「每日科普」光速的認識

我們都知道光速是每秒299792458米，但光速為何偏偏是這個值、而不是其它數字呢？這都是因為，光速其實頗為古怪。

1.考察光速

第一個意識到光有速度的人是一位名叫奧勒·羅莫的天文學家。在17世紀末時，他對木衛一的一些奇怪行為產生了強烈興趣。每隔一陣子，木星就會擋在這顆小小的衛星前面，使之暫時從我們的視野中消失，但這種現象發生的間隔似乎會在一年之內不斷變化。看來要麼是木衛一的軌道有什麼奇特之處，要麼是另有原因。

觀察了幾年之後，羅莫終於將這種現象與原因聯繫在了一起。當我們看見木衛一被木星擋住時，我們正處在地球公轉軌道的某個位置上。但等幾天後、我們再次看見木衛一被遮擋時，我們所在的位置已經和前幾天稍有不同了，也許離木星近了些、或是遠了些。如果我們離木星的距離比上次遠，就意味著我們要多等一小段時間才能看到下一次遮擋，因為光線需要多走一段距離才能到達地球；反之也是同理。

只有光速是有限的，才能解釋木衛一被木星遮擋的時間間隔會不斷變化的現象。

2.光速有意義

在接下來的幾個世紀裡，人們開展的持續觀測不斷鞏固了對光速的測量結果。但一直到19世紀中葉，物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在無意間「發明」了光，系統性理論才開始形成。

當時，麥克斯韋正在研究電與磁之間的關係。在此過程中，他發現了一套可以解釋所有獨立觀測結果的統一理論，為我們如今所知的「電磁力」奠定了基礎。他通過方程式發現，變化的電場可以產生磁場，反之亦然。因此，電波可以生成磁波，後者反過來又可以生成電波，如此循環往復

麥克斯韋在計算這種所謂「電磁波」的傳播速度時，得到的數據竟和科學家們幾個世紀以來測得的光速數值相同。由此可見，光正是由電磁波構成的。

這個理論一直沒遇到什麼問題，直到幾十年後，愛因斯坦意識到，光速其實和光毫無關係。他在研究狹義相對論時意識到了時間與空間之間存在某種關聯，共同交織成了所謂的「時空」。但眾所周知，時間與空間截然不同，「一米」和「一秒鐘」或「一年」根本不是一回事，可以說是南轅北轍。

那麼，這兩個概念怎麼可能聯繫在一起呢？

這當中需要有某種「黏合劑」，讓我們能夠將空間運動與時間運動相互轉化。換句話說，我們需要知道一米長的空間對應的時間是多少，即需要確定一個轉化率。而愛因斯坦發現，有這麼一個常數、或者說速度，可以幫我們算出時間與空間之間的對應關係。

愛因斯坦的理論並未指明這個數字究竟是多少，但當他將廣義相對論套用到麥克斯韋方程組中時，發現這個轉化率恰恰就是光速。

當然，這個將時間與空間統一起來的基本常數並不知道什麼是電磁波，也壓根不在乎，畢竟它只是個數字而已。但麥克斯韋卻在對此一無所知的情況下、提前算出了這個數字。這是因為所有無質量的粒子都能夠以這個速度運動，既然光也沒有質量，自然也能按這個速度傳播。這樣一來，光速便成為了現代物理學的一塊重要基石。

但為什麼偏偏是這個數字、而不是其它隨便的某個數字呢？為什麼大自然偏偏選了這一個？究竟發生了什麼？

3.光速無意義

說到底，數字本身其實並不重要。畢竟它是有單位的：米/秒。在物理學中，任何帶單位的數字都可以改變取值，因為我們首先要對它的單位進行定義。例如，要想以「米/秒」的形式表達光速，首先要決定「一米」和「一秒」究竟意味著什麼。因此，對光速的定義是與對長度和時間的定義緊密相連的。

在物理學中，我們更關注那些沒有單位或維度的常數，即在物理理論中僅以數值形式存在的數。這些數字似乎要基本得多，因為它們不需要依賴任何定義。換句話說，如果我們日後結識了某個外星文明，我們也許無法理解它們測得的光速，但對於那些沒有維度的常數，我們則可達成共識，因為只是單純的數字而已。

所謂的「精細結構常數」就是這樣一個例子，它是光速、普朗克常數、以及自由空間磁導率的結合，約等於0.007。0.007後面沒有單位，只是一個純粹的數字。

所以從一方面來看，光速可以取任何值，因為它自帶單位，因此取值會隨著我們對單位的定義而變化。但從另一方面來看，光速又不能取其它值，因為這樣一來，精細結構常數也得隨之變化。但我們的宇宙選定的精細結構常數偏偏就是0.007，對此我們也無從改變。既然這一點不能變動，並且放之四海而皆準，光速的取值也就不能隨意更改了。

（本文稿來源於網絡）

【來源：麻城科普】

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