沒有人測量過光真正的速度【官方雙語】【Veritasium真理元素】 P2 - 純英文版

我知道你在想什麼。 誘人標題！ 沒有人測量過光速嗎？ 那太荒谬了。 光速精確為每秒 299,792,458 公尺。 我們對此非常確定，自1983年以來，我們實際上已經 使用光速來定義一米的長度。 它僅僅是光在真空中於二億九千九百七十九萬二千四百五十八分之一秒內所行進的距離。 這個定義確保光速恰好等於這個數字。 沒有小數。 但請聽我說完。 在這段影片中，我將向你證明，光實際上可能永遠不會以這個速度行進。 而且我可以這麼說，因為沒有人真正測量過。 我們無法以測量其他事物速度的方式來測量光速。 我想我們正在各地錄音。 我們在做什麼？ 這是一個關於測量物體速度的影片。 好的。 請告訴我你是如何測量從你的砲口射出的棒球速度的。 要得到棒球的速度，你需要知道兩件事。 你需要知道兩點之間的距離。 而且你需要知道棒球從這些點之間移動所需的时间。 基本上，我們是用距離除以時間。 那就是棒球的速度。 在我們的情況下，我們是使用高速相機進行拍攝的。 所以你本質上只是數一下畫面幀數而已。 然後你的鐘錶是內建的。 哦，你要去相對論了。 你會做些奇怪的事，對吧？ 你早有預感。 我簡 commission 1 trainers and 2000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000㈫ 天啊，老兄。 我想問你的事是光速。 好的。 你可以這樣測量光速嗎？ 想像一下，你有一束激光，能夠在完美的真空環境中射出一公里遠。 一發射激光束的瞬間就開始計時。 然後就在它剛好到達終點的那一刻，停止計時。 除了，你怎麼知道光到達了一公里？ 如果你和時鐘都在起點的話？ Remix 好的。 因此你需要兩個鐘，一個放在激光處，另一個放在終點處。 當檢測到激光光時會自動停止。 但現在，你如何確保你的兩個鐘錶是同步的呢？ 嗯，你可以用一根線將它們連接起來，然後從一個向另一個發送脈衝。 但那個脈衝將以光速傳播。 因此它會有時間延遲地到達。 你可能會以為，你只要減掉那段時間延遲就行了， 但它等於光線前進一千公尺所需的时间。 這正是我們所不知道，並正在試圖衡量的。 好的。 新計畫。 先讓鐘表一起開始，然後先同步它們。 然後把其中一個鐘表送到底端。 現在，還會有什麼事情出錯呢？ 好吧，我告訴你。 終點線的鐘表相對於起點線的鐘表在移動。 相對論告訴我們，相對於靜止的觀察者，運動中的鐘錶會走得較慢。 當鐘擺走到一公里時， 它將不再與起始時的鐘錶同步。 我可以告訴你這個問題唯一的解決方案嗎？ 扔掉第二個鐘。 在末端放置一面鏡子，以反射光線。 並在起點使用一個時鐘來計時整個兩公里的往返行程。 這不是之前就做過了嗎？ 他在一座山上，有一輛馬車的車輪，上面掛著一盞燈。 而且山的另一側有一個類似鏡子的東西。 我一直都想要做這件事。 聽起來有點像光速最初被發現時的情況。 於1849年由伊波利特·菲佐實驗測量得出。 他將一束光線射入一個快速旋轉齒輪的齒縫之間。 一面鏡子放在八公里外的山丘上。 然後通過提高齒輪的轉速， 他到達了一個點，此時反射的光線穿過齒輪下一個間隙。 於是便如此被觀察到了。 因此，他測量出光速為每秒313,000公里， 這與目前公認的數值相差不到5%。 所以有人測量了光速。 還是沒有呢？ 測量到的是光的往返或雙向速度。 但沒有人測量過光的單向速度。 有一件事我要告訴你， 我就直接告訴你了。 就好像，光在這個方向上的速度會怎樣 與這個方向的光速不同？ 那聽起來就像一個Veritasium的影片。 問題在於，你能否解開它？ 這個問題的關鍵在於，人們迄今為止唯一成功的方法是 測量光速是針對往返行程而言。 從來沒有人成功測量過光在單一方向上的速度。 光在某一方向上的速度可能是c的一半。 然後在返程時瞬間完成。 什麼？ 那是有可能的。 你認真的嗎？ 想像一下與一名被困在火星上的太空人溝通。 我們叫他馬克。 我們發出一個信號，20分鐘後收到回應。 因此我們假設信號需要10分鐘才能到達那里 而且回覆需要10分鐘才會回來。 但有可能我們的訊息花了整整20分鐘才到達。 回覆立即返回。 我們根本無法分辨這兩種情況之間的差異。 但光速為什麼會不同呢？ 嗯，時空之中可能存在某種偏好的方向。 我的意思是，我們的宇宙具有許多對稱性，但也存在一些非對稱性。 例如，為什麼物質相對於反物質如此之多？ 