光速每秒30萬公裡,這個數值是巧合嗎?

2020-12-04 優美生態環境保衛者

光傳為宇宙中傳播速度最快的物質,現在已經深深地印在了人們的腦海中,我們通常說的光速在真空中的傳播速度為每秒30萬公裡,實質上是一個近似值,通過多年來的精密測量,光速的真實速度為299792458米每秒,之所以取30萬公裡,一方面是為了方便記憶,另外一方面是為了計算的簡捷。那麼,光速是如何測量出來的呢?

對於光速的測量,從歷史進程上來看,基本上是沿著人們對光線傳輸方式理解上的轉變,以及測量技術水平的提升這樣的脈絡進行的。在16世紀以前,人們認為光線傳輸是瞬時完成的,根本不需要時間。到了17世紀,隨著以伽利略和牛頓為代表的物理學家,相繼提出宏觀物體運動規律特別是力學定律以後,人們對速度的理解上了一個嶄新的臺階,並且對光和電等現象的認知也提升到了一個新的高度,既然它們都屬於物質,那麼就必然擁有相應的速度,於是對光線的傳輸速度開啟了密集的實驗。

在17世紀初,伽利略就率先開展了相關實驗嘗試,主要方法就是通過在相隔1.5公裡的兩座山頭上放置兩盞燈,先用物體對其中的一個燈進行遮擋,並開始計時,在另外一個山頭上的助手一看到燈熄滅,就立即用物體把另外一盞燈也進行遮蓋,當伽利略看到對面山頭上的燈熄滅後,就立即停止計時,試圖用這種方法計量光線傳輸3公裡所需要的時間,繼而得到光的傳播速度,不過由於計時設備精確性不高,而且人眼觀察和用手操作的誤差非常大,伽利略的實驗沒有成功。

到了1676年,丹麥天文學家奧勒·羅默發現,地球處在太陽與木星之間的周期,與地球處在太陽與木星連線之外的周期相差15天,因此它認為光速的傳播是有速度上限的,於是他利用監測儀器,測算出了地球遠離木星和接近木星時,木衛一從木星陰影中顯現所經歷的時間,同時考慮到木衛一圍繞木星公轉的時間以及地球的公轉周期和公轉線速度,測算出了光的傳播速度為約為2.2x10^8m/s,現在看來這個測量結果與真實的數值誤差仍然很大,但是這個實驗開啟了應用科學的手段進行光速測量的先河。

1728年,英國天文學家詹姆斯·布拉德利利用恆星光行差的方法進一步測量了光速值,其基本原理是利用地球圍繞太陽運轉的過程中,地球公轉的角速度帶來的觀測太陽角度的變化,進而推導出光的傳播速度,測量結果為3.01*10^8 m/s,精確度大大提升。

1849年,法國物理學家阿曼德·斐索首次應用了非天體觀測法實施了光速測量,他所採用的方法為齒輪測速法,測出的數值為3.15*10^8m/s,以後的很長時間裡,其他科學家應用這個方法不斷進行修正測量,精度逐漸提高,一直到1926年測得的數值,現在看來誤差率僅為十萬分之一。

當1861年蘇格蘭物理學家麥克斯韋提出麥克斯韋方程組之後,猜測光線是一種特殊的電磁波,從而通過理論計算的方式計算出了光速值約為3*10^8m/s,此後許多科學家採用這種方法,藉助測量光線的真空磁導率和真空介電常數,對光速值進行了更加精密的測量。進入20世紀中後期,隨著電子工業的發展,科學家們又應用了諧振腔法、無線電幹涉法、雷射幹涉法等新方法,使光速真空傳播速度的精度又得到明顯提升,特別是雷射幹涉法的應用,從光速等於雷射的頻率和波長的乘積入手進行測量,因為對於雷射來說,測量其頻率的誤差可以達到十億分之一,而通過幹涉儀與基準波長86-氪605nm光譜線對比測量出的波長誤差率也控制在十億分之一,因此這種方式測出的光速理論上是目前最為精準的,在1972年時通過這種方式測得的光速值為299792.4562±0.0011m/s,之所以有「±」,主要是由於86-氪605nm的光譜線的誤差所決定的。

到了1983年,國際計量大會把光速的值正式確定為299792458m/s,這個結果的確定,實質上也是基於雷射幹涉法所取得的成果。而且在該次大會上,還通過這個光速值反推,重新定義了「米」的度量長度,即1米的長度,為光線在真空中傳播1/299792458秒所走過的路程。正是因為光速值是通過實驗人為給定的數據,因此經過計量大會的確定,光速值就被固化了下來,以後也不會再做調整,也就是說精度也就不會再提升了,它已經成為我們目前衡量周圍物體長度所使用的基本單位-米的基準了。

通過以上的分析可以看出,光速值的最終確定,是經歷了許多代科學家們不懈地努力,從光線傳輸最基本的運動特徵和微觀粒子的運動規律出發,得出的越來越接近其實際狀態的數值,而光速本身是一個恆定存在的數值,不因人們的觀測結果和習慣而發生任何改變,我們人為給光速確定一個固定的數值,對於我們利用質能方程、質速方程、鍾慢方程、尺縮方程、引力場方程等這些與光速有直接關係的眾多理論,深入探索我們的周圍世界和廣袤宇宙的運行規律,具有十分重要和不可替代的作用。

