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为何光速是这个取值?

时间:2020-07-27    点击数:

为何光速是这个取值?(图1)

  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。


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