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光速为什么是299792458(光速为什么是固定的)

admin2023-02-19科技生活110

为什么光速是299792458米每秒,而不取整3亿米每秒?

长度单位“米”和时间单位“秒”都是人为定义的,真空光速是宇宙中的一个常数,经过人类定义后刚好为299792458米/秒而已。

平常我们说光速为30万公里每秒,实际上真空光速的准确值为299792458米/秒,而且这是绝对准确的值,没有任何四舍五入的小数部分;真空中的光速是不变的,但是真空光速的数值,会随着长度单位和时间单位的不同而不同,比如换算成英尺大约是983571058英尺/秒。

时间的定义

人类最初对时间的定义,是根据地球自转和公转周期确定的,也就是一个太阳日为24小时,每个小时为60分钟,每分钟为60秒。

但是地球的自转周期并不稳定,会受到外界因素的影响,比如2004年的印尼大海啸,就让地球的自转周期缩短了3微秒,随着人类对时间精度使用要求的提高,利用地球自转定义时间已经不够精确。

目前对时间的定义,是利用铯-133原子在两个超精细能级的间跃迁作为“秒”的定义,定义跃迁辐射电磁波周期的9192631770倍为“1秒”,我们再利用秒,就可以衍生出其他时间单位。

长度的定义

最初人类对长度的定义,不同文明有不同的方式和标准,比如中国古代有尺、丈、寸等等,现代单位中的“米”,最早是由法国使用的,定义通过巴黎的子午线从赤道到北极点长度的千万分之一为“1米”。

后来国际计量大会使用铂铱合金制作成标准件,以此作为国际米原器,但是国际米原器受材料、温度、测量方式等等因素的影响,其测量长度总会有误差,而且很难保证复制品和国际米原器完全一致。

相对论描述光在真空中的速度是一个常数,实验也证实了这点,于是在1983年的国际计量大会上,把“光在真空中行进1/299792458秒的距离”定义为1米,这个定义完全依赖于时间秒的定义以及光速不变原理。

至于为什么会使用1/299792458而非1/300000000来定义单位“米”,主要是为了衔接旧时定义方案,因为本初子午线从赤道到北极点长度的千万分之一,大约就是光在真空中行进1/299792458秒的距离,这样定义可以降低单位定义变动对社会带来的影响。

所以我们可以确信地说,光速的准确值为299792458米/秒,而30万公里每秒只不过是光速的近似值而已。

为什么光速是299792458m/s?

我们首先用米原器定义了“米”这个SI单位,然后根据这个定义给所有长度量赋予了它们的“量值”,比如你的身高是1.75米,你老家到现在的城市之间的距离是800千米等等。然后在这个米的定义下,我们测出真空中的光速为299792458m/s。后来随着物理学的发展,我们发现米原器本身的作为计量基准的精度不高(热胀冷缩啊,制作误差啊,使用中的损耗啊),而真空中的光速却是这个宇宙的一个基本物理常数,因此我们之前使用已经定义好的米去确定光速,现在却发现用光速反过来定义米会给出一个更加稳定和准确的长度基准。但是,如果为了数值上的方便而使得新的米的定义与旧的米的定义有明显出入,那么之前所有的长度量的值将全部需要重新修正,之前所有的长度量的计量器具需要全部重新校准或干脆作废重造,这个任务完全无法想像。因此显然的做法当然是保持新的长度单位和之前的尽可能完全一致,不同的仅仅是如何定义(从而在实际中如何通过长度基准来确定和传递)这个单位而已。

为什么光的真空速度是299,792,458米/秒?是什么决定了这个速度?

光在真空的速度是299792458米/秒。光速为什么是每秒钟299792458米?为什么不是每秒钟300000000米?对于有强迫症的人来讲,这是一个让人感觉非常难受的数字吧!

光速为什么是一个看上去毫无规律可言的数字?这个问题很好理解。我们无须知道光速是怎么计算出来的。 这是我们对“米”这个长度单位定义造成的 。

以前的时候,每个国家都有自己的长度计量单位。例如我们国家的长度单位是尺,英国用的是英尺。因此,同样的一段距离用不同的长度单位测量出来的数值是不一样的。而现在我们熟悉的米最早起源于法国。米的定义是发生在1789年法国大革命发生以后。米最初的定义是把经过法国巴黎的那条经线从北极点开始到赤道距离的一千万分之一作为1米的长度。

很显然,那个时候的人们已经能够计算出地球每条经线的长度。不然的话我们就无法知道经过巴黎这条经线从北极点到赤道的千万分之一到底有多长?人们生活在地球上,把关于地球的一些参数作为我们计量的标准显然是比较科学的。最起码要比英国的某个国王对英尺的定义合理多了。13世纪时,英国的一个国王在地上狠狠的踩了一脚,对着大臣们说:“这个脚印就是一英尺,这就标准!”

