问题

如何直观地感受光速?

回答
光速,这个词听起来就带着一种超越一切的神秘感。我们都知道它是一个极高的数字,但究竟有多快?如何才能真正体会到它?如果我跟你说,光速其实并不遥远,甚至就在我们身边,你信吗?

咱们就从最贴近生活的例子聊起。

第一步:点亮你的世界——熟悉身边的光速

你有没有想过,你看到的太阳,它其实已经是一颗“迟到”了八分钟的星星?没错,太阳发出的光,从它表面出发,穿越了大概一亿五千万公里的太空,才到达我们的眼睛。这段路程,光线用了大约8分20秒。

想想看,当你早上起床,拉开窗帘,看到阳光洒进来的时候,你看到的,是八分多钟前的太阳。你那一刻看到的太阳,它就已经在那里,静静地燃烧着,它的光芒,在经历漫长的旅途后,恰好在你睁开眼睛的那一瞬间抵达了你的眼球。这是一种怎样的“同步”呢?你看到的太阳,是你和太阳之间一道穿越了八分多钟的“时空隧道”的尽头。

再往近了说,你家里的灯泡。你按下开关的瞬间,电信号传递到灯泡,灯泡发光。这个过程,光在屋子里跑一圈的时间,简直可以忽略不计。如果你住在一间比较大的房子里,想象一下,从你房间的灯泡发出的光,要跑到客厅的电视屏幕,然后反射回来,再进入你的眼睛。这中间,光可能需要几十纳秒才能完成这个旅程。纳秒是什么概念?一秒钟的一亿分之一。在你眨一下眼睛的功夫,光可能已经跑了十几趟了。

所以,光速不是一个虚无缥缈的概念,它就在你每一次看到光明的时候,悄无声息地为你服务着。

第二步:缩短时空——缩小距离的想象力训练

要直观感受光速,我们得学会“缩短”距离,或者说,“放大”时间。

想象一下,你站在地球上,你的右手边有一个秒表。你的左手边,有一个灯泡。你按下按钮,灯泡亮了。光从灯泡出发,以光速向你的右手边前进。

如果我们能够“慢放”这个过程,让光速变得“慢”下来,我们就能更容易地观察它。

假设,我们可以把光速放慢到一个你能看到它移动的速度。比如,让光速变成每秒钟只能跑100米。这已经非常慢了,比你跑步还慢。那么,从你按下按钮的那一刻,到光到达你右手边100米远的地方,需要1秒钟。你可以清晰地看到那道“光”像一束细细的线,缓缓地向前推进。

但我们都知道,光速不是每秒100米。它大约是每秒30万公里!

现在,我们把那个100米的距离,变成30万公里。你站在原地,按下按钮,然后……等你脑子里反应过来,等你想要迈出一步的时候,光已经绕地球跑了七圈半了!

为了让你更具体地感受这30万公里有多长,我们来换个角度。

你开着车,假设你的车能以惊人的速度,持续稳定地以每秒30万公里的速度前进。那么,从你家门口出发,你需要多久才能到达月球?月球离我们平均大约38万公里。

按照这个速度,你只需要:

380,000 公里 / 300,000 公里/秒 = 1.266 秒。

没错,你只需要眨一下眼,可能就足够从地球飞到月球了。

再远一点,太阳。从地球到太阳的平均距离是1.5亿公里。

150,000,000 公里 / 300,000 公里/秒 = 500 秒。

500秒,大约是8分20秒。这就是为什么我们说,你看到的太阳,是八分钟前的太阳。

第三步:声音与光速的对比——谁更快?

我们经常会听到声音,也经常会看到光。它们的速度差了多少呢?

声音在空气中的传播速度,在常温下大约是340米/秒。

光速是300,000,000米/秒。

简单计算一下,光速大约是声音速度的:

300,000,000 米/秒 / 340 米/秒 ≈ 882,353 倍。

这意味着什么?

