物理学考研(物理学考研考什么科目)

物理学考研，物理学考研考什么科目

真空中的光速是每秒299,792,458米，这是科学家们在1975年最终同意的一个数字。

光是一种电磁波，光速是恒定的，因此它的速度是由介质决定的，而介质恰好是真空，也就是说，光没有介质。

光的速度等于电磁波的速度，这可以从麦克斯韦方程中得出。光速被认为是自然界的一个基本常数，是宇宙中唯一的极限速度，是信号传播速度和所有物质粒子速度的上限

真空的特性，光速是一个常数，因为它是由真空的特性决定的，这些特性也是常数。光是一种电磁波，其速度与其他任何电磁波的速度相同。光的速度不取决于光源或观察者的运动。

但为什么要定在这个数字上？这又有什么关系呢？

回答这些问题需要我们在空间、时间、物理学和测量方面进行一次奇妙的旅行，而这个故事还没有完全被讲完。现代研究正在对光速提出质疑，这是几个世纪以来的第一次。

在17世纪初，人们普遍认为光没有速度，它只是瞬间出现，要么存在要么不存在。在16世纪，这一观点受到了严重的挑战。

首先是荷兰科学家艾萨克-贝克曼在1629年，他在火药爆炸的周围设置了一系列镜子，以观察观察者是否注意到闪光出现的时间有什么不同。

如果你去参观塞纳河左岸的巴黎天文台，你会看到墙上的一块牌子，宣布1676年在那里首次测量了光速。奇怪的是，这个结果是在无意中产生的。

奥勒-罗默，一个丹麦人，当时作为意大利天文学家乔瓦尼-卡西尼的助手，正试图解释木星的一颗卫星的日食中的某些差异。

罗默和卡西尼讨论了光有一个有限的速度的可能性，它通常被认为是瞬间移动的。最后，经过一些粗略的计算，罗默得出结论，光线必须花10或11分钟才能穿过 “相当于地球轨道半径 “的距离。

卡西尼本人对整个想法有了新的想法。他认为，如果有限的速度是问题所在，而光线确实需要时间来绕行，那么在对木星其他卫星的测量中也应该看到同样的延迟，但事实并非如此。

随后的争论直到1728年才结束，当时英国天文学家詹姆斯-布拉德利发现了一种替代性的测量方法。正如许多随后的实验所证实的那样，从罗默最初的观测中得出的估计值有大约25%的偏差。

我们现在已经将真空中的光速精确地固定在299,792.458公里/秒。

为什么是这个特定的速度而不是其他的，光速从何而来？

电磁理论在150年前给出了第一个关键的见解。苏格兰物理学家麦克斯韦表明，当电场和磁场在时间上发生变化时，它们会相互作用，产生一种流动的电磁波。

麦克斯韦从他的方程式中计算出该波的速度，发现它正好是已知的光速。这有力地表明，光是一种电磁波，这一点很快得到了明确的证实。

1905年有了进一步的突破，阿尔伯特-爱因斯坦表明，c，即通过真空的光速，是普遍的速度极限。根据他的狭义相对论，没有什么能比这更快。因此，由于麦克斯韦和爱因斯坦，我们知道光速以令人惊讶的方式与其他一些现象相联系。

但是这两种理论都没有完全解释是什么决定了这个速度。什么可能呢？根据新的研究，c的秘密可以在空旷的空间的性质中找到。

在量子理论出现之前，电磁学是关于光的完整理论。它仍然具有巨大的重要性和实用性，但它提出了一个问题。为了计算真空中的光速，麦克斯韦使用了根据经验测量的两个常数的值，这两个常数定义了空空间的电和磁特性。分别称它们为Ɛ0和μ0。

问题是，在真空中，并不清楚这些数字应该意味着什么。电和磁实际上产生于带电的基本粒子的行为，如电子。但是，如果我们谈论的是空的空间，那里不应该有任何粒子，不是吗？

这就是量子物理学进入的地方。在被称为量子场论的高级版本中，真空从来不是真的空。它是 “真空状态”，是一个量子系统的最低能量。它是一个舞台，在这个舞台上，量子波动产生蒸发的能量和基本粒子。