相關焦點

  • 光速剛好每秒三十萬公裡,是設計出來的還是巧合?
    光速剛好是30萬公裡每秒這個說法其實並不算準確,因為我們所說的光速為30萬公裡每秒,其實說的是近似值,光速並不是剛好是30萬公裡每秒。準確點來說,光速應該是299792458米每秒,跟30萬公裡每秒是很接近的,通常我們為了計算方便,就取光速為30萬公裡每秒,其實這是光在真空中傳播的速度。有人或許會有一個疑問,那就是為什麼光速就是30萬公裡每秒,雖然說這裡的30萬公裡每秒是一個近似值,但是還是讓人不得不思考一下,是什麼限制了光速呢?
  • 為什麼光速是將近每秒30萬公裡,而不是其他數值?
    在人類建立的體系下,光在真空中的傳播速度將近每秒30萬公裡。至於為什麼光速是這個數值,而不是諸如每秒35萬公裡或者每秒15萬公裡,其原因與我們所生活的宇宙屬性有關。根據麥克斯韋的電磁場方程組可以推導出如下的真空光速(c)公式:上式中,ε0表示真空介電常數(或稱真空電容率),μ0表示真空磁導率。無論是真空介電常數,還是真空磁導率,它們都是恆定的常數,都與真空的屬性有關,它們決定了真空中的光速大小。
  • 光速正好是30萬公裡每秒,是巧合還是設計出來的?
    在現代物理學上,目前定義的光的速度是299792458米/每秒,每秒30萬公裡是一個便於我們使用的近似值
  • 網友問:光速大約是30萬公裡每秒,是設計出來的還是巧合?
    光速是物理學常數,由我們所在時空的屬性決定;而長度單位「公裡」是人為設定的,光速數值在不同單位體系下有區別,但是光速本身不會變化。根據相對論的描述,光速是我們宇宙中物質運動的最快速度,而且光在真空中的傳播速度是不變的,數值大約為299792458 m/s(約30萬公裡每秒),這個數值是人類通過儀器直接或者間接測定的,有一定的精度誤差。
  • 光速為何是30萬公裡每秒不是35萬?到底是什麼限制了光速?
    可以是35萬公裡每秒,但如果真的是35萬公裡每秒,你又會問為什麼不是40萬公裡每秒呢?除非光速是無限的,否則光速總得有一個數值吧?而如果光速真的是無限的,世界上的一切物質都不會出現,不會形成,宇宙中也沒有過去將來,也不會有因果關係。所有的只有現在,只有此時此刻!
  • 光速為每秒30萬公裡而不是其它數值,難道宇宙被限制住了嗎?
    我們知道真空中光速大約為每秒30萬公裡(實際上是每秒299792458米)。但光速為什麼是這個數值而不是其它數值呢?難道宇宙被什麼限制住了嗎?光速的發現第一個認識到光確實有速度的人是天文學家奧勒·羅默。在17世紀晚期,他痴迷於木星衛星木衛一的奇怪運動。
  • 光速為什麼是299792458m/s,而不是30萬公裡每秒?有什麼奧秘嗎?
    真空中的光速是測量值,只要是測量值就會存在誤差,永遠不會有準確的值出現。但是人類又想通過光速去定義其他尺寸單位,因此就把光速定義為物理常數:299792458m/s。這個光速定義值和光速的計算測量值之間誤差很小,而人類直接就把光速定義成常數,光速的實際計算測量值為299792500±100米/秒。
  • 光速每秒30萬公裡,動力源在哪?
    光速——光是粒子嗎一個沒有質量的粒子,以光速前進,卻擁有能量,這讓科學家想到另一種可能——光,是波嗎?光速——光是波嗎並非如此,人類科學證明,波的傳播需要介質,然而光的傳播並不需要介質,在真空中光的速度最為穩定,可以達到每秒30萬公裡,光的傳遞並沒有依賴介質。這有兩種可能性:光擁有波的特性,但並非是波。真空中存在人類未知的介質,可以傳遞光。這就延伸出光的新屬性——波粒二象性。
  • 是誰把光速限定在每秒30萬公裡這個框框內的,今後還有變化嗎?
    網絡上常常出現一些這樣的問題,為什麼光速是一個整數呢?是什麼人把光速限定在這樣一個範圍呢?諸如此類的問題時空通訊過去多有闡述,但還有不少人有這些疑惑。最近就有位網友提出:光速為何被限定為30萬公裡每秒?好像光速是人為確定下來的,要它多快就是多快似的。
  • 為何光速是30萬公裡每秒?是什麼限制了光速?
    大家都知道,光線是現在宇宙所有物質中,在真空中傳播速度最快的(排除量子糾纏和宇宙膨脹現象,因為它們都不能傳遞信息),這個速度值為299792458米每秒,為了便於記憶和計算的方便,人們通常將光速近似看作30萬公裡每秒。
