在所有參考系中,光速都恆定嗎?

2020-11-25 天文在線

簡單來說，這取決於測量者，在真空中只有當人在旁測量時，光速能保證達到299,792,458 m/s。 但是，我們要通過考慮它的各種含義來解答這個問題。

光速在空氣或水中會發生變化嗎？

會的。在透明介質（例如空氣，水和玻璃）中，光會變慢。 它減慢的比率稱為介質的折射率，通常大於1。這是傅科在1850年發現這一點的。

當人們討論「光速」時，是指真空中的光速，通常還表示在慣性坐標系中測得的速度。 該真空慣性速度表示為c。

在真空慣性系中光速是恆定的嗎？

在1983年國際度量衡會議上，採用了以下SI（國際單位制）定義：

光在真空中行進1/299 792 458秒的距離為一標準米。

定義真空中的光速為299,792,458 m/s。不過它沒有提及有關慣性系的任何內容，但可以認為其中的測量是隱含有慣性系的。

但這還沒有結束，國際單位制是基於非常實際的考慮。它是根據當今已知最精確的測量技術採用的定義，並且會不斷對其進行修訂。目前，你可以通過發出雷射脈衝並使用非常精確的原子鐘來計算它們的傳播時間，從而最精確地測量宏觀距離。（最好的原子鐘能精確到大約10^13分之一）因此以這種方式定義單位米是合理的，可以將誤差最小化。

圖解：50億年不會走偏的鍶晶格原子鐘

國際單位制對物理定律做出了某些假設。例如假設光子是無質量粒子。如果光子是有靜止質量的，那麼對米的定義將變得毫無意義，因為光速會隨其波長而變化。國際單位制委員會不能僅僅將其定義為常數，取而代之的是，他們必須通過說明使用哪種顏色的光來確定米的定義。實驗表明，光子的質量如果不為零，則必須很小在可預見的將來，用光子來定義米是沒有任何實際意義的因為它的靜止質量太小，但是即使目前公認的理論表明光子的質量是零，也不能證明它是正好為零。但如果質量不為零，則光速將不會恆定，從理論上講，我們將c設為真空中光速的上限，這樣我們就可以繼續考究c是否為恆定常數。

國際單位制還假設無論在不同的慣性系中進行測量，得出的光速結果也會相同。這實際上是狹義相對論的一個假設，如下所述。

圖解：愛因斯坦提出的狹義相對論質能方程

先前，已根據時間的測量技術以各種不同的方式定義了米和秒。但是將來他們可能會再次改變。如果回頭看一下1939年，定義秒為平均太陽日的1 / 86,400，長度米是法國的一根鉑銥合金尺上的兩端刻線記號之間的距離。現在我們知道，用原子鐘測量的平均太陽日的長度是有變化的，標準時間是要通過不時增加或減去閏秒來調整。由於地球，太陽和月球之間的潮汐力，地球自轉的整體速度每年還會降低約1 / 100,000秒。金屬收縮也可能會導致長度變化，標準米偏差會更大。最終結果是，當時以m / s為單位的光速值正在緩慢變化。顯然，將這些變化歸因於計量單位的變化比歸因於光速本身的變化更合理，但是出於同樣的原因，光速現在是恆定的只是因為國際單位制的將其數值定義為常數。

但國際單位制的定義強調了一點，那就是在回答我們的問題之前，我們首先需要非常清楚我們所說的光速恆定是什麼意思。當我們測量光速c時，我們必須說明我們將用什麼作為我們的標準尺和標準鍾。原則上，我們可以通過基於實驗室實驗的測量值與通過天文觀測得到的結果是截然不同的。（最早的光速測量方法之一來自於1676年奧勒·羅默觀測到的木星衛星日食時間的變化。）例如，我們可以把1967年到1983年間的定義作為例子。在那時，一米的定義為氪-86光譜的橘紅色光在真空中的165076373倍，秒被定義為（和現在一樣）銫—133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個周期持續的時間。與之前的定義不同，這些定義依賴於在任何時間、任何地點都適用的絕對物理量。所以我們能從這些單位中知道光速是否恆定嗎？

圖解：奧勒·羅默使用望遠鏡研究木星的衛星艾歐的運動，第一次定量的估計出光速。

原子的量子理論告訴我們，頻率和波長主要取決於普朗克常數、電子電荷、電子和核子的質量以及光速。通過從參數中剔除單元的維數，我們可以得到一些無量綱的量，如精細結構常數和電子與質子的質量比。這些值的定義獨立於它們的單位，因此去考究這些值是否發生變化更有意義。如果它們的值真的改變了，不僅僅是光速受到了影響。所有涉及化學方面的都取決於它們的值，而顯著的變化會改變所有物質的化學性質和機械性質。此外，光速本身也會因為使用單位的定義的不同而有所變化。在這種情況下，將這些變化歸因於電子或粒子質量上電荷的變化比歸因於光速的變化更合理。

有觀測證據表明，不論怎樣這些參數在宇宙的大部分生命周期中都沒有改變。詳情請參閱FAQ文章「物理常數是否隨時間變化？

（請注意，精細結構常數確實隨能量標度而變化，但我指的是其低能極限的恆定性。）

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.math- LeungManKit

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