光速的最可靠值是:

c=299792.458±0.001km/s

声速测量仪必须配上示波器和信号发生器才能完成测量声速的任务。实验中产生超声波的装置如图所示。它由压电陶瓷管或称超声压电换能器与变幅杆组成;当有交变电压加在压电陶瓷管上时,由于压电体的逆压电效应,使其产生机械振动 。此压电陶瓷管粘接在铝合金制成的变幅杆上 ,经过电子线路的放大,即成为超声波发生器,由于压电陶瓷管的周期性振动 ,带动变幅杆也做周期轴向振动。当所加交变电压的频率与压电陶瓷的固有频率相同时,压电陶瓷的振幅最大,这使得变幅杆的振幅也最大。变幅杆的端面在空气中激发出纵波 ,即超声波 。本仪器的压电陶瓷的振荡频率在40kHz以上,相应的超声波波长约为几毫米,由于他的波长短 ,定向发射性能好,本超声波发射器是比较理想的波源。由于变幅杆的端面直径一般在20mm左右,比此波长大很多 ,因此可以近似认为离开发射器一定距离处的声波是平面波。超声波的接受器则是利用压电体的正压电效应 ,将接收的机械振动,转化成电振动,为使此电振动增强 。特加一选频放大器加以放大 ,再经屏蔽线输给示波器观测 。接收器安装在可移动的机构上,这个机构包扩支架、丝杆、可移动底座(其上装有指针,并通过定位螺母套在丝杆上 ,有丝杆带动作平移) 、带刻度的手轮等。接收器的位置由主、尺刻度手轮的位置决定。主尺位于底座上面;最小方尺位于底坐上面;最小分尺为1mm,手轮与丝杆相连上分为100分格,每转一周 ,接收器平移1mm,故手每一小格为0.01mm,可估到0.001mm 。

“地球最大的伤口”仍在扩大 ,深达2公里,地球或形成第八大洲?

宇宙中各种天体通过引力相互联系在一起,在相距很近的多个天体之间 ,可能因为相互作用的引力场 ,会产生一些异常的引力点。比如我们熟知的拉格朗日点,就可以让物体在两个天体间维持稳定,美国正在打造的世界最先进望远镜——詹姆斯韦伯望远镜 ,未来就将部署在地球背向太阳150万公里的L2拉格朗日点上运行。

既然拉格朗日点上的物体可以维持稳定的轨道,那么形成太阳系时剩下的物质有没有可能还在这些地方踟躇徘徊呢?此前科学家们已经在太阳和火星,太阳和海王星 ,以及太阳和木星的拉格朗日点中,发现了一些小型天体 。那么,在我们的地球和月亮之间的5个拉格朗日点上 ,会不会也有物体存在,换句话说,地球会不会还有一些小型卫星是我们未曾发现的呢?

这个问题科学家们已经研究和寻找60年了。根据地球和月球的质量 ,科学家们推测在L4和L5拉格朗日点上可能会有物质存在,但由于太阳的额外引力以及太阳风的作用,这种物质是不是能够稳定存在依然是个未知数。1961年 ,波兰科学家卡齐米日·柯迪莱夫斯基曾观察到L5附近有幽灵尘埃云的迹象 ,因而被称为柯迪莱夫斯基云,但以后对此的研究就不多了 。

近日,匈牙利罗兰大学的研究人员开始重新审视这项工作 ,他们建立了一个基于太阳、地球 、月球和尘埃云引力作用的数学模型,发现在L5拉格朗日点上完全可能存在不断变化的幽灵旋转尘埃云。

这个幽灵卫星究竟是不是存在呢?研究成员朱迪兹·巴洛等人通过匈牙利鲍道乔尼特尔代米茨村的私人天文台进行了观察,这个望远镜能够测量偏振光 ,可以发现来自尘埃云的偏振光证据。通过几个月锲而不舍的努力,他们终于连续两个晚上发现了来自L5的疑似尘埃云太阳光偏振散射 。