后来米成了国际上通用的长度单位。这样后来研究光速的科学家们在计算光速的时候自然就用米作为长度单位了。然而地球上一条经线的长度和光速之间没有什么必然的联系。所以科学家们用米作为长度单位计算出的光速必然不是一个整数。

后来科学对米的定义进行了修正,规定光在真空中于1/299792458秒内行进的距离为1米。看了科学家用光速重新定义了1米的长度,强迫症是不是犯了呢?为什么不是1/300000000呢?如果科学家强行把1米的长度定义为看上去更好理解的1/300000000的话,那么我们以前使用米做为单位计算的一切数值恐怕都要重新计算一遍了。

所以,长度单位米最初的定义和光速没有必然的联系。这种原因决定了光速的数字是299792458。要是我们用尺作为长度单位,那么光速就会变成899377374尺/秒了。这个数字是不是也令人摸不着头脑?

光的传播本质上一种电磁波的传播。光是由光子组成的,光子快速做有规律的运动就形成了波,波的速度就是光的速度,即每秒中为30万公里。

事实就是这样!请接受吧

为什么光速是299792458米每秒,是怎么测出来的?

为什么光速是299792458米每秒而不取整3亿米每秒?

现在我们知道,光速是一个基本的物理常量,它的数值为299792458米每秒(不过平时都近似取3亿米每秒)。但是在17世纪前,天文学家和物理学家都认为光速是无限大的,因为宇宙中恒星的光都是瞬时到达地球的。首先对此提出质疑的就是意大利物理学家伽利略,他认为光速不可能是无限大的。

为了证明这一点,1607年伽利略做了一个粗糙的实验,为什么说粗糙呢?咱们来看看就知道了。因为要证明光速不是无限大的,那么就代表光速有一个值,那么测量出这个值就可以了。于是他尝试量灯光在空气中的传播速度,实验是这样的:在夜晚让A 、B 两个人分别站在一起和相隔一英里,其中A 点亮手中的灯,B 则记录收到灯光的时间,如果AB 站在一起和相距一英里所测得的时间有时间差,那么就能证明光是有速度的。但是,这样的实验毫无意义,因为光速实在太大了,用肉眼去测量时间简直太荒谬!

尽管伽利略的实验失败了,但是后世还有更多的人去测量光速。后面会详细讲到。

光速不变原理

所谓光速不变性原理,就是真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。 也就是说无论在何种惯性系中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数,它不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变,并且这个数值是299792458 米/秒。

1905年,爱因斯坦提出了著名的狭义相对论。在这个全新的理论中,宇宙中的一切物体的运动速度被规定都不能超过光速。这好像与过去人们的常识大不相同,但又被科学家早早的发现了端倪。在麦克斯韦用麦克斯韦方程统一了电磁学后,人们就发现,光速在任何参考系中似乎都应该是一个常数,并且和观察者的速度都无关。当时的人们更愿意,认为是麦克斯韦方程组出了问题,因为这太违反常识了。

除此之外,1887年,两位实验物理学家迈克尔逊和莫雷在通过迈克尔逊干涉仪来测出光速相对于地球公转速度的变化时,也得出结论,不管地球的公转速度怎么改变,但在地球上测到的光速却是时时刻刻都是一样的。这也就意味着光速真的跟地球参考系的公转速度没有任何关系。

既然如此,那么为什么光速会不变呢?

其实到目前为止,我们无法说出光速不变有什么更深层次的物理上的原因,至少以现在的物理学做不到这一点。历史上说,光速不变是调和光速有限的事实和相对性原理的结果,可以说调和这两个事实的需要是光速不变的原因。但狭义相对论中却把光速不变作为一个假设,交给实验去验证,因此从形式逻辑上说,光速不变只是原因而不是结果。至于光速不变是怎么证明的,我就不多说了,感兴趣的朋友可以去百度。

为什么物体的速度不能超过光速?

根据常识,我们还知道光速是宇宙中最快的速度,没有什么东西可以超过光速,这又是为什么呢?