什么是量子波动？海森堡的不确定性原理指出，总是有一些与物理测量相关的不确定性。根据经典物理学，我们可以准确地知道。

一个静止的台球的位置和动量。但这正是不确定性原理所否定的。根据海森堡的说法，我们不能同时准确地知道这两者。

就好像球相对于我们认为的固定值而言，会有轻微的颤动或抖动。这些波动太小了，在人类范围内没有什么区别；但在量子真空中，它们会产生微小的能量或等同于物质的爆发，以基本粒子的形式迅速出现和消失。

这些短暂的现象似乎是现实的一种幽灵般的形式。但它们确实有可测量的效应，包括电磁效应。

这是因为这些转瞬即逝的量子真空的激发物以一对具有相等和相反电荷的粒子和反粒子的形式出现，如电子和正电子。

施加在真空中的电场扭曲了这些粒子对，产生了电反应，而磁场影响它们，产生了磁反应。这种行为使我们有办法计算，而不仅仅是测量，量子真空的电磁特性，并从中得出c的值。

2010年，德国马克斯-普朗克光科学研究所的物理学家及其同事正是这样做的。他们利用量子真空中的虚拟对来计算电常数Ɛ0。

他们大大简化的方法产生了一个与麦克斯韦所使用的正确值相差10倍以内的数值–这是一个令人鼓舞的迹象。这启发了马塞尔-乌尔班和他的同事们。

这启发了巴黎南方大学的马塞尔-乌尔班及其同事从量子真空的电磁特性中计算出c。2013年，他们报告说，他们的方法给出了正确的数值。

这个结果是令人满意的。但它并不是确定的。需要进行全面的分析和一些实验来证明c真的可以从量子真空中得出。

光速只是几个基本物理常数中的一个。这些常数被认为适用于整个宇宙，并随着时间的推移保持固定。引力常数G，定义了整个宇宙的引力强度。在小尺度上，普朗克常数h规定了量子效应的大小，电子上的微小电荷e是电的基本单位。

这些常数和其他常数的数值都是精确到极点的。h被测量为6.626070040×10-34焦耳。

常数 “是否真的在整个宇宙中保持不变是一个古老的哲学争论。亚里士多德认为，地球与天体的构成不同。哥白尼认为，我们在宇宙中的这块地方就像宇宙的其他部分一样。

科学遵循现代哥白尼的观点，假设物理学定律在时空的任何地方都是一样的。但这只是一个假设而已。它需要被测试，特别是对于G和c，以确保我们没有误解我们在遥远的宇宙中观察到的东西。

对天体在重力作用下的观测并没有显示出这种减少，而且到目前为止，没有迹象表明G在空间中的变化。它的测量值准确地描述了整个太阳系的行星轨道和航天器轨迹，以及遥远的宇宙事件。

无线电天文学家最近证实，我们所知道的G正确地描述了3750光年外的一颗脉冲星的行为。似乎也没有可信的证据表明c在空间或时间上有变化。

有人提出了两到十个常数的集合，但一个有用的选择是只有三个：H、C和G，共同代表相对论和量子论。

只有无量纲常数才是真正的 “基本”，因为它们与任何测量系统无关。

1899年，创立量子物理学的马克斯-普朗克研究了h、c和G与物理现实的三个基本方面或维度之间的关系，空间、时间和质量。

每一个被测量的物理量都由其数值和维度来定义。我们不把c简单地引用为300,000，而是引用为每秒300,000公里。

数字和单位有很大的不同，但尺寸是相同的：长度除以时间。以同样的方式，G和h的尺寸分别为长度3/和质量x长度2/时间。

从这些关系中，普朗克得出了 “自然 “单位，即h、c和G的组合，得出普朗克长度、质量和时间为1.6×10-35米、2.2×10-8公斤和5.4×10-44秒。

但有些常数根本不涉及任何尺寸。这些是所谓的无尺寸常数–纯数字，例如质子质量与电子质量之比。这仅仅是数字1836.2。

只有无尺寸常数才是真正的 “基本”，因为它们与任何测量系统无关。另一方面，尺寸常数 “仅仅是人类的构造，其数量和价值因选择不同的单位而不同”。

也许无尺寸常数中最引人注意的是精细结构常数α。它首次被确定于1916年，当时量子理论与相对论相结合，以解释氢原子光谱中的细节或 “精细结构”。

α是电子围绕氢核运行的速度除以c，其值为0.0072973525698，几乎正好是1/137。

在量子电动力学中，α定义了电子的电磁力的强度。这使它具有巨大的作用。与引力、强核力和弱核力一起，电磁力定义了宇宙的运作方式。但是还没有人解释过1/137这个数值，这个数字没有明显的前因后果或有意义的联系。

