為什麼光速是每秒30萬km而不是35萬?是什麼限制了光的速度?

無敵肉多多


感謝這位網友的提問,其實光速並不是30萬公里每秒,而是299792458...m/s。為了簡單表述,我們一般近似地認為光速為30萬公里每秒。

我們知道真空中的光速是一個常量,可以利用麥克斯韋方程組計算出來,真空的光速由真空的介電常數可以導出。


正是由於光速的不變性,我們才可以設定了1米的概念,也就是說一米等於光在1/299792458秒所行走的路程。

人類最早得知光速是在19世紀。可是度量距離和時間的單位早已根深蒂固。


如果人類一開始就知道光速,那麼可以將其設定為1m/s,而我們常用的距離單位就是現在的一米的3億分之一了。我們可以將一米的3億分之一設定為1ж,於是你就有會問為什麼光速是3億ж/s。

所以距離和時間是人類最早發明的度量工具,光速具體數值並沒有多大意義值得討論。

既然相對論以光速不變為公設,那為什麼光在空氣中,水中和玻璃中的速度會變慢?

其實光速並沒有變慢,而是光遇見物質後會被其原子內的核外電子吸收,吸收光能量的電子處於激發態,又會釋放了光子,於是光在被吸收再釋放的過程中浪費了時間,導致光速在空氣中宏觀速度變慢了!


科學認識論


分析題目可以看出題主有兩個意思。

第一個意思就是光速為什麼是整30萬千米/秒,而不是35萬或者非整數。這有兩個原因,一個是人們規定1米就這麼長,1秒就這麼快,如果人們重新規定米和秒的長短,那光速就不是30萬千米/秒了,另一個就是光速實際上本身就不是整30萬千米/秒,它在真空中的速度為299792.458千米/秒。

那題主的第二個意思就是光速為什麼是30萬千米/秒的常數?而不能更大或無限大?實際上光速是個常數的結論最早是從麥克斯韋聯立方程組得到的,麥克斯韋預言電磁波的存在,並且得到它的傳播速度為V0=1/√ε0μ0,(其中V0為電磁波速度,ε0為真空介電常數,μ0為真空磁導率,皆為常數),經計算得到的數值與當時測得的光速剛好一樣,於是他大膽斷定光也是一種電磁波,它們的速度是個常數。但麥克斯韋的電磁理論並不符合伽利略相對性原理,光速是個常數與伽利略變換相矛盾。愛因斯坦在認真思考後認為相對性原理應該是個普遍性原理,而光速不變應該上升為一個原理,伽利略相對性原理是不完善的,它只是個關於空間的相對性原理,缺少了時間相對性,於是他把這個相對性原理進行了推廣。最後提出狹義相對論。認為光速與光源的運動狀態無關,光速對於任何慣性系都是不變的,任何物體的速度都不會超過光速,包括光子本身。

光具有波粒二象性,光子是個能量子,它的靜質量為0,根據質速效應公式:

(m為光子動質量,m0為光子靜質量,V為光子速度,C為光速)可以看出,m0為0,則光子的動質量m也為0,可見光子自始至終沒有質量,沒有質量,運動中就不會消耗能量,無論多小的能量對於0質量都是無限大,而無限大的能量就會讓物體(光子)達到最高速,因此光速就成了最高速。這個速度的大小就是299792458米/秒。實際上任何物體得到無限大的能量來加速都會達到最高速,只不過恰巧光子的質量為0,容易得到無限大能量;而普通物質有質量,不可能得到無限大能量而已。

既然是無限大能量來加速,為什麼光速不是更大或無限大?因為再大也得有個具體數,有了具體數,就肯定還有比它更大的,除非是無限大。但無限大隻能出現在數學上,在現實上物理上是不存在的,所謂無限大能量也是相對而言。因此光速不能無限大。再者從上面所述可知,不能單說光,任何物體的速度都不能無限大,如果物體的速度無限大,那麼將超出時空界限,什麼物體也不以時空方式存在了,因果關係也不會存在。因為時空隨物質運動速度的加大會出現“鐘慢尺縮”現象。任何物體運動速度達到光速時,時間和空間都不存在了,包括光在內。零時間就意味著光在傳播中不消耗時間,意味著物質靜止不變,保持原狀,所以光速不變。光速與時空緊密相連。


物原愛牛毛1


這個問題其實涉及到米的定義和光速的聯繫

米這個單位是一個國際長度單位,中國有些地方也叫公尺。

1米最初的定義是通過巴黎的經線到北極點距離的千萬分之一,後來覺得地球的表面就是不規則的,地球也不是一個標準的球體,對於巴黎到北極點的地表扁率拿不準,這個定義的米也就是不準的。