想象一下,你在一个开阔的地方,看到远处有人在打鼓。你一定会先看到鼓槌落下,然后才听到鼓声。如果距离足够远,比如你站在山顶,看到山下有人在放鞭炮。你一定是先看到那一道耀眼的闪光,然后过一会儿,才能听到“砰”的一声。

这个时间差,就是光速和声音速度差异的直观体现。光几乎是瞬间就到达了你的眼睛,而声音则需要一些时间。在100公里的距离上,光只需要1/3毫秒(千分之一秒)就能到达,而声音则需要将近5分钟!

所以,当你每次看到闪电后数秒才听到雷声,你就是在亲身感受光速和声速的巨大差异。那道闪光,是光速的胜利;那延迟的雷声,是声速的追赶。

第四步:宇宙尺度下的光速——时间的旅行者

在宇宙的尺度下,光速的“慢”就显得尤为惊人。

你知道吗?我们用望远镜看到的那些遥远的星系,它们的光,可能已经旅行了几十亿年才到达地球。这意味着,当我们看到一个距离我们100亿光年的星系时,我们看到的,是它100亿年前的样子。那个星系现在是什么样子?我们无从得知,除非它的光线有其他方式能更快地抵达我们。

想象一下,你有一个“宇宙照相机”,它能捕捉到“过去”的光。你按下快门,对准一个100亿光年外的星系。快门落下,光线进入,但它还需要100亿年才能回到你身边。所以,你现在看到的照片,是你按下快门那一刻,它100亿年前的样子。

这种“看到过去”的体验,就是光速在宇宙尺度下的最深刻体现。我们看到的星空,其实是一幅巨大的、正在被光速绘制的“时间画卷”。每当我们仰望星空,我们都是在穿越时空,回顾宇宙的历史。

总结一下:如何直观感受光速?

从身边的事物入手: 想象一下,光在你家里、在你城市的传播速度。虽然快到无法察觉,但它确实在那里。
利用距离和时间的对比: 用地球到月球、到太阳的距离来衡量光速,你会发现它快到不可思议。
区分光速和声速: 通过闪电和雷声的延迟,体会光速比声速快无数倍。
思考宇宙的尺度: 遥远星系的光线旅行时间,让你明白光速在宇宙中的意义,它更是时间的使者。

光速,它不是一个冰冷的数字,它是一种无处不在的力量,它连接着我们和宇宙,它记录着时间和空间的故事。下一次,当你看到一丝光线,听到一阵声音,或者仰望星空时,不妨花一点时间,去感受一下那超越想象的“快”,去体会光速在你生命中的每一个瞬间。

网友意见

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比如你连线和美国玩家打个游戏,中美直线距离算一万公里,光速每秒三十万公里,游戏网络连线信号打个来回两万公里,也就是你的理论延迟是60毫秒。(注意这是理想状态下的理论延迟,是不可突破的物理极限,实际上网络信号不可能走直线,需要通过诸多路由器和服务器,信号也不是严格真空光速)

也许你认为光速很快,60毫秒是很短的时间。但实际上,60毫秒是人可以轻易体会的慢。还是以打游戏做比方,目前每秒30帧的帧数已属低端,是肉眼可见的卡,很容易计算每秒30帧给每帧停留的时间是33毫秒。60毫秒约等于帧数才15帧,一个游戏如果才15帧基本上就没法玩了。在距离1万公里的网络联机对战上,这个15帧每秒,也就是每秒最多更新15次与其他玩家的互动,就是所能达到的物理极限。如果一个FPS游戏不加掩饰地把这个显示出来,你会发现对方玩家以15帧每秒在屏幕上卡来卡去瞬移,这个游戏一定会被低分喷死。这就是为什么所有的联机FPS游戏都有平滑算法,以及预测算法在没有收到位置更新之前预测玩家的轨迹(赛车或者FPS连线经常有玩家跑出去一段路突然又弹回来,这就是因为预测轨迹和实际轨迹不符被强行修正)