在牛顿力学中,质量是物体最基本的属性,它不会随意改变。但在相对论中就不同了,因为这时质量是会变化的,它会随着物体速度的增加而增加,也就是说当物体的速度越来越大的时候,物体的质量就也会越来越大,最终给物体加速所需要的力就越大。

其中 u 表示物体的速度, m0 表示物体的静止质量, c 代表光速。

从公式中,可以看到当物体的速度接近光速的时候,右边式子的分母会趋向于0,所以整个值会趋向于无穷大。也就是说当物体的速度逼近光速的时候,这个物体的质量会慢慢增加到无限大,这时候如果你还想给物体加速,所需要的力或者说能量将会变成无穷大,这显然是不可能的。

到底是怎么测量光速的?

虽然伽利略所做的实验失败了,但他对天体的观测,尤其是对木星的卫星的观测给后世的研究者研究光速问题提供了极大的启发,而同时,意大利人卡西尼也开始对木星系进行长期的研究,除此之外还有出生于丹麦的年轻天文学家罗默,在后者和让·皮卡特一起观察了木卫食的时候,他们注意到,这些卫星在它们的轨道上运转的时间在一年的各个时期不都是相同的,并且当木星的视大小变小时,这运转的时间大于平均值。但实际的运动中这种不均等性是极少发生的,罗默确信观察到的不规则性是光速有限的一个证据。

罗默观测到木卫一在接近的40 个轨道周期中周期比远离的40个轨道周期缩短了22分钟。以这些观测为基础,罗默认为在80个轨道周期中光线要多花费22分钟行走木卫一与地球之间增加的距离。这意味着地球经历了80个木卫一轨道周期(42.5小时)的时间,光线只要花22分钟。这对应于一个地球在轨道上绕着太阳运动和光速之间的一个比例。意味着光速是地球的轨道速度的9300倍,与现在的数值10100倍比较,相差较小。但是因为这种观测是很困难的,所以后来被其他的方法取代。

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成功地进行了光速测量,最早的结果为c=315000千米/秒。

1862年,法国实验物理学家傅科则根据阿拉戈的设想用旋转镜法测得光速为c=298000±500千米/秒。这时候测量的误差依然是非常大的。

1926年,美国物理学家迈克耳孙改进了傅科的实验,测得c=299796±4千米/秒,三年后他在真空中又重做了一次这个实验,得出c=299774千米/秒。

时间来到1952年,英国实验物理学家费罗姆用微波干涉仪的方法测得光速c=299792.50±0.10千米/秒。并且此值于1957年被推荐为国际推荐值使用,直到1973年。

1972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,按公式

算得c=299792458±1.2米/秒。随后国际计量大会也重新定义了光速为299792458米每秒。

为啥光速是299792458米每秒,而不取整3亿米每秒?

光速是299792458米每秒这个数据更能够体现出科学的严谨性以及逻辑性,取整这个方法只能适用于逻辑性不是很强的场合。光速拥有如此令人匪夷所思的速度,能够轻松的摧毁宇宙,但是为什么对人类没有任何伤害呢?这种现象是因为光的动量很低。动量这个名词的含义是指在某个物质上,这个物质的速度和其质量所产生出来的能量的乘积,举个例子:沙子的重量我们算是是0.1千克,它的速度是1/s,所以那么沙子的动量就是0.1kgm/s,因此对人体基本不会产生危害,因为光是是一种特殊物质的存在,它的质量为零,按照动量的计算公式来算的话,光的动量为零,对人体不会造成任何危害、在平常光线直接照射到我们身上,我们毫无任何的疼痛感,就是这种原因。 由光速可以联想到光子,光子是怎么来的,光子不是在宇宙初期的时候就存在的,关于宇宙之前是什么这个问题,比较靠谱的是“宇宙大爆炸”这个理论。在138亿年前,那个时候宇宙中的所有物质都是从奇点开始的。在奇点爆炸之后,就形成了现在的宇宙以及一切。在宇宙形成历史的早期阶段,整个宇宙都处于一种高温的状态。他会以一种急速膨胀的状态发展,它会留下一种名为“辉光”的这种物质。宇宙大爆炸理论准确的预测出这种辉光应该以微波的形式发展,而且是处于一种可见的状态的。不出所料,科学家利用轨道探测器这种精密的设备准确的测量出了宇宙微波背存在的可能性,这对于大爆炸理论的正确性提供了一个事实性的依据。

通过上述事实和例子我们对“奇点”和宇宙形成前后的历史这两个概念有了一个初步的了解,有着实验加持的理论还是具有可信度的。

光速是速度之最,那为何它是299792458米/秒,而不是其它数字呢?

