照在你脸上的阳光,已经经历了10万年

作者: 王木头

来源: 把科学带回家

发布日期: 2017-06-22

文章通过一个游泳救人的例子,解释了光线在不同介质中传播时选择用时最短路径的现象,并进一步探讨了光速在不同介质中的变化以及光线在四维时空中的传播特性。

照在你脸上的阳光,已经经历了10万年。

假如你是一名游泳健将,有一天在湖边散步,忽然发现有一个小孩子掉进了湖里在喊救命。你是游泳健将嘛,所以一定会去救他,而且还需要用最短的时间到他身边。你发现从现在站着的位置到落水小孩的位置,需要先在陆地上跑一段距离跑到湖边,然后再进入湖里面游泳。你有下面这个图中的3种路线选择,你会选择那一条路线呢?

在选择之前,我先要提醒一下大家,在陆地上跑步,和在水里游泳的速度可是不一样的,陆地上跑得快,水里游得慢。123三种路线,选择哪一条花时间最短呢?两点之间直线最短,所以选择2,直直地冲过去距离最短,应该花的时间是最少的吧。你会不会这么想呢?不过这并不是正确答案,正确答案是3。为什么啊?距离明明变长了啊。道理很简单的,大家仔细看看图,应该会发现路线3,虽然在陆地上的距离增加了,但是在水里距离缩短了。

陆地上跑得快,增加一点距离只会增加一点点的时间,水里游的可就慢很多了,减少一点距离都可以节省很多时间,这样整体一计算,增加的少减少的多,所以就会省下的时间就多,也就是路线3会比直直冲过去用时还要少。

为什么讲这样一件事情呢?大家想想上次节目最后,我留了一个小尾巴,光线爱偷懒,而且并不是愿意走最短的距离,而是愿意走花时间最少的距离。光线从空气进入水中,就是没有直直地走距离最短的线路,而是在进入水中的刹那间发生了偏转。这就是因为,空气中光的速度快,在水中光的速度会变慢。发生折射,是光线想多在可以快速运行的空气中多走一段距离,而在没那么快的水中少走一点,最后可以走出一个用时最短的线路了。

什么?

光速是可以变慢的?在水中的速度要比在空气中慢?没有错,光速在真空中传播的速度最快,也就是我们平时说的30万公里每秒。在空气中会慢一点,在水中会更慢。光速不是在任何时候都不会改变的吗?这里为什么又会说可能会变呢?这样的话,那相对论就不对了啊。其实并不是这样的,我可以举一个不太准确但是能让大家理解的例子。我们把水放大,放大到可以清楚的看到分子和原子。它们之间并没有紧紧地靠在一起的,而是有空隙的。

光在这些空隙间还是按照30万公里每秒的速度传播的,一点都没有变慢。但是光线会在原子和分子之间来回地弹来弹去,不是直直地向前走,就像是你进入了人群中就跑不快了一样。于是光线只是从整体上看起来变慢了,其实只是在分子原子之间弹来弹去,多走了很多冤枉路而已。

往往啊,越是致密的东西,光在里面传播的速度就会越慢。举个例子,太阳因为自己强大的吸引力,把内部的物质压缩的非常的紧密。正常光在太阳核心产生,传播到太阳的表面,只需要2秒钟的时间。可是呢因为太阳内部粒子之间太紧,光只能在粒子之间多次往返跑,最后传到太阳表面需要花10万年的时间,然后再用8分多钟传到地球。所以我们在地球上看到的太阳光,其实是太阳核心10万年前产生的光线。

寻找用时最短的路线好像就是光的天性,而且还总是能被它找到。如果我不说的话,大家可能会觉得这句话非常有道理,应该是不会错的了。正因为这样光的传播速度的变化,导致了光从一种物质传播到另一种物质会发生偏转。可是能让光线发生偏转还有一种情况的,就是前面讲过的光线经过非常重的星球时也会被偏转。我们之前讲过爱丁顿验证相对论的星光实验就是这个原理。

不过这种情况下,光线的速度可是不会变化的,为什么光还是会发生偏转呢?

要解释这个事情啊,就要用到相对论中提到的4维时空了。光的运行是在4维时空中,但是我们只能看到它在3维空间中的样子。从4维到3维很难想象,因为我们人类的大脑是无法想象出4维的样子的,即使是最顶尖的科学家、最聪明的人也做不到。所以,我们只能想象从3维到2维的情况了。

如果我们是一种生活在2维平面上的生物,在3维空间中有一架飞机飞过一条直线,我们看到的会是什么样子的呢?大家想想看飞机投射在地面的影子就可以了,也会走出一条直直的直线。

我们都知道,宇宙的3维空间可是和地面一样,是凹凸不平的。飞机从高山和峡谷上空飞过,这个时候投影到地面的影子可就不再是直线了,也会随着地面的起伏而变得弯弯曲曲。大家可以这样来想象,光线在4维时空中仍然是会飞出一条直线,不过因为3维时空的凹凸不平,最后这条直线投影在3维的时候,也就发生弯曲。

大家可以看一下下面这个图,本来应该是横平竖直的黑白格子,结果投影在了凹凸不平的衣服表面上,最后格子和线条也都扭曲了起来。不过啊,我也要提醒一下大家,我只是为了方便大家理解才这样来举例子,真实的情况是要复杂的多的多的,需要非常复杂的数学计算才可以搞明白。

好了,有关光的路线的内容就讲到这里了。最主要还是想给大家直观地解释一下,光线为什么会受到空间扭曲的影响。在后面的内容,我们将要讲一讲,是谁第一个测量出来光线的速度的,为什么科学家会知道光速是不会变化的。

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