数据能否以光速传播?

导读 爱因斯坦的狭义相对论的宗旨之一是,没有什么比真空中的光速快。光速被认为是所有事物的通用速度极限,这被科学界广泛接受。但是在科学中,

爱因斯坦的狭义相对论的宗旨之一是,没有什么比真空中的光速快。光速被认为是所有事物的通用速度极限,这被科学界广泛接受。但是在科学中,如果您制定严格的规则,那么有人会试图反驳它,或者至少会发现漏洞。而且光速也不例外。

光处于真空状态,时速约为299,792公里(每秒186,282英里)。2011年9月,从事乳化跟踪装置振荡项目(OPERA)的物理学家在科学界掀起了一阵狂潮,他们宣布他们的实验产生了称为中微子的亚原子粒子,该粒子来自日内瓦附近的欧洲核研究组织(CERN)。到达瑞士拉奎拉(L'Aquila)附近的格兰萨索国家实验室(Gran Sasso National Laboratory),到达时间比光束早约60纳秒。关于这些中微子如何实际上破坏了光速,或者关于哪些错误可能导致不可能的结果的想法比比皆是。最后,发现设备问题,包括电缆松动,可能是罪魁祸首,并宣布结果是错误的。

其他研究人员试图改变规则而不是打破规则。实际上,弯曲时空是如何达到超光速(比光速快)的一种理论。这个想法是,时空可以在飞船前面收缩,而在飞船后面扩展,而飞船则可以在静止的气泡中保持静止,而气泡本身的移动速度快于光速。这个概念最初是由墨西哥理论物理学家Miguel Alcubierre于1994年提出的,作为一种理论上的可能性,但是需要一种宇宙大小的负能量来驱动这种现象。后来经过改进,它需要一个行星大小的量,然后又再次需要一个与Voyager 1太空探测器差不多大小的量。不幸,负能量将必须来自难以获得的奇异物质,而我们目前仅在翘曲驱动器的微型实验室实验水平。这些理论背后的数学基于相对定律,因此从理论上讲,它不会违反规则。如果有的话,这项技术也可以比光速慢一些,但是比我们现在所能走的快得多,这可能更实用。

太空旅行只是达到或超过光速的可能应用之一。为了更快地传输数据,一些科学家正在做同样的事情。继续阅读以了解当前的数据速度以及比光速更快的信息的潜力。

当前,我们的大多数数据通过铜线或光缆传输。即使当我们通过无线电波通过手机发送数据时,无线电波也以光速传播,但最终还是会遍历Internet的有线网络。用于长距离信息传输的两种最常见的铜线类型是双绞线(首先用于电话,然后用于拨号Internet和DSL)和同轴电缆(最初用于有线电视,然后用于互联网和电话)。同轴电缆是两者中速度更快的一种。但是光缆还是更快。光纤电缆不是使用铜来以电信号的形式传导数据,而是以光脉冲的形式移动数据。

前一页中有关光速的“处于真空中”参考很重要。通过光纤的光不如通过真空的光快。当光穿过几乎任何介质时,其速度都比我们称为光速的通用常数慢。通过空气可以忽略不计,但是通过其他介质(包括玻璃)可以大大减慢光线,而玻璃是构成大多数光纤布线核心的。介质的折射率是真空中的光速除以介质中的光速。因此,如果您知道其中两个数字,则可以计算另一个。玻璃的折射率约为1.5。如果将光速(每秒约300,000公里,即186,411英里)除以该速度,则您每秒将得到约200,000公里(124,274英里),这是通过玻璃的近似光速。某些光纤布线由塑料制成,其折射率更高,因此速度也更低。

速度降低的部分原因是光的双重性质。它既具有粒子又具有波浪的属性。光实际上是由称为光子的粒子组成的,它们不会沿电缆直线移动。当光子撞击材料分子时,它们会向各个方向反弹。介质对光的折射和吸收最终会导致一些能量和数据丢失。这就是为什么信号不能无限传播的原因,必须定期增强以覆盖长距离。但是,光线变慢并不是所有坏消息。一些杂质会添加到光纤中,以控制速度并帮助有效地传输信号。

光纤电缆仍然比铜线快得多,并且不易受到电磁干扰。光纤可以达到每秒数百吉比特甚至是Terabits的速度。家庭互联网连接无法达到那些超高速,至少部分原因是许多家庭在整个区域共享布线,甚至使用光纤的网络通常都将铜线延伸到人们的家中。但是,随着光纤一直到您的邻居或家中运行,您可以获得每秒50到100兆比特的数据传输,而平均DSL线路则为每秒1到6兆比特,每秒25兆比特左右从电缆。当然,实际数据速度会因位置,提供商和您选择的计划而有很大差异。

还有其他一些因素导致信号延迟(延迟),例如,当您访问网页或下载数据(握手)时,需要进行来回通信。您的计算机和容纳数据的服务器正在通信,以确保它们已同步并且数据传输成功,从而造成了延迟,尽管这是短暂而必要的。数据必须经过的距离也将影响到达该位置所花费的时间,并且任何硬件和数据到达目的地必须经过的电缆都可能存在其他瓶颈。一个系统的速度与其最慢的组件一样快,而每毫秒都是看似(但不是真的)即时通信的日子。

通过减少干扰和其他技术,以近乎光纤的速度在铜线上传输数据已取得了突破性进展。研究人员还致力于通过空气中的光传输数据,例如使用灯泡进行WiFi传输,或在建筑物之间传输激光束。再有,空气中的光确实以接近光速的速度运动,但是我们现在所拥有的速度都没有超过速度极限。我们可以实现实际的光速传输吗?