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光速如此快怎么能量出来,为啥是一个复杂整数,真有这么巧吗?

关于光速这个话题,时空通讯过去已经有过多次讨论,但看到还是有许多网友对光速这个现代物理常数充满了疑惑,如认为光速这么快,1秒钟就几十万公里,怎么可能测量出来?为什么是299792458m/s,而不是300000000m/s;为什么正好没有小数点等等,就再次详细说说这个问题。

简单说来,真空光速确定为c=299792458m/s这个复杂整数,还真没有这么巧,是人类对客观规律认识后,再人为标定的结果。这个过程却很复杂,科学家们经历了三百多年前赴后继的测量实验,才获得光速准确值,然后通过修改国际度量衡~“米”的定义,才将光速调整为现在的整数值。

光速测量的鼻祖。

对于光速最早关注并想弄清楚的人,是伟大现代科学先驱伽利略。在这之前,人们对光速完全没有概念,觉得光一出现就洒满大地,速度是无限的。但伽利略这个脑袋就是与众不同,常有一些稀奇古怪的想法。他曾经费了好大劲搬运一大一小两个铁球到比萨斜塔最顶层,将它们同时抛落,目的就是为了看看是不是同时落地,由此得到了自由落体定律。

现在他又觉得光虽然很快,但应该是有限的。1638年的一天,他和助手们分别来到两个相隔1英里的山头,各自提着一个灯笼,手上拿着秒表。实验的方法是第一个人举起灯笼后,另一个山头的人看到后立即举起灯笼,这样第一个举灯的人看到对面山头上的举灯,理论上就得到灯光走了2英里的时间,同时用秒表记录下来。

2英里约3.2km,光速只需要0.00000001秒多点,可想而知,这种原始的方法是无法记录光速的,因此伽利略的实验以失败告终。但伽利略为光速测量开了一个头,激起了许多科学家们的兴趣。在他之后,就有许多科学家为了获得光速而想了很多办法。

几百年测量光速的前赴后继。

由于伽利略在山头举灯测光速实验没有取得成功,人们并没有接受光速有限的理念,光速无限论依然占据着科学界主流统治地位。几十年过去了,一直到1676年,丹麦天文学家奥劳斯・罗默率先开始采用科学方法对光速进行了测量。

罗默用望远镜观测木星卫星,对卫星在木星表面的投影周期性变化,通过定量计算得出光速c=214300km/s。这个值虽然距离现在精确光速值低了近30%,但这是由于当时对地球半径没有一个精确值,计算参考值误差导致的。现在依然用罗默的方法,用现在掌握的地球半径精确值计算,求得的光速值为c=299840±60km/s,达到了现代光速准确值的99.98%。

罗默的测量结果,宣告了光速无限论的终结,从此科学界广泛接受了光速有限的认知。随后一路走来,科学家们前赴后继,不断改进测量办法和设备,让光速一步步更精确。比较有名的代表人物有法国物理学家A・H・L・菲佐、法国实验物理学家J・B・L・傅科、美国物理学家A・A・迈克尔逊等。他们采用的方法主要是利用反射原理,检测光线在一定时间行走的距离。

这些测试都是在室外地面上进行的。

1849年,菲佐制作了一个检测光速的设备,这个设备是采用齿轮旋转的方法,让光线通过齿轮缝隙发射到8km远的反射镜上,由此计算每秒接收到的次数,这样测得光速c=315000km/s,比现代精确光速值多了5%;1851年,傅科改进了这种设备,采用旋转镜方式测得光速c=298000km/s,得到比现代精确值只差0.6%的结果;1926年,马克尔孙改进了傅科的实验,将聚集的平行光发射距离拉长到35千米,测得了光速c=299796km/s,这与现代精确光速只相差0.001%。

至此,这已经是人工地面机械试验能够测得光速精确值的极限了,光速已经成为物理学的一个常数,广泛运用在科学研究的各个方面。

真空光速就是电磁波速。

在300多年的光速测定过程中,有几位大科学家虽然没有直接测定光速,但做了一些与光至关重要的实验,揭示出光的本质,从而让“光”这个概念有了更深刻的含义。其代表人物有英国科学家迈克尔・法拉第和詹姆斯・克拉克・麦克斯韦等,这两位都是近代最伟大的电磁学大师。

法拉第用电场和磁场概念解释静电力和磁场力,表明光会受到磁场影响,从而证实了可见光就是电磁波谱中的一部分,而不可见光部分的微波、红外线、紫外线、X射线、γ射线的传播速度与可见光是一样的;后来麦克斯韦、R・科尔劳施和W・韦伯等完成了电磁波速度测量,与菲佐对可见光测量的速度相近。

随着现代科学仪器的日益精进,1952年,英国科学家费罗姆用微波干涉仪法测量光速得c=299792.50±0.10km/s;1973年,美国的K・M・埃文森等人直接测量激光频率ν和真空中的波长λ,通过公式(c=vλ)计算,得到光速c=299792458±1.2m/s的精确值,这种方法得到的光速值已经是理论上最精确的了,以后也不可能再精确了。

但这个精确值依然有一个±1.2m/s的误差,这个误差约0.004ppm,也就是十亿分之四,这是为什么呢?