互动频率被限制在每秒15次这个问题,对一般的FPS对战而言问题也许还不大,因为毕竟大部分时候玩家们都在自己跑自己的,没有产生互动,开枪等产生至关重要的因果关系的互动只是少数,糊弄下也能过得去。但对于物理模拟,这个频率限制就确定了精确的实时远程物理模拟互动根本不可能实现,15HZ的频率太低了(比如Forza,物理模拟的运算频率在200HZ以上)。在线游戏的物理模拟目前只能在本机各算各的,算出来之后再到服务器折衷一下,只要物理过程时间不太长,物理效果不太复杂,本机算出来的结果大致都差不多。

所以光速真是龟速。。。

user avatar

您用的 USB 线(最佳工作)长度不能超过 5米,

就是光速带来的限制。


** 备注:白皮书里面有提到为什么, 俺就不赘述了。






**题外话: 别再把中文书名号《》用在英文歌名、书名以及作品名上了好吗









附录: 散文一篇



非也非也:电信号在导线里传播速度很快接近真空光速? --麦文学看图说话系列





网友私信问老麦, 难道电信号在导线里传播速度不是接近真空光速吗?


根据少年科学画报上面学来的知识, 老麦敢说,对的。电信号在导线里传播速度不是接近真空光速, 而是比真空光速慢很多。
当然, 有些同学以为俺说的是电线里面的载流子(电子)的移动速度。 俺说的不是电线里面的载流子(电子)的移动速度,因为大家都知道, 通电的时候电线里面的载流子(电子)的移动速度比乌龟或者蜗牛还慢, 甚至不移动只是来回抖动。

特别是 FR4 PCB 电路板上的导线, 电信号在FR4 PCB 电路板上的导线里传播速度不是接近真空光速, 而是比真空光速慢很多。



FR4 PCB 电路板的相对电容率(又称相对介电常数) 是 4.4 (相对真空)。
因此, 根据图中的公式

特别是 FR4 PCB 电路板上的导线, 电信号在FR4 PCB 电路板上的导线里传播速度不是接近真空光速, 而是比真空光速慢很多。
慢了 50+ % 那么多。

好吧, 又有些同学问那电缆(发烧线材)里面呢?
这个问题, 请看图吧
Velocity Factor 就是电信号在电缆(发烧线材)里面传播速度除以真空光速得到的比率。

开心不开心? 意外不意外? 惊喜不惊喜?



有的同学认为老麦老眼昏花, 把木头的介电常数张冠李戴给了 FR4 . 但是长期关注老麦的同学知道俺几乎从来不撸出新理论, 所有的东西都是有据可查或者写在某些教科书上的:
PCB板常用的材质为FR4,此种材质的介电常数为4.2-4.7之间。介电常数一般会随温度的变化而变化,在0-70度的时候,变化范围可以达到20%。


analog.com/media/cn/tec



补充阅读
电介质大多数是绝缘体。其例子包括瓷器(陶器),云母,玻璃,塑料,和各种金属氧化物。有些液体和气体可以作为好的电介质材料。干空气是良好的电介质,并被用在可变电容器以及某些类型的传输线。蒸馏水如果保持没有杂质的话是好的电介质,其相对电容率约为80。电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。例如,当一个电介质材料放在两个电荷之间,它会减少作用在它们之间的力,就像它们被移远了一样。当电磁波穿过电介质,波的速度被减小,使得它的行为象它有更短的波长一样。从电学角度看,相对电容率是物质集中静电通量线的程度的衡量。更精确一点讲,它是在静电场加在一个绝缘体上时存贮在其中的电能相对于真空(其电容率为1)来说的比例。这样,相对电容率也成为“相对静电容率”。


开心不开心? 意外不意外? 惊喜不惊喜?

Velocity Factor 在射频或者天线制作里面有啥用, 就待续吧。
不然俺的散文又可以拆成一个专栏了。。



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俺没啥文化, 初中毕业,大伙都知道。不到一百万知友,才升10级。阅读总量只有9000万,还没跨出一小步,未及一个亿小目标。长期关注的知友知道, 俺不是专业的,也不是大佬。

俺是最业余的......笑话、神棍和论坛孤儿 ⚕



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