理查德-费曼写道，α “自从它被发现以来一直是一个谜。一个神奇的数字，在人类无法理解的情况下来到我们身边。你可以说是 “上帝之手 “写了这个数字，而 “我们不知道他是如何推动他的铅笔的”。

处理这种令人不安的偶然性感觉的一种方法是直接面对它。这条道路将我们引向人择原理，即我们在宇宙中观察到的东西必须与我们人类在这里观察它的事实相一致的哲学思想。α的数值稍有不同就会改变宇宙；使恒星过程不可能产生碳，这意味着我们自己的碳基生命将不存在。

我们看到的这些数值的原因是，如果它们非常不同，我们就不会在这里看到它们。QED。这种考虑被用来将α限制在1/170和1/80之间，因为任何超出这个范围的东西都会排除我们自己的存在。

但这些论点也留下了一个可能性，即存在着其他常数不同的宇宙。尽管这些宇宙可能不适合智能观察者，但仍然值得想象一下，如果我们能够访问这些宇宙会看到什么。

如果c更快呢，光似乎相当快，因为没有什么比这更快。但是它仍然在长距离上产生了明显的延迟。空间是如此之大，以至于在星光到达我们之前，可以经过几个世纪。

由于我们的航天器比光慢得多，这意味着我们可能永远无法把它们送到星星上。从好的方面看，时间滞后使望远镜变成了时间机器，让我们看到遥远的星系在数十亿年前的样子。

我们自己的宇宙的法则似乎是如此严密地构造，这一点非常耐人寻味。

如果C是大10倍，很多事情都会改变。地球上的通信将得到改善。我们会缩短太空中大距离的无线电信号的时间滞后。更高的速度会扰乱我们回望宇宙历史的能力。

想象一下慢光，慢到我们可以看着它慢慢地从灯中爬出来，充满整个房间。虽然它在日常生活中没有什么用处，我们的望远镜可以带我们回到宇宙大爆炸本身。

在某种意义上，”慢光 “已经在实验室中实现了。1999年，研究人员通过让激光穿过超冷原子云，将激光的速度降到了自行车的速度，后来又降到了静止状态。

将c与量子真空联系起来，将显示出量子波动 “巧妙地嵌入 “经典电磁学中，尽管电磁理论比量子领域的发现早了35年。这种联系也将是一个闪亮的例子，说明量子效应如何影响整个宇宙。

如果存在多个宇宙，根据不同的规律展开，使用不同的常数，那么人类学推理很可能足以解释我们为什么观察到我们在自己的世界中发现的特殊规律性。在某种意义上，这只是抽签的运气。但我不确定这是否能成功地将神秘性从事物的方式中驱逐出去。

据推测，多元宇宙的不同部分必须以遵循其自身规律的特定方式相互连接–而且据推测，反过来也有可能想象这些宇宙的不同连接方式。

为什么多元宇宙应该这样工作，而不是那样，也许智力不可能克服对事物的任意性的感觉。

我们在这里接近了古老的哲学之谜，即为什么有东西而不是没有东西。那是一个也许没有光可以穿透的谜团。

天，光速，或通常所说的c，被认为是狭义相对论的基石–与空间和时间不同，光速是常数，与观察者无关。

更重要的是，这个常数支撑着我们对宇宙的大部分理解。它与引力波的速度相匹配，是的，它就是著名的方程式E=mc2中的那个c。

不过，对于光速是什么，科学家们通过将激光从物体上反弹回来以及观察重力作用于行星的方式来测量它，所有这些实验都得出了相同的数字。

然而，故事并没有完全结束，这要归功于量子理论，这个物理学的分支暗示着宇宙可能并不像我们想象的那样恒定。

量子场理论说，真空从来就不是真正的空，它充满了基本粒子，迅速地跳入和跳出存在。这些粒子沿途产生了电磁波纹，该假说认为，这有可能导致光速的变化。

对这些想法的研究正在进行中，我们还不能确定其中的原因。现在，光速仍然和几个世纪以来一样，恒定不变，但请注意这个空间。

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