物理學家已經推導出內部自洽的物理理論 其中光速前進與反向時不同。 光速可能僅有百分之幾的變化 最高達到極端時，向一個方向超過2 而且在另一個方向上無限快速。 好吧，讓我來想想看。 嗯，我其實有點不相信你。 我有點不太相信你。 我不相信光在一個方向的速度與另一個方向不同。 但我足夠了解你，知道你不會打電話給我。 除非你確定自己是對的，否則不要把我拍下來。 這就是讓我對這場對話感到害怕的原因。 這讓我害怕。 現在，你可能會覺得這樣更簡單。.covered 那束光在所有方向上的傳播速度應當相同。 但事實上，這只是一種慣例，而非經實驗驗證的事實。 愛因斯坦本人在其著名的1905年論文中便指出了這一點。 論動體的電動力學 他花了前幾頁的篇幅 關於在不同位置 A 和 B 同步鐘錶的問題。 而且他說，我們根本無法對他們所測量的時間進行有意義的比較。 除非我們根據定義規定光從 A 點傳播到 B 點所需的时间 等於從 B 到 A 所需的時間。 他本質上是在定義光在相反方向上的速度是相同的。 而且他特意用斜體字來提醒我們 這僅是一種慣例。 它被稱為愛因斯坦同步規範。 因此，光速在相反方向上相同的觀念 正如愛因斯坦後來所寫 既不是對光的物理性質的假設，也不是假說。 但我憑自己自由意志所做出的規定 達到同時性的定義。 那聽起來主觀性強多了 而不是大多數人想像中光速的定義方式。 老兄，這太硬核了。 我從來沒有想過這件事。 我之前也沒想過這件事。 我一直以為，當我們說光速為 C 時， 我們指的是光的單向速度。 無法定義光的單向速度。 因此，我們真正能夠定義的，僅僅是光的雙向速度。 只看看愛因斯坦是如何定義C的。 這是從 A 到 B 再返回的往返行程。 我不知你是否在物理課上見過， 但每當出現光學鐘時， 它總會將光線向上彈射，然後再反射回來。 你永遠不會看到一個光鐘只是讓光單向反覆彈跳。 這就是原因。 我們可以確定對所有慣性觀測者而言恆定不變的唯一事物是光速。 是光的雙向速度。 一百多年來， 科學家們曾試圖找出繞過此問題的方法 單獨測量光的單向速度。 這是一篇發表於2009年《美國物理教師期刊》的論文 聲稱能夠測量光的單向速度的。 這是駁斥該研究的論文， 指出這些作者實際上測量的是光的往返速度。 但我正在想，你可能會有一些想法 如何測量光的單向速度。 那我們來看看其中一些。 我的意思是，我們不能直接用高速攝影機嗎？ 每秒拍攝一兆幀的攝影機 所以我們實際上可以看到光線穿過物體嗎？ 問題在於，你不僅僅是看到光線穿過物體的過程， 你也看到它彈回攝影機了。 測量的是往返速度，而不是單程速度。 給你。 取得一卷光纖電纜。 你知道嗎，我不太確定，大概是186,000英里。 然後你就可以把光線照在這裡 而光纖的另一端就在這裡坚实地連接著 你可以在這裡發光，然後等待並觀察延遲情況， 看看這邊是不是晚了一秒。 問題在於，那根纖維一直在不停地轉來轉去。 因此，當光線經由迴路頂部向這邊傳播時，可能會出現這種情況。 它變得更慢了。 然後當它到達底部時，速度會更快。 在纖維中，一切最終都會趨於平衡。 你本質上在那根光纖中經歷了大量往返傳輸。 所以你永遠都別想拿到單程票。 如果你把一個同步裝置放在兩個鐘錶的正中央會怎樣？ 並發出同步脈衝？ 好吧，如果光在兩個方向上的速度相同， 這能完美地同步您的鐘錶。 但如果光在每個方向上的速度不同， 其中一個鐘會比另一個快 而且會恰好提前那麼一點點 這樣一來，當你測量光速時， 你會發現答案是 C。 即使那並不是光當時行進的速度。 這正是GPS同步鐘無法運作的原因。 整個GPS系統建立在一個假設之上 光速在所有方向上都是相同的。 如果光速在不同方向上有所不同， 來自衛星的光脈衝將以不同的速度傳播 因此，鐘錶將無法正確同步。 我的意思是，他們將永遠以 C 來測量光在單程傳播時的速度。 無論是或不是。 那麼從中間的同步鐘開始怎麼樣 以及以大小相等、方向相反的速度將它們分開？ 這樣，每個鐘的時間膨脹將會相同 當它們抵達終點時，仍然會保持同步。 但這僅在光在每個方向上的速度相同時才成立。 如果光速取決於方向，那麼時間膨脹也是如此。 你可能會認為你可以把時鐘移動得非常、非常緩慢。 因此時間膨脹可忽略不計。 但如果光速在不同方向上有所不同， 你不能只使用標準公式 計算那種時間膨脹會是多少。 我的意思是，情況可能比你想像的要好得多。 事實是，我們被困住了。 我們需要同步的鐘錶來測量光在單向傳播時的速度 但我們需要知道光的單向速度 為了同步我們的鐘表。 