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「新浪科技」为何光速是这个取值？新浪科技2020-07-27 09:51:350阅

「新浪科技」为何光速是这个取值？新浪科技2020-07-27 09:51:350阅
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图1/1爱因斯坦的狭义相对论指出 ， 光速约为每秒3亿米 。新浪科技讯 北京时间7月27日消息 ， 据国外媒体报道 ， 我们都知道光速是每秒299792458米 ， 但光速为何偏偏是这个值、而不是其它数字呢？我们为何又对这种电磁波的速度如此关注？为何光速会成为物理学的重要基石？
这都是因为 ， 光速其实颇为古怪 。
考察光速
第一个意识到光有速度的人是一位名叫奥勒·罗莫的天文学家 。 在17世纪末时 ， 他对木卫一的一些奇怪行为产生了强烈兴趣 。 每隔一阵子 ， 木星就会挡在这颗小小的卫星前面 ， 使之暂时从我们的视野中消失 ， 但这种现象发生的间隔似乎会在一年之内不断变化 。 看来要么是木卫一的轨道有什么奇特之处 ， 要么是另有原因 。
观察了几年之后 ， 罗莫终于将这种现象与原因联系在了一起 。 当我们看见木卫一被木星挡住时 ， 我们正处在地球公转轨道的某个位置上 。 但等几天后、我们再次看见木卫一被遮挡时 ， 我们所在的位置已经和前几天稍有不同了 ， 也许离木星近了些、或是远了些 。 如果我们离木星的距离比上次远 ， 就意味着我们要多等一小段时间才能看到下一次遮挡 ， 因为光线需要多走一段距离才能到达地球；反之也是同理 。
只有光速是有限的 ， 才能解释木卫一被木星遮挡的时间间隔会不断变化的现象 。
光速有意义
在接下来的几个世纪里 ， 人们开展的持续观测不断巩固了对光速的测量结果 。 但一直到19世纪中叶 ， 物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在无意间“发明”了光 ， 系统性理论才开始形成 。
当时 ， 麦克斯韦正在研究电与磁之间的关系 。 在此过程中 ， 他发现了一套可以解释所有独立观测结果的统一理论 ， 为我们如今所知的“电磁力”奠定了基础 。 他通过方程式发现 ， 变化的电场可以产生磁场 ， 反之亦然 。 因此 ， 电波可以生成磁波 ， 后者反过来又可以生成电波 ， 如此循环往复
麦克斯韦在计算这种所谓“电磁波”的传播速度时 ， 得到的数据竟和科学家们几个世纪以来测得的光速数值相同 。 由此可见 ， 光正是由电磁波构成的 。
这个理论一直没遇到什么问题 ， 直到几十年后 ， 爱因斯坦意识到 ， 光速其实和光毫无关系 。 他在研究狭义相对论时意识到了时间与空间之间存在某种关联 ， 共同交织成了所谓的“时空” 。 但众所周知 ， 时间与空间截然不同 ， “一米”和“一秒钟”或“一年”根本不是一回事 ， 可以说是南辕北辙 。
那么 ， 这两个概念怎么可能联系在一起呢？
这当中需要有某种“黏合剂” ， 让我们能够将空间运动与时间运动相互转化 。 换句话说 ， 我们需要知道一米长的空间对应的时间是多少 ， 即需要确定一个转化率 。 而爱因斯坦发现 ， 有这么一个常数、或者说速度 ， 可以帮我们算出时间与空间之间的对应关系 。
爱因斯坦的理论并未指明这个数字究竟是多少 ， 但当他将广义相对论套用到麦克斯韦方程组中时 ， 发现这个转化率恰恰就是光速 。
当然 ， 这个将时间与空间统一起来的基本常数并不知道什么是电磁波 ， 也压根不在乎 ， 毕竟它只是个数字而已 。 但麦克斯韦却在对此一无所知的情况下、提前算出了这个数字 。 这是因为所有无质量的粒子都能够以这个速度运动 ， 既然光也没有质量 ， 自然也能按这个速度传播 。 这样一来 ， 光速便成为了现代物理学的一块重要基石 。
但为什么偏偏是这个数字、而不是其它随便的某个数字呢？为什么大自然偏偏选了这一个？究竟发生了什么？
光速无意义
说到底 ， 数字本身其实并不重要 。 毕竟它是有单位的：米/秒 。 在物理学中 ， 任何带单位的数字都可以改变取值 ， 因为我们首先要对它的单位进行定义 。 例如 ， 要想以“米/秒”的形式表达光速 ， 首先要决定“一米”和“一秒”究竟意味着什么 。 因此 ， 对光速的定义是与对长度和时间的定义紧密相连的 。
在物理学中 ， 我们更关注那些没有单位或维度的常数 ， 即在物理理论中仅以数值形式存在的数 。 这些数字似乎要基本得多 ， 因为它们不需要依赖任何定义 。 换句话说 ， 如果我们日后结识了某个外星文明 ， 我们也许无法理解它们测得的光速 ， 但对于那些没有维度的常数 ， 我们则可达成共识 ， 因为只是单纯的数字而已 。
所谓的“精细结构常数”就是这样一个例子 ， 它是光速、普朗克常数、以及自由空间磁导率的结合 ， 约等于0.007 。 0.007后面没有单位 ， 只是一个纯粹的数字 。
所以从一方面来看 ， 光速可以取任何值 ， 因为它自带单位 ， 因此取值会随着我们对单位的定义而变化 。 但从另一方面来看 ， 光速又不能取其它值 ， 因为这样一来 ， 精细结构常数也得随之变化 。 但我们的宇宙选定的精细结构常数偏偏就是0.007 ， 对此我们也无从改变 。 既然这一点不能变动 ， 并且放之四海而皆准 ， 光速的取值也就不能随意更改了 。
【「新浪科技」为何光速是这个取值？新浪科技2020-07-27 09:51:350阅】那么 ， 为何精细结构常数偏偏是这么个数字呢？好问题 ， 科学家们也不知道 。 （叶子）


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