科学家们也指出,尽管他们已非常谨慎地排除了偏振光的任何其它潜在来源 ,比如望远镜、云层或飞机尾迹等人工迹象,但这个所谓的幽灵卫星仍然有可能只是一种瞬态现象,因为任何尘埃都容易被其它天体的引力勾走 ,或者被太阳风驱散,目前也没有发现其它望远镜观察到了这些尘埃的证据。日本上世纪90年代曾派出飞天号(Hiten)探测器到L4和L5拉格朗日点寻找这些被困粒子,但一无所获。

地球究竟有没有一个完全由尘埃组成的幽灵旋转卫星 ,现在依然还是一个谜题 ,未能最终确认,希望未来有更多的观察能够证实这一点,啊不 ,应该是两点,在地月系统的L4拉格朗日点上,也可能存在这样的幽灵卫星 。其实没有必要这样大费周章了 ,依照我们现有的技术,完全可以发射几颗卫星到这些点上去,正好研究一下会不会被其它天体给勾走 。然而 ,我能想到的是,未来詹姆斯韦伯望远镜既然运行在日地L2拉格朗日点上,会不会和这些可能存在的物质发生碰撞呢?

另外 ,根据维基百科的说法,虽然柯迪莱夫斯基云非常微弱,从地球上难以看见 ,但在非常黑暗或透明度非常高的夜晚 ,仍然可以用裸眼看见,角直径大约是6度,可以偏离L4或L5拉格朗日6到10度。可以参考的是 ,太阳和月亮角直径仅半度左右,这个幽灵卫星竟然比它们大12倍!这个说法高度存疑,请谨慎理解。

这项研究发表在上月和本月皇家天文学会月刊的两篇论文里 。

近几个世纪以来 , 人类科学发展取得前所未有的突破,在任何一个领域,人类都有信心做到一定程度的涉猎 。也正因如此 ,许多前人无法解答的难题,我们如今也终于找到了答案。就像在地质学中,原本不少人都难以理解 ,为何青藏高原的平均海拔能够远远超过世界其他地区,而现如今大家都早已明白了事件的原因 。

类似青藏高原这样的特殊地质环境还有位于非洲地区的东非大裂谷 。只不过相比之下,前者是当之无愧的世界屋脊 ,后者则是略显沧桑的地球伤疤。如果有机会乘坐飞机从东非大裂谷的上空飞跃 ,也定然会为东非大裂谷感慨不已 。可很多人不知道的是,在未来的发展过程中, 或许东非大裂谷还会不断地扩大 ,最终导致地球上第八大洲的出现。

1912年,德国气象学家魏格纳提出板块漂流学说,又称之为板块运动。 在这个学说之中 ,魏格纳通过将大西洋两边的陆地轮廓进行对比后发现,两者竟然能够在一定程度上接在一起 。

不仅如此,当追溯不同区域 历史 上的气候变化时 ,竟然还意外地发现,即便有着大西洋的阻隔,不同大洲边缘地带的古生物以及古气候都十分相似。 通过这两点证据 ,魏格纳提出大胆猜想,让世人为之震惊 。

可就像哥白尼在1543年发表的《天体运行论》一样,日心说得出现对科学界以及普通民众的冲击实在太大 ,一时间让人无法接受 ,板块漂流学说也面临同样的困境 。 即便不少科学家对魏格纳提出的观点表示赞同,但依旧不敢挺身而出,做“第一个吃螃蟹的人” 。

好在随着越来越多证据的出现 ,人类最终还是选择坦然地面对现实。尤其是当明显相隔一个大洋的情况下,依旧出现同样的物种时,这让人们不得不承认。 除去板块漂流学说之外 ,就再也没有其他任何理由能够解释这种现象 。