於是,科學家又重新用鉑銥金屬製作成一根棒子,考慮到這根棒子在溫度不同是也會熱脹冷縮,改變米的精度,於是就規定長度為冰熔點溫度時的鉑銥合金的長度,並把這根棒子稱為“米原器”。注意,這次的定義真實的長度和上一次的定義幾乎一樣,基本原因就是要考慮習慣而已,還有和之前這個定義息息相關的很多規定,不然會引起社會混亂的。

這個很好理解,如果新定義的米和舊的有明顯出入,那麼之前所有的長度量的值將全部需要重新修正,之前所有的長度量的計量器具需要全部重新校準或乾脆作廢重造,這個任務完全無法想像。

再後來,到了1960年,國際計量單位又用氪原子某一個能級輻射的真空波長的1650763.73倍定義為1米,又因為氪原子不容易取得。在1983年,國際計量單位又改了,這次改的標準——就是光在真空中行進


秒的距離定義為“1米”,這個定義一直在今天使用。

而實際上,在1970年代,光速的測量已經很精確了,注意一點:光速是依據米原來的定義測量出來的,理解這一點十分關鍵。

這裡有些邏輯上的思考,光速由米原來的定義來規定,測量出來的光速又反過來定義米?這什麼操作???

其實科學家一直改來改去的米新的定義,都是通過舊的去規定新的的,關鍵原因就是前後定義米的不能有什麼明顯的差別——即我們現在用光速定義的米和最初的經線長度千萬分之一的差別並不大,也不能有什麼大的差別。

說了這麼多,就是想告訴你,你為什麼是299792458m/s,追溯原因就是原來的米定義也就那麼長,都是為了不麻煩,不引起社會混亂。

假如你最初定義的米只是現在的一半長,那光速就是現在的兩倍,記住,這只是形式上改變了,絕對的真實速度還是那麼多。

總之,就是歷史原因了。就像你問為什麼太陽要從東邊升起,為什麼不能從西邊?其實就在於我們歷史上把太陽昇起的地方稱為東邊,如果歷史上稱為西邊,那麼現在我們說的就是太陽從西邊出來,這是一個邏輯問題,仔細想想就懂了。

最後說一點,光速是有限的,至於什麼限制了光速?物理學還沒發展到解釋這個原因時候,或許是我們宇宙的時空結構固有的特性?或許是三維世界本來的一個參數,在更高維度就不是呢?……

但無論什麼原因,光速也不可能是無限的,它只是一個相對參數,就像其他萬有引力常數,普朗克常數一樣。


擋不住的熵增


真空中的光速是一個常數,大約是每秒30萬公里,精準值是299792458...米每秒。這個值可以從麥克斯韋方程組中直接求出來,取決於真空磁導率和真空電容率。

而追問到底,這些物理常數是如何來的,或者說為什麼存在這些常數。很遺憾,這個問題無法回答,就好似你玩一場遊戲,這個遊戲勢必需要一些前提規則,而這些規則就是人為設定的。為了便於理解,你可以把我們的宇宙也理解為一場遊戲,因此它必須存在一些規則,至於這個規則為什麼是這樣,對於遊戲中的人物來說,這是不可能知曉原因的。

而科學理論就是依據這些客觀存在的事實,進行合理的邏輯思考加上嚴謹的數學手段得出的。說到底,物理其實不是去解釋宇宙,而是描述宇宙,依據一些既定的事實,總結出規律,進而在做一些類似現象的解釋或者其它預言。反倒是數學這門學問,似乎更加接近真理。

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賽先生科普


光速是物理學中的重要常數,也是我們宇宙中物質運動的最快速度;光速本質上是測量出來的,屬於物理學常數,至於為什麼是這個數值,目前沒有理論能夠解釋。


我們世界的一切物質,都由一些基本粒子組成,粒子之間的聯繫通過基本力傳遞,所以基本粒子加上四種基本力,就組成了我們宇宙的一切。

描述這些基本粒子性質的理論,叫做標準模型理論,該理論還能解釋除引力外的另外三種力,雖然標準模型還存在不足,但它確實是一個非常成功的理論。


不過標準模型還存在一個問題,就是該理論可調節的常數非常多,大約有20個,光速是相對論中的常數,這些常數在理論上都是可調的,也都需要我們在實驗中進行測量,才能得到這些常數的數值。

基本理論中出現那麼多自由常數,這是非常不可思議的事,我們完全弄不懂這些自由常數本質上代表了什麼,又是什麼機制導致這些常數是這個值?