因为米的定义与光速完全无关,就无法得到光速的正整数。

“米”的定义起源于法国,是1789年法国大革命后的产物,此后“米”作为一种国际度量衡尺度单位,被世界广泛使用。1792~1799年,法国天文学家捷梁布尔和密伸带领一个团队,对法国敦刻尔克至西班牙的巴塞罗那进行了测量,根据测量结果制定了一根3.5毫米*25毫米截面的铂质长杆,两端距离定为1米,称为“档案米”,交给法国档案局保管,这就是最早的米原器。

这种米原器要在恒温恒压条件下(0℃和1个标准大气压),才能够基本保持原样,但由于变形和可刻线工艺,误差是难免的。这点误差对于我们日常生活来说,影响不大,但作为一种世界标准,就很难在不断地复制中保持原样了。

于是经过多次改进,人们采用元素谱线作为米的定义,如在1960年国际度量衡大会上,确定了米的长度为:“氪-86原子的2P10和5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍”。后来又改为更稳定的激光为准,这样“米”就十分精确了,既不变形,也容易复现。

但此时,米的定义依然是以子午线的长度来计算的,与光速无关,这种定义的“尺子”是无论如何也不可能测量出光速的整数的,后面将有无法穷尽的小数。因此,如不改进测量尺度,光速就永远也不会有一个正整数。

修改米的定义和秒的精确度,从此光速成为一个整数数值。

为了让光速成为一个整数,同时又能够让米成为更精确的国际尺度,983年国际度量衡大会上,重新确定了米的定义,将1米定义为“光在真空中行进1/299792458秒的距离”。这个定义,既解决了光速的整数问题,又更精确了米的定义。

这实际上是一个双赢。虽然是将“米”的定义迁就了光速,让米以光速的整数进行了修正,这样,为适应光速成为整数,米的长度变动了约十亿分之四。但这点修正,对人类使用米这个国际公制单位影响微乎其微。由于光速极限和恒定等性质,却让“米”从此更精确永不变动了。

现在的米是根据光速确定的,而光速是米的正整数。这里面,确保这个标准精准性的另一个度量衡单位,就是时间“秒”。如果这个“秒”不准,尺度就会不准了。1秒只要误差一点点,光速走过的路程就会相差很大了。

现代国际标准时钟的精度。

现在国际标准时钟用的是原子钟,1秒定义为:“铯-133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时,辐射电磁波周期的9192631770倍”。也就是铯-133原子每秒钟振动频率达到9192631770次,振动这些次数就计时1秒。这种原子钟有多精确呢?较为低级的约30万年误差1秒,高级一点的600万年才会误差1秒,最高级的达到3000万年误差1秒。

科学家们并不满足这种误差,正在研制的光钟,是让振动频率在光波段,世界各国正在研制的光晶格钟就是光钟的一种。这种光钟的误差可以小到160亿年1秒,也就是说这种钟如果从宇宙大爆炸那一刻开始计时,到现在也不会误差1秒。

由此我们可见现在“米”的精准度有多高,光速的精度有多高。看了光速测量和确定的过程,不知道那些老质疑光速准确性的人们作何感想,会放弃自己的错误观念吗?

光速为什么不弄成300000000m/s?

光速c=99792458m/s已经是一个正整数了,但有些网友对这种数值依然很不满意,认为弄这么多数字谁记得住啊,怎么不弄成每秒300000000m/s这样的整数呢?这样岂不方便了很多吗?这些科学家为啥就不与人方便与己也方便呢?

其实这是完全违背基本逻辑常识的想法。因为光速客观上就是这个速度,怎么能够随意更改呢?如果要把“米”改成光速每秒钟行进1/300000000米距离这么个定义,那么过去的1米的长度就要减少约0.07%,每米就比过去短了0.7毫米,虽看看起来似乎也不多,老百姓在生活中测测身高,量量土地房屋影响不大,但在科研和一些具有高精密度要求的场合,影响就会很大了。

如果不改动米尺,就需要修改光行进的时间或“秒”的定义,光行进300000000米需要1.0006922855944561487267301434248秒的时间,这样如何表述呢?而秒的长度是根据每天24小时,每小时3600秒来确定的,要改动的话牵一发动全身,是不可能的。

由此,光速按照过去“米”的长度,将测得的精确值米以后的小数去掉,修正“米”的长度与光速整数相对应,修正的误差范围只是在十亿分之四以内,这应该是一个最好选择,所以现在的光速精确值就为c=299792458m/s。

这就是我对光速准确值来源的理解,与大家分享,如喜欢,请关注支持。感谢阅读,欢迎讨论。

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