到了1968年,法国地质学家勒皮顺更是将地球的岩石层完全划分为六个较大的板块。 在勒皮顺看来,地球岩石层上的这六大板块 ,其实都是“漂浮 ”的状态。只不过由于体量实在太大,而人类又太过渺小,所以我们根本无法感受到这种漂浮的感觉 。

像青藏高原、东非大裂谷这样的特殊地质环境 ,主要形成原因其实就是受到了位于岩石层之下,地幔软流层的运动影响。当地幔带动岩石层运动之时,地表板块也会随之运动 , 在这个过程中 ,板块与板块之间相互脱离和挤压,不同的地质环境也就自然而然的出现 。

也正因如此,其实青藏高原以及东非大裂谷的出现就十分容易理解  。在地质学里 ,青藏高原原本并不是世界屋脊,平均海拔甚至还不到现如今一般的高度。可由于印度洋板块和亚洲大陆的挤压,最终让青藏高原高高隆起。

而东非大裂谷则刚好相反 , 科学界们推测,在距今约3200万年前,东非大裂谷首次出现在地球上 。 在那以后 ,东非大裂谷逐渐剥离开来,裂谷的宽度和深度也逐年增加, 经过漫长的时间推移以后 ,终于形成了现如今这副模样 。

在科学界中,许多科学家都喜欢以“伤口”二字来形容东非大裂谷。事实上,如果能够从地球之外的视角来看待这片区域 ,伤口二字也的确名副其实 。 这条“地球上最大的伤口” 于非洲东部开启 ,至赞比西河的下游谷地结束, 全长大约5800多公里 。

如果以地球赤道的周长为例,那么赤道40076千米的长度 ,其实也仅仅不过是接近东非大裂谷的七倍长度而已。 可想而知,东非大裂谷这道伤口,影响力范围究竟有多么宽广。

除此以外 , 东非大裂谷的最深处足足达到2公里 。 如果是将这个长度放在平面上,或许不会有人有太大的感觉,可 如果是放在纵向方位上 ,东非大裂谷的深度接近1/4珠穆朗玛峰。 可想而知,一旦不小心掉入如此深入的峡谷中,究竟是何等恐怖的一件事情。

然而在板块漂流学说出现以后 ,地质学家们又一次针对东非大裂谷进行相关研究,才最终确定了东非大裂谷的成因 。 当地壳下方的地幔软流层不断运动的时候,地表也会受到一定程度的影响。 更重要的是 ,当地幔物质不断上升抵达地表以后 ,产生的巨大张力就会让东非大裂谷一带出现脱离的现象。

自3000万年前的渐新世开始,东非大裂谷地区的断裂运动就开始不断出现 。 到了中新世时期,断裂运动变得越来越强烈 ,阿拉伯半岛以及红海大陆等等,也正是在这样的地质运动背景下逐渐形成。

事实上,别说是距离当前 社会 十分遥远的时代 ,即便是到了今天, 东非大裂谷依旧在不断地运动和扩大 。就像在最近百年的时间里面,东非地区就曾经发生过两次十分强烈的地质运动 ,而这两次运动也彻底为地质学证明, 表明东非大裂谷受板块漂流影响绝对算得上有迹可循 。

首先是在1978年12月,阿尔杜科巴火山事件的爆发。位于吉布提阿发尔三角地区的阿尔杜科巴火山爆发之前 ,曾突然出现高达数百米的突起。 如果从卫星上观测就会发现,此时地球上的某一片区域,就好像突然出现了一座山峰 。

也正是 因为此次事件 ,竟直接导致阿拉伯半岛与非洲大陆之间的距离增加了1.2米 。 从数据上来看 ,1.2米似乎微不足道。可如果巴阿拉伯半岛以及非洲大陆这两个研究对象放上去就知道,其威力绝不是普通人能够想象的。

其次则是在2005年9月,埃塞俄比亚北部境内曾发生过多达上百次规模十分巨大的地震 ,并最终形成了一条550米长 、宽七点五米的大裂缝 。 相比于东非大裂谷,这道裂缝同样微不足道。可如果给它足够的事件长度,或许这一片区域最终也会形成规模十分可怖的大裂谷。

