光速降到0的实验
1999年,罗兰科学研究所的哈佛大学物理学家莱恩·豪(Lene Hau)曾将光速降低了2000万倍,达到每小时38英里的惊人速度,随后又进一步降低到每小时15英里,这大概也就相当于自行车的速度了,2001年,莱恩·豪和她的科研小组成功的将光的速度降低到了0。
莱恩·豪(Lene Hau)先将金属纳在真空容器中加热到大约350度,纳就变成了气态钠原子云,随后她让这些原子云通过一个小孔,并用磁场隔离和构形形成了长径约0.2毫米、短径约0.01毫米的雪茄型气态纳原子云,大约包含了500~1000万个原子,接着她用来自各个方向上的激光束撞击这些纳原子,这有点类似于足球运动员停球,来回倒腾几下,这些个小球就慢慢停下来了。
我们知道,温度就是微观粒子运动的的宏观表现,那么这一团停下来的纳原子云相当多高的温度呢?它们几乎停下来后,其温度只比绝对0度高5亿分之一度。
在这样一个极低的温度下,这些钠原子会呈现出一种奇特的态,即玻色爱因斯坦凝聚态,所有的原子紧紧的挨在一起统一行动,表现的像一个超原子一样。
这时,打一束激光进去,OK!
降到0后发生了什么?
发生了什么?当光子进入后,它如同一个人走进了一个异常拥挤的车站,虽然它跑得很快,但是因为需要不停的和原子发生作用,吸收再放出,所以人们在测量其传播速度时就显得异常的慢,直至其将全部的能量转移给了纳原子云,这取决于你用激光再次启动它们的时机,实际上,莱恩·豪(Lene Hau)只是将光停了千分之一秒。
光速降低后,作为一旁的观察者,你会看到什么呢?你会看到打进来的光脉冲被压缩,光线慢慢的变暗。当光速降到0后,将没有光子到达测量仪器或你的眼中。是的,并没有你所期待的神奇发生,或者说,能够实现这一现象本身就已经足够神奇了。
另一个例子将有助于你理解这一过程,另一组研究人员使用了一种更简单的方法。他们并没有将介质冷却至接近绝对0度,而是发射激光束穿过密集的80摄氏度的铷和氦气云。光从一个原子反弹到另一个原子,逐渐变慢,直到停止。不需要超真空或超冷。但因为介质的能量干扰,当再次用激光启动它们时,有一部分光子就再也不会出现了,这就是不用低温的代价。
有啥用?
主要用于光计算机的研究。这种计算机使用光而非电子来传输和处理信息,这2个例子中的设备都可以被看作是光存储器,他们未来的目标是制造芯片级的不超过指甲大小的量子光塞,入射光可以携带通过其频率,振幅和相位的变化来表达信息,该信息将被存储在量子光塞中,可以被访问甚至读取用于计算。
另一重要的用途是模拟和研究黑洞。海法以色列理工学院的物理学家杰夫·黑洞因其巨大的引力可以将光困住,这与此类实验有异曲同工之妙,科学家们可以用类似的方法以模拟和研究霍金辐射。
结束了吗,其实没有!上面的实验不是真正意义上的降低(好戏开场)
上述实验中,我想大家也看出来了,他们并未实现真正意义上的光速降低到0,或者说没有真正让光子在真空中的飞行速度降低到0。
2015年,《科学》刊发了英国格拉斯哥大学一个科研小组的论文《空间结构的光子在自由空间中传播的速度比光速慢》。
他们通过将单光子准直光波改变为贝塞尔光束和聚焦高斯光束(一种新的波型),然后通过精确的测量,发现与之前未改变的光波束相比,其在真空中的传播速度变慢了,具体讲是单光子 的群速度在1米的数量级上慢了几微米,大约比真空光速降低了百万分之几。
文中指出,因为在自由空间中,单光子传播的速度只取决于其群速度,因此可以说,这个实验是真正的实现了光速的极细微的降低。
虽然这种降低幅度是微小的,但这个实验确实显示了光的波型对光的传播速度有细微的影响。但是为什么呢,到底是为什么呢?文章中并未给出答案。
显然,这距离你要的光速降到0还有很大的差距,来吧,我们继续深入!
