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光速怎样得出,为何会是一个正整数,里面有哪些鲜为人知的故事?

这个问题我已经说过多次了,看到还有很多人迷茫不解,就再简单说一下。最简单明了的答案就是:光速不是计算出来的,而是测量出来的。当然这个测量里面也有计算,但所有的计算都是以测量数值为准。

为了测量到准确的光速,科学家们前赴后继了几百年,一次比一次精确,最终通过激光波长和频率测量,测得了最精准的光速。

最早测量光速的先驱

测量光速最早是由伟大的科学先驱伽利略提出并实践的。但当时没有很好的测量设备,当然就测不准了。伽利略采用什么方法呢?原来他让两位助手,分别站立在距离1英里的两个山头,各自提着一个灯笼,采取分别举起,用秒表计时的办法,想要测量出光速。

具体的方法就是a山头的助手举起灯笼同时按下秒表,当b山头的助手看到a山头助手举起灯笼时,自己立即举起灯笼,a山头的助手看到b山头助手举起灯笼后立即按停秒表,理论上,这样就能够得出光线来回a、b两个山头的时间。

这个想法没有错,错在光速太快了,这种简单粗暴的方法当然连光速毛都摸不着。光速每秒约30万千米,两个山头只有约1.6千米,来回一趟也就是3.2千米,光速来回只需约十万分之一秒。人的眼睛和按秒表的手怎么可能有这么快呢?说穿了,就是这点时间人眼和人手根本没办法分辨和反应,因此,这个实验当然只有失败了。

实验虽然失败了,但依然有非凡的意义。首先是伽利略质疑光是有速度的,打破了禁锢人类几千年的光速无限论;其次为测量光速开了个头,凭着伽利略的世界影响,测量光速启发了后续的许多科学家。

从机械测量到精密仪器测量

自从伽利略测量光速后,几百年来许多科学家们采用各种方法,希望得到光速的准确数据。这些科学家包括并不限于牛顿、惠更斯、卡西尼、斯特鲁维、麦克斯韦、费罗姆等等,今天只粗略列举几位起到最重要关键作用的人物。

最早首次用科学方法证实光速有限,并定量估算出光速值的是丹麦天文学家奥劳斯・罗默。1676年,罗默利用观测木星卫星木卫一在木星圆面上的投影周期变化,得到光速为每秒22万千米。这个数值显然与现代光速精确值相去甚远,后来人们发现罗默的方法是精确的,只是当时罗默对太阳光跨越地球的时间计算错误,导致光速计算误差。

后来人们得到了太阳光跨越地球的准确数值,再用罗默的方法,得到的光速与现代精确值很接近。1728年,詹姆斯・布雷德里同样用罗默的方法观测,得到的光速数值为298000km/s(千米/秒),与现代精确光速值只相差不到1%。

1849年,法国物理学家菲佐用旋转齿轮法首次在地面实验室中测量出光速为315000km/s;1862年,法国物理学家傅科将菲佐的旋转齿轮法改进为旋转镜法,得到光速为298000(±500)km/s;1926年,美国物理学家迈克尔逊又改进了傅科的实验,测得光速为299796(±4)km/s;1952年,英国实验物理学家费罗姆采用微波干涉仪法测得光速为299792.50(±0.10)km/s。

至此光速值已经很精确了,被推荐为国际通用,一直到1973年。1972年,美国人埃文森通过直接测量激光频率和真空中波长,再根据公式v=1/√μ0ε0计算出光速。这里的v表示真空电磁波速度(光速),μ0表示真空导电率,ε表示为真空介电常数。这样得到的光速值为299792458±1.2m/s(米/秒)。

这已经是光速的标准值,被1975年15界国际计量大会确定为国际推荐值,世界通用。但这个数值还有个±1.2m的误差或者不确定性,这是为什么呢?

是因为米不是按照光速来定制的。

就像一个人的身高被测量为1.78m或1.65m,这只是一个大致值,并非精确值。因为这个值的精确度只是取到cm(厘米)级,而厘米以下还有mm(毫米),毫米以下还有μm(微米)、nm(纳米)、pm(皮米)、fm(飞米)、am(阿米)等等,无法穷尽,一直到普朗克尺度1.6*10^-35m。

这样如果要用高精度仪器测量一个人的身高,后面的小数就很多很多,不可穷尽。这就是因为m这个单位不是按照人体定制的。同样当时的米单位也不是按照光速定制的,光速就不可能成为一个正整数

那么米是一个什么单位呢?原来最早1米的长度是按照从地球赤道通过巴黎子午线到北极的距离,取其千万分之一确定的,也就是说1米是地球赤道通过巴黎子午线到北极的直线距离的1千万分之一。这样以地球表面距离确定的1米怎么可能正好会与光速成整数呢?

为了将光速定义为一个正整数,也为了让“米”这个长度单位有更准确的定义,在1983年17届国际计量大会上,决定将米重新定义为:光每秒在真空中行进的1/299792458。这样米再也不是根据子午线长度来定义了,而是与光速合为一体,从此光速也就成为了c=299792458m/s这样一个正整数。

秒的定义也需要精确

现在问题又来了,以上光速的定义值是“每秒”在真空中行进的距离,那么这个“每秒”又怎么定义呢?在我们日常生活中,一秒就是“滴答”一下,觉得没什么大不了的,但在光速的行进中,这个“滴答”稍有差池,就会相差万里,这就是科学与我们日常生活的不同之处,这种不同用“吹毛求疵”来形容都差远了。

为了让光速更精确,时间和尺度更统一,2019年5月20日,根据第26届国际计量大会决定,米的定义更新为:当真空光速c以m/s为单位表达时,选取固定数值1/299792458来定义米,而其中的“秒”则以铯原子频率ΔνCs来定义。(上图:铯原子钟)

铯原子频率约为:9.19×10^9/s,现在1秒的定义为:铯-133原子基态的超精细能级之间的跃|,所对应辐射9192631770个周期所持续的时间。这样,我们了解光速的定义就成了铯原子振动9192631770个周期持续时间,光在真空中行进299792458m。

现在光速已经成为物理常量,不再测量更改了。

既然光速和米已经成为相互印证的精确值,国际计量大会决定,今后真空光速就成了一个常量定义值,不再更改了。因此,现在的光速当然就成为一个正整数了。但还有网友不甘心,认为既然光速弄个正整数,为啥不弄个更“整”的数值,如300000km/s呢?

如果要弄,当然可以,但这样一来,米的定义就要放大许多了,对于人们用惯了的米尺和所有的历史关于尺度的记载,就都要推倒重来了。而现在的调整,只是科学领域很细微的调整,1米与过去1米几乎看不出任何相差,完全不影响民间和历史度量的应用。

当然,如果一定要吹毛求疵,现在的米测量人依然只是一个大致值,因为米不是按照人的高矮来确定的,这下各位明白了吧?看了这篇解释,还会有人问“为什么人不是1米或两米高,一定要弄个1点几米”诸如此类的问题吗?那就以后再回答了,哈哈~

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