而科学家们通过研究发现 ,之所以会在这片区域出现这样的情况, 主要原因就在于这片区域中没有任何“支撑 ” 。换一个说法就是,在正常的地质环境中 ,某一区域应该是以地壳 、地幔以及地核这样的顺序层层推进 。由于地壳的存在和保护,人类才得以免受地幔运动的影响。

只可惜在埃塞俄比亚北部地震带,地壳的保护十分疲软 ,地幔运动也就更容易对这片区域造成冲击 。 或许很多人会问,那么为什么地幔运动对这片区域的影响仅此一次?答案并非如此。 毕竟在地幔影响之中,强度有大有小 ,并不是每一次运动都会对地表造成极其恶劣的影响 ,否则无论生活在任何一个区域,人类都必将受到严重的伤害。

事实上,现如今的地球也已经进入了比较平静的时期 ,相关的地质运动也显得十分平和,所以即便是出现东非大裂谷这样可怖的伤口,其实也是以极其缓慢的速度在进行扩张 。所以非洲地区的地震事件 , 一方面证明了东非大裂谷的成型原因,另外一方面也证明了东非大裂谷的“可靠性” 当它发展到一定程度的时候,之后的变化自然也会十分的稳定。

科学家们通过卫星对东非大裂谷观察研究以后得出结论 ,东非大裂谷正在以每年2.5cm的长度不断地扩张。 相比于东非大裂谷的宽度来说,2.5cm自然是微不足道的 。可如果让这个速度不受时间的限制,那么未来东非大裂谷将整个非洲一分为二自然也是很有可能的 。

只不过在时间上面 ,科学界的看法却并不相同, 一部分科学家认为,或许在100万年以后 ,当海水灌入东非大裂谷之后 ,非洲就会分为东非洲和西非洲两个完全不同的大洲;另一部分科学家则认为,或许在2亿年之后,才有可能真正出现东非洲以及西非洲的局面。

或许不少人会疑惑 ,为什么在时间点上,科学家们会做出差距如此之大的判断。其实这主要是因为在未来的地质变化过程中,谁也不知道会有怎样的意外发生 。 倘若东非地区再次出现强度更大的地震 ,并在形成断裂带以后与东非大裂谷连接在一起,东非大陆和西非大陆形成的时间自然就会加快。

其实不论是百万年也好,亦或者是2亿年也好 ,基本都和我们没有什么关系。更重要的是,这主要还是一种可能性 。在地球板块漂流运动的过程中,说不定还会出现其他的“意外” , 在这些意外的影响下,人们就更没法预测未来的变化了。

值得一提的是,其实东非大裂谷除去帮助地球形成第八大洲的可能性之外 ,同时还和我们人类的起源息息相关。 在数百万年前 ,当人类还在森林之中以南方古猿的形式存在时,正是东非大裂谷逼迫它们走出了舒适圈,并通过直立行走的方式适应平原上的生活 。 正因如此 ,人类才有机会发展到现如今的高度,也才有机会去探寻东非大裂谷的相关知识。

尽管我们无法知晓东非大裂谷究竟会在什么时候陷入汪洋大海之中,更不清楚东非大裂谷未来的发展方向是否会严格遵循科学家们做好的规划。 但东非大裂谷不断地扩张 ,其实就是在给我们人类研究地质运动的机会 。

如果能够彻底了解东非大裂谷之下的地幔运动,那么在未来面对其他地区的相关地质运动时,我们就有很好的经验可以借鉴和参考。 更重要的是 ,如今人类在预防地震这一块,其实还停留在十分原始的阶段 。或许通过对东非大裂谷以及相关区域的研究以后,我们也能更好地推测并防范地震 。 一旦这个科研目的成功完成 ,必将给全人类都带来难以估量的价值 。

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