比如光速大約是30萬公里每秒,如果這個數值再大一點,相對論也會成立,只是在其他理論中也會進行微調,這在數學上是完全允許的。

其他自由常數也出現同樣的情況,至於其中的本質原因,目前誰也解釋不清楚,反正在我們宇宙中,光速就是這麼多。


在宇宙學中,有些人為了解釋這樣的尷尬局面,提出了“人擇原理”,說宇宙本質上允許物理學常數是各種各樣的數值,但只有這些數值在合適的組合下,才能在宇宙中形成豐富的元素、恆星,然後才能演化出生命,也才有了我們來詢問這個問題。

或許就有無數個平行宇宙,每個宇宙中的物理學常數不一樣,只有部分宇宙才能演化出生命,我們宇宙就是其中之一,那麼試圖去解釋光速為什麼是這個數值,就沒有太大的意義。


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艾伯史密斯


這個問題很有意義。什麼是速度?答:距離除以時間。什麼是時間?答:人為定義的,其實質是什麼沒答案。通常理解為物質的變化過程。更可怕的問題:什麼是距離?什麼是空間?你可能自認為很清楚的概念,真的嗎?回想一下,幾百年前,人們是多麼確信"上和下"這種概念,現在還有人會認為宇宙有上和下之分嗎?這些概念實質上都是為人服務的,不是客觀存在! 現在你還會堅持"大和小"或"遠和近"的概念,對吧。問你拿一包棉花撞玻璃厲害?,還是用小榔頭厲害,顯然取決於"質量"而不是"大小"。空間,距離都是對人有用的概念,但不是客觀的。速度也是有用的,也不客觀。所以光速30萬也不客觀。補一句:空間是反物質!


準長



光速的測定,是一個漫長而複雜的過程,從1607年伽利略最早測定光速開始,到1972年 測得了光在真空中傳播速度299792457.4±0.1 米/ 秒。1973年國際計量局決定真空中光速為299792458米/ 秒,這是通過高精度光頻測量和高精度光波長測量,即通過標量方程c = λf求出來的。



因此我們知道,光在空氣和真空中的速度是每秒30萬公里,。

如果介質改變,比如光在水或玻璃中因為折射速度就會變慢,認識到折射率對於光速的影響後,科學家們通過試驗,基本可以將光速控制在某個區間,於是慢光、極慢光等試驗時有明證,其實,從波粒二象性觀點出發,光也是一種粒子,當粒子的能量會發生變化時,光速也將減小。


一路鳴鴻


光速不變原理是以公理作為狹義相對論的出發點,是一種基本假設,當然這種假設是有證據的,比如聯立麥克斯韋方程組求出的解,代表的就是光速是一個定值。光速C的近似值是30萬公里每秒,目前來看,沒有發現任何信息、能量的傳遞是超過這個值的,都是低於這個值或等於這個值,比如電磁波的傳遞信息的速度就是光速。

有的人會問,宇宙中會有比光速還快的信息傳遞速度嗎?是什麼限制了光速呢?

沒發現還有比光速還快的信息傳遞速度,沒有什麼限制光速,這是自然界與生俱來的,就好像質量、能量總是能自發的扭曲時空一樣,為何不能超越光速來傳遞信息呢,因為這會破壞狹義相對論中的因果關係,也就是原因與結果的順序問題,導致結果可能會先於原因發生,這個方面的研究,關於反因果的研究,世界上也有著名的物理學家在研究著。只有時空的對稱性被破壞了,才有可能發生信息傳遞超光速的現象。

個人的淺見,你們有什麼要補充說明的嘛?


科幻船塢


無人能夠解釋!這世界有太多的為什麼,所有人都無法作答! 那麼咱們展開思想實驗,假如光速是無限快的,那麼這宇宙會怎麼樣?至少在地球上看來,沒有夜晚!沒有夜晚,會不會孕育不出生命?沒有生命,這個宇宙存在是否有意義?

假如一個大神級文明掌握了光武器,光速又是無限快的那會怎麼樣?巨大的光柱往四面八方掃一圈,一瞬間,宇宙中就孤零零的存在他們一個星球!

所以光速不可能無限快!

同理,無限慢速度的宇宙,也不可能存在!故光速應該是一個常數,不可變!

那麼再來討論一下光速,為什麼是30萬公里每秒呢?30萬公里每秒在宇宙尺度下,是一個很低很低的速度,低到可以使弱小的文明,得以發展,殘喘!但也可能阻礙了,我們與外星的溝通,兩個文明的碰撞,阻礙了單個文明的快速發展!使得我們所有生命體侷限在物理法則中!如果多個文明一同分享最前沿的科學理論,這完全可能突破物理法則,甚至掌控物理法則!

那為什麼不是,35萬公里每秒,我想這個數字不要太糾結了,因為,我們的米尺定義稍微打點折扣,光速就能被計算為35甚至45 55 105萬攻擊每秒!這完全取決人,人類對長度單位的定義,就像時間被定義一樣!


Edward781929


光速不變是假設的。基於這個假設,建立了相對論。


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