  • 為何光速是30萬公裡每秒?是什麼限制了光速?
    大家都知道,光線是現在宇宙所有物質中,在真空中傳播速度最快的(排除量子糾纏和宇宙膨脹現象,因為它們都不能傳遞信息),這個速度值為299792458米每秒,為了便於記憶和計算的方便,人們通常將光速近似看作30萬公裡每秒。那麼,有朋友不禁要問了,為什麼光速不是每秒35萬公裡、40萬公裡,只能是30萬公裡每秒,是什麼限制了光速呢?
  • 光速為什麼是30萬公裡每秒?怎麼算出來的?光能飛出宇宙嗎?
    光速為什麼是30萬公裡每秒?怎麼算出來的?光能飛出宇宙嗎?在高中的時候我們都上過政治課,哲學家告訴我們,我們的世界是物質的世界,是不以人的意志為轉移的,在描述物質世界的時候,不管是它的高度還是質量,都是沒有限制。
  • 光速為什麼是30萬公裡每秒?這是怎麼算出來的?
    我們生活在一個物質世界,在描述這個世界的各種常量中,高度,質量都沒有極限,但是速度有,那就是光速。光速所指的就是光傳播的速度,它也是目前科學家公認的極限速度,也就是30萬公裡每秒。人類沒有發現比光傳播速度更快的物質,所以光速也被視為是宇宙極限速度。那麼問題出現了。
  • 30萬公裡每秒,如果能達到這個速度會發生什麼事?
    大家都知道光速是30萬公裡每秒,精確值則是299792.458公裡每秒。而目前人類製造的物品所達到的速度完全比不上光速。最快的飛機X-43A,飛行速度最快能達到3100米每秒,是光速的0.00001倍。
  • 光速是299792458米每秒,數字為何這麼奇怪?就不能是整數嗎
    相信大家都能一口說出來,每秒鐘30萬公裡啊!是的,光速是每秒鐘30萬公裡,但這只是為了方便簡化的一個大約數值。實際上光速的準確數值是299792458米/秒。光速這個數值很讓人困惑,為什麼是這樣毫無規律的數字呢?為甚光速的準去數值不是300000000米/秒這樣的整數呢?不知道大家有沒有這樣的困惑呢?
  • 30萬公裡每秒的光速,它的動力來源是什麼?需要加速嗎?
    這個道理非常的淺顯易懂,當你開車的時候想好跑得快一點,那就需要狠踩油門才行,這樣車的速度就會提升。這個過程就涉及到了能量轉化問題,「石油」的化學能通過一系列的操作最終轉化為車的動能,但是車的速度是有極限的,最終能量因為地面的阻力都消耗掉了。那麼真空中近似30萬公裡每秒的光速,它的動力是什麼?為什麼會有如此高的速度?
  • 30萬公裡每秒的光速,它的動力來源是什麼?需要加速嗎?
    這個道理非常的淺顯易懂,當你開車的時候想好跑得快一點,那就需要狠踩油門才行,這樣車的速度就會提升。這個過程就涉及到了能量轉化問題,「石油」的化學能通過一系列的操作最終轉化為車的動能,但是車的速度是有極限的,最終能量因為地面的阻力都消耗掉了。那麼真空中近似30萬公裡每秒的光速,它的動力是什麼?
  • 光速每秒30萬公裡,它的動力來源是什麼?需要加速嗎?
    這個道理非常的淺顯易懂,當你開車的時候想好跑得快一點,那就需要狠踩油門才行,這樣車的速度就會提升。這個過程就涉及到了能量轉化問題,「石油」的化學能通過一系列的操作最終轉化為車的動能,但是車的速度是有極限的,最終能量因為地面的阻力都消耗掉了。 那麼真空中近似30萬公裡每秒的光速,它的動力是什麼?為什麼會有如此高的速度?
  • 為什麼光速恆定為30萬公裡每秒?光速定值被推翻,物理界豈不炸了
    為什麼光速恆定為30萬公裡每秒?光速定值被推翻,物理界豈不炸了!對於光的討論,古代就有。亞里斯多德堅持認為光的傳播不需要時間,一觸即達。但古希臘的哲學家恩培多克勒則堅持認為光是在不斷移動的,既然是移動就需要時間。
  • 為何光速恆定為30萬千米每秒?
    光速為定值,如果哪天測出了其他數值,代表著什麼呢?這道題的本質不是光速為何是30萬公裡每秒,而是光速不變原理,如果測出其他值,那就是代表光速不變原理錯了,最直接影響的就是相對論。光速為何是某個定值(30萬,只是我們人類自己規定的,但本質上光仍然有個恆定的速度),這個我們無法解釋,這是宇宙的法則吧。要知道光速不變原理,規定了光速在任意慣性系中保持相同的數值,其實更準確的來說,應該叫做光速不疊加原理。很好理解,如果我在一列高鐵上,沿著運動的方向,射出一束雷射,那麼請問在地面的觀察者,測出的光速是多少呢?