我给出的答案不会涉及到具体的数值,因为光速的数值取决于米的定义。如果一米的长度变成现在的两倍,那么光速的数值就要除以二。

更重要的答案是,真空中的光速是个结构参数。也就是说,它取决于宇宙空间的弹性,如果空间弹性减小,光速也会变慢。

这与音速有相似之处,空气干燥且温度为20摄氏度时,音速为343米/秒。如果增加空气压力,音速也会加快。就声音而言,音速与气体密度以及构成气体的原子、分子之间相互作用有关。

如果将压力和密度提高到中子星或黑洞的水平,音速将接近光速。

我如何得知黑洞和中子星里的音速?

答案就在恒星身上。斯隆数字巡天计划第三期的重子振荡光谱巡天数据集包含了130万个星系的数据。我创建了一个星系密度的3D地图(而不是仅仅绘制130万个星系,让你自己用眼睛做聚合处理)

图一:星系密度图。请注意,图中围绕着地球的球状区域有更高的星系密度(白点区域)。这表明宇宙既不是各向同性的,也不是均匀的。各向同性只是偶然的,因为我们的位置接近这个三维球体的质心。

也请注意,当宇宙很小的时候,宇宙大小的星系播种必须通过声波振荡来完成。在三维宇宙中,没有球面反射边界,是不可能产生静止的球形声波振荡的。

但在超球面拓扑中却不是这样。如果你把我们(三维空间流形)是一个超球面的超曲面(三维曲面),它们的球面模态是可期的。

下面是一个光速膨胀的超球体横截面。这是超几何宇宙理论(HU)提出的拓扑:

图二:在这里你可以看到光速膨胀的超球面宇宙横截面。每个圆都表示天空中的各个方向。向外看,你将看到更早的时代和更小的圆。

这种拓扑结构已经证明可以预测所有570颗Ia型超新星与它们的红移量z之间的距离,且不需要应用参数。

无参数情况下,对Ia型到红移量z的距离预测

对于当前的3D超球体模型的等效公式为

作出这些预测用到了简单推导的宇宙标尺d(z),即对红移量进行微分:

注意,这里的R0R0=135.8亿光年由哈勃常数的短距离拟合定义。

图三:哈勃空间望远镜的核心项目,哈勃系数的结果H0=72千米/秒/百万秒差距

这个简单的宇宙标尺d(z)就是用来创建三维星系密度图的。请注意,星系密度分布的球形本质与我如何将测算到红移的距离无关!!

回到音速问题,我们现在有一个超球体宇宙模型,其密度伴随着时间倒转直至时间初始而越来越大。

超球体外壳是对称的,也就是说,随着密度的增加,对称性本身就足以解释引力与动力学无关。所有的力都是超表面力,也就是说,它们只在三维中起作用,它们不能把我们从三维超球面壳层中拉出来。

此外,超几何宇宙理论从牛顿第一定律导出了一个新的万有引力定律。推导过程涉及了引力和电磁学是三维力的事实,导出的自然规律与所有观测结果一致,包括引力透镜效应、水星近日点旋进率和引力时间膨胀。这种程度的依从性使引力/电磁学的超表面性质具有可信性。

下面是三维星系密度的横截面,展示了与36个球形(超球形)声波模式相一致的星团。

图4:这里我们可以看到超球体声音模型的振幅。注意,尽管超球体外壳以光速膨胀,但声音模型并没有脱离相位。这意味着在36个环中,整体密度由黑洞变为中子星,但局部声速变化不大。由于随着时间的增加,越来越多的中子衰变为自由中子(中子的衰变进一步释放出巨大的能量),动力学是复杂的。当自然声速降到光速以下时,驱动过程很可能产生超音速(光速)声波。

以下是与美国宇航局监察员的沟通。目前,他们正试图把责任推给国家科学基金会:

“休斯敦,我们有麻烦了!!马可·佩雷拉就超几何宇宙向美国宇航局举报”

下面是与天文观测相一致的宇宙起源:

真空中的光速是空间的一种结构特性。介质中的光速受材料性质的影响。

同样,在密度更大的介质中,声速会更快,接近黑洞和中子星中的光速。

超几何宇宙理论提供的证据表明,宇宙不是四维时空,因此不能用广义相对论来描述。一个举报人向美国国家航空航天局提出索赔,他们的宇宙微波背景研究违背了在重子振荡光谱巡天数据数据集(另一个机构研究)中的信息。

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. quora-

Marco Pereira, MSc in Nuclear Physics, PhD in Physical-Chemistry, MBA, BSEE, Prof. Mol. Biophys

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