光速為什麼被限制為30萬公裡/秒,而不是10萬或100萬,或無限?

2020-12-04 火星科普

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過去,光的速度被認為是無限的,無論距離多遠,光總是能夠瞬間到達。但後來的一系列實驗表明,光速並非無限,只是非常快。通過測量可知,光速為30萬公裡/秒。

自愛因斯坦創立相對論之後,人們認識到,雖然光速不是無限快,但這個速度卻是宇宙中最快的速度,任何物體和信息的傳播速度都不能超過光速。

那麼,光速為什麼會被限制為30萬公裡/秒,而不是10萬公裡/秒或者100萬公裡/秒?為什麼光速剛好就是速度極限呢?

首先,光速並不是精確的每秒30萬公裡,而是小於這個數值。基於人類對於「米」和「秒」的定義,物理學家測出的光速為29.98萬公裡/秒。

由於人類的單位定義和實驗存在誤差,導致最為精確的光速始終沒有辦法測出來,只能不斷提高精度。不過,相對論的出現讓物理學家改變了想法,光速無法精確測量的問題也得到了解決。

根據相對論,光速不但最快,而且任何參照系中的觀測者所測出的真空光速都是完全一樣的。舉個例子,在一輛行駛的列車上發出一束光,無論是地面上的靜止觀測者,還是列車上在走動或者坐在座位上的觀測者,他們都會測出相等的光速,無論列車的速度有多快都是如此,不需要加上或減去列車的速度。

上述的現象被稱為光速不變原理,這已經被各種實驗所證實。光速不變,導致時間和空間會發生變化,這反過來也讓光速成為了最快的速度。與相對論相反的是牛頓絕對時空觀,事實證明牛頓時空觀只有在低速下才是近似成立的。

基於這樣的事實,物理學家把光速定義為299792458米/秒,由此反過來定義了1米的長度。不過,這種變動很小,對於現實不會產生什麼影響。

至於為什麼光速會被限制約為每秒30萬公裡,只是恰巧人類的單位定義剛好使光速接近於這個數值。如果宇宙中存在外星文明,他們對於米和秒的定義不同於人類,他們就有可能測出光速為10萬公裡/秒或者100萬公裡/秒。當然,這並不是說光速是變化的,只是它的大小取決於單位的定義。

從另一方面來講,光速不是其他數值的根本原因,目前並不清楚這背後的機制。或者換個角度來說,光速這麼快就是我們這個宇宙的一條基本法則。如果有平行宇宙,那裡的光速大小或許會不一樣。

好在我們宇宙中的光速不是無限快,因為一旦光速無限,將會帶來很大的麻煩,我們的宇宙將會完全變樣,甚至無法存在。

根據廣義相對論,光速無限會讓引力場方程中的愛因斯坦張量變為0,這意味著時空是完全平坦的,沒有彎曲,所以宇宙中根本不存在引力。如果沒有引力,宇宙中就不可能形成星系、恆星以及行星,也就不可能有地球生命。

另外,光速無限還會讓精細結構常數變為0,這意味著沒有強核力。強核力是四大基本力中最強的力,這個力能夠把質子和中子束縛起來,還能把組成質子和中子的夸克束縛起來。如果沒有強核力,原子就不可能形成,宇宙中的重子物質都將不復存在。

相關焦點

  • 光速為何是30萬公裡每秒?到底是什麼限制了光速?
    (宇宙探索QQ群:1145693748)這個問題不夠大膽,應該問,為什麼光速不是無限快
  • 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!
  • 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?
  • 光速是極限速度,但卻只有30萬公裡每秒,到底是誰限制了它?
    光速是極限速度,但卻只有30萬公裡每秒,到底是誰限制了它?在宇宙環境中,有一個非常獨特的存在,一方面它是一種素質的代表,但另一方面它是一種空間的衡量標準,最為奇特的是,它甚至還會能夠和時間掛鈎,能夠融合速度時間和空間三者為一體的存在,就是傳說中的光速,這個人類一直想要實現的技術。
  • 為什麼光速是30萬千米/秒,如何定義光速?
    一般來講,光速是30萬公裡/秒,按照定義值,光速是299792458m/s,光速的計算值為(299792500±100)米/秒。30萬公裡/秒這個數值並非測量值,而是定義值。要懂得兩者的區別!自從137億年前的那一聲巨響,宇宙由一個緻密熾熱的奇點爆炸而成。自宇宙形成以來,光速就在那裡,不快不慢。
  • 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。
  • 光速為何被限定為30萬公裡每秒?一旦突破光速,文明或進入下階段
    帕克號探測器月球和地球之間的距離是30萬公裡,帕克號僅需1個多小時就可以往返地球和月球,火星與地球的距離為5500萬公裡,帕克號從地球飛到火星也僅需要78個小時,由此可見帕克號的速度有多快,但是帕克號的「快」是相對的,為什麼是相對的呢?
  • 光速靠什麼一秒狂奔30萬公裡?
    說到光速,恐怕連閃電俠、段譽,或者是青翼蝠王韋一笑都要自嘆不如吧!每秒30萬公裡的速度,且沒有任何物質能夠阻擋,因為光自身沒有質量!我想你一定也思考過這樣的問題:光靠什麼一秒狂奔30萬公裡的?電子表面上是忠誠的衛士,始終圍繞粒子旋轉,但當你給它加熱時,電子就開始膨脹了,將多餘的能量向外釋放,這就是光子,它會以30萬公裡/秒的速度急速大逃亡!光速維持在這一速度,既不會增快,也不會變慢。如果光速變為15萬公裡/秒,實際上不是光速變慢了,而是時間變快了1倍,如果光速消失,你的時間就在倒流了,你就是光速!
  • 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
  • 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。
  • 光速為什麼是30萬公裡每小時?光速變了會怎樣?
    光的速度在最近幾百年被不同的人進行了測量,最後得到真空中光速是30萬公裡每秒的事實。但是真正說清光的本質的人是麥克斯韋和愛因斯坦。在法拉第提出電磁感應定律,正式把人類帶入電氣時代後,人類對於電和磁的研究開始爆發。最突出的科學家是麥克斯韋,他比法拉第小40歲,但是二者一見如故。
  • 光速只有30萬公裡每秒,是誰限制了它?若能突破,可能實現穿越
    是什麼限制了光速?若能挑戰光速,穿越不再是夢!劉慈欣的科幻小說《三體》受到了許多讀者的歡迎,它其中展現出來許多超前的概念,富有新意,但是又有一定的科學依據,難怪他的忠實讀者中還有歐巴馬這個大人物。目前人們普遍認為,光速為30萬公裡每秒,這似乎已經成為一個常識了。但是大家有沒有思考過,為什麼光速只有30萬公裡每秒?有沒有可能更快?
  • 光速每秒30萬公裡,動力源在哪?
    很多人會回答光速。不考慮空間的加速方法,光速確實是一個正確的答案。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。
  • 光速每秒30萬公裡,它的動力來源是什麼?需要加速嗎?
    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?