現在這聽起來可能只是一個學術上的憂慮 所以我想要通過一個例子來說明 宇宙運作的方式竟是如此不同 如果光速在各個方向上並不相同。 假設在火星上，馬克試圖將他的鐘錶與地球同步。 中午時分，任務控制中心發出一條訊息，內容為 此訊號於正午12時準時發出。 當馬克收到這則訊息時 他使用愛因斯坦同步規範來設定他的鐘。 他知道往返時間延遲是20分鐘。 因此，他推測信號花了10分鐘才到達他那裡。 他將時鐘設定為下午12時10分，並發送了一條回覆訊息。 此回覆已發送至1210。 訊息於下午12時20分抵達地球。 因此雙方都知道同步已成功。 當地球上的鐘面顯示1220時， 它同時在火星上顯示為1220。 但現在請考慮光速發生變化時的情況 兩個方向並不相同。 假設從地球到火星的距離是 c 的二分之一。 然後瞬間從火星返回地球。 當然沒有人知道這件事。 因此，他們繼續使用愛因斯坦的慣用法。 訊息是由地球發出的 但現在要到火星需要整整20分鐘。 但馬克並不知道這件事 正如之前一樣，他假設信號花了10分鐘才到達他那裡。 因此他把鐘調到下午12時10分。 即使在地球上現在是1220年。 馬克隨後於下午12時10分發出此回覆。 於地球時間1220時即刻接收。 兩位溝通者的體驗是相同的。 收到的訊息相同，且當地時間延遲也相同 但他們的鐘錶相差了十分鐘。 他們認為對另一名觀察者來說是同一時刻的，實際上並不是。 而且他們永遠無法察覺或修正這個錯誤。 想像一下，如果地球上有人立即作出了回應 這則訊息花了多久時間才到達你那裡？ 現在是1220。 訊息需要20分鐘才能到達火星 但由於鐘錶時間不同步 它將於火星時間中午12:30抵達。 所以馬克會回答10分鐘 一條訊息，將在地球時間1240時立即抵達地球。 時空圖顯示了其中的彈性。 在你認為的同一時刻，出現在兩個不同地點 以及你如何定義光的單向速度。 愛因斯坦選擇了這樣一種規範：光在單向傳播時的速度始終相同。 但從實驗的角度來看，任何其他慣例同樣具有有效性。 直到光速為單向c的二分之一為止 而且瞬間反向 在這種情況下，值得思考的是 每位觀察者在注視對方時所看到的內容。 馬克看到的地球，是二十分鐘前的樣子。 但地球正以即時方式看到火星當下的真實樣貌。 而且這種影響不會僅限於火星 往遠處望去，你可以看到數百光年之外的星星。 不像幾個世紀前那樣 但正是現在這個樣子。 其中一件事是，你只有在光到达你時才會知道它的存在 而且你根本不知道它抵达你身邊所經歷的旅程。 你只要一看，它就在那裡，就像是瞬間出現的一樣 因此，對那道光的即時解讀 就跟光從c處傳到我們這裡所需時間一樣好。 這簡直讓我頭大 我的意思是，這有點無法得知，不是嗎？ 這正是影片的重點，其奧秘正是無法被知晓。 意思是我們都已同意 這基於愛因斯坦在1905年所寫的內容 我們都同意就說它在每個方向上都是 C 但事實是，物理定律是一樣的。 無論是 c 還是 c 除以 2 以及瞬時值 或任何中間的事物 只要往返時間總計為 c 就可以 沒有任何物理定律被打破，這才是最瘋狂的地方。 因此，如果我們永遠無法測量光的單向速度 如果對任何物理定律都沒有影響的話 那還談什麼呢？ 這確實是自1905年以來一直持續的辯論中的一種合理觀點。 你知道一些物理學家會援引奧卡姆剃刀原理。 如果光在所有方向上以相同速度傳播，不是更簡單嗎？ 大多數從事物理研究的科學家只是接受這個慣例，然後繼續他們的生活。 但我認為重要的是要指出，這只是一種慣例。 並非經實證驗證的事實。 personally, 我覺得這件事情非常迷人，因為這是宇宙中對我們隱藏起來的某件事。 當然，光的往返速度是 c。 但單向速度本身是否具有明確的定義值呢？ 如果情況並非如此，同時性的概念又意味著什麼呢？ 現在火星上是什麼時間？ 談論事情是否同時發生，這有沒有意義呢？ 如果他們之間有距離呢？ 你知道，也許這只是宇宙的一個奇怪特徵，根本沒有什麼好的理由。 AAA 我們無法測量光的單向傳播速度 將是理解廣義相對論與量子力學之間關係的明顯線索。 空間與時間是相互關聯的 我們會疑惑，為什麼之前沒發現這一點。 嘿，這支影片由 KiwiCo 贊助 他們創造出令人驚豔的專案和玩具，讓孩子們動手製作。 我跟兒子一起使用他們的箱子，既非常有趣，又具有教育意義。 現在，這段影片的觀眾可享任何櫃子首月 50% 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