可能触及本质
我们知道,根据麦克斯韦的电磁方程可以推导出真空光速C与2大因素有关,即:真空介电常数和真空磁导率。
而目前这2项都被确定为常量,那是不是可以通过改变这2项的值去改变光速C的值呢,看着上面的公式,要是真空介电常数和真空磁导率都无限的变大,那么C的值就会无限的变小,对吧。
那么真空介电常数和真空磁导率要怎样被改变呢?
2013年,法国巴黎奥赛大学的马塞尔·厄本(Marcel Urban)在《欧洲物理学期刊》刊发一篇论文指出,真空的带电虚粒子的涨落及其密度,会影响真空介电常数和真空磁导率!
在他的论文中,马塞尔·厄班和他的同事首次建立了详细的量子机制,并利用量子涨落,正确地计算出了光速的数值。并指出,光的传播速度在50亿亿分之一秒内会发生波动。而这是由真空带电虚粒子的湮灭波动引起的!
这可能触及真空和光速的本质!
光速为0的大胆的猜想
也就是说,只有真空带电虚粒子的涨落及其密度改变了,或者说真空带电虚粒子的电荷数及密度持续大幅度的增加,才会让光速降低甚至到0。
那么,按这个逻辑反过来,光速为0的情况下,带电虚粒子的涨落及其密度或者说真空介电常数和真空磁导率2者或之一就会变得无穷大!
而虚拟粒子具有普通粒子的某些特征,只是其存在受到了不确定性原理的限制,这样的话,我们可以想象,虚拟带电粒子和带电普通粒子的电荷和密度是不是也会趋于无穷大!
所有的物体都会变为黑洞!(个人观点)
接着我们根据这一条件就会得出一个惊人的结论:所有的物体都会变为黑洞!
为什么?因为带电的传递强相互作用力的带电π介子,具体说来就是π正和π负会变得异常的多(密度大),因些,强核力会变得无穷大,同时,也电磁力也会变得无穷大,别说无穷大了,哪怕大一点,核子都会将电子拉入其中,并且其致密性都将强大到压垮自身,接着,便是万物俱黑!
参考文献:
1、大学物理精讲与典型难题详解,上海交大出版社;
2、《Photons of spatial structure travel slower than light in free space》,SCI检索
3、https://news.harvard.edu/gazette/story/1999/02/physicists-slow-speed-of-light/
4、https://phys.org/news/2013-03-ephemeral-vacuum-particles-speed-of-light-fluctuations.html
5、***/article/2100985-black-hole-made-in-the-lab-shows-signs-of-quantum-entanglement/
6、维基等
首先要明确光不是物质,光是能量传输三种方式之一,其他两种方式是热和电。光速不可能为零,只要有光源在,就会有辐射,光就存在。燃素之说曾经耽误了化学科学一百多年,现在可是二十一世纪。
既然是传输方式,把光速降慢是可能的,要理解也非常简单,只要明白介电常数的定义就可以了,那是高中物理概念。
介质在外加电场时会产生感应电荷(材料中的电子重新排列)而削弱电场,原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率,与频率相关。如果有高介电常数的材料放在电场中,电场的强度会在电介质内有可观的下降。
任何介质是物质,物质就有电子绕着原子核运动,光是电磁波,照射物质(介质)必然要碰撞到电子,引起电子重新排列,运动的电子对光因此产生抵抗作用,所以光的速度相对真空慢了下来,这个速度的变化就可以用介电常数衡量。英文permittivity,源自于permit(允许),所以permittivity是允许程度,“抗诱惑”的能力。
光穿过高介质的材料,自然会降速(能量被吸收),如果烤全羊,底下熊熊大火,全被吸收,那一大块羊腿里的电子全部投降,羊腿是光传播的终点站。
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