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世外桃源app官网网址 照在你脸上的阳光,已经经历了10万年|王木头讲科学

2019-12-26 09:56:32
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给孩子最好的科学教育

音频在哪里?音频在这里。

今天是王木头讲科学的第9期节目。

来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人,他最擅长给孩子讲有趣的科学。

▼▼ 用听的 ▼ ▼

▼▼用看的▼ ▼

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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