為什麼光速不取整為每秒3億米?

2020-12-05 火星科普

根據現有的理論,光在真空中的傳播速度是宇宙中最快的局域速度,其數值為299792458米/秒。真空光速的數值是人為定義的,其小數位後面都是0。既然光速是定義的,那麼,為什麼不取整為3億米/秒呢?

這個問題涉及到了人類對光速的認識和測量過程。光速最初被普遍認為是沒有上限的,因為只要一發光,就能瞬間照亮周圍,並且瞬間被遠方的人看到。伽利略對此表示懷疑,他試圖用實驗來測量光速,但結果失敗了。伽利略意識到,如果光速不是無限的,那麼,這個速度必然會快到極致。

光速的測量

在伽利略之後,天文學家奧勒·羅默通過木衛一的星蝕現象,首次確認了光速是有上限的。此後,惠根斯基於羅默的數據算出了光速為22萬公裡/秒。雖然這個數值要比實際低了一些,但這開啟了人類測量光速的大門。

隨著科技的發展,物理學家相繼提出了飛行時間法、諧振腔法、雷射幹涉法等一系列方法來測量光速,使得光速的測量精度變得越來越高。例如,通過飛行時間法測出的光速為29.8萬公裡/秒,通過諧振腔法測出的光速為299792.5公裡/秒,通過雷射幹涉法測出的光速為299792456.2米/秒。

光速的不確定性

到了上個世紀70年代,光速測量值的不確定度已經變得非常低,來自儀器的不確定性已經非常小。但有一個因素始終會影響光速的測量值,那就是1米的長度。

此前,人們用米原器來對1米的長度進行定義。米原器是一根鉑銥合金,想要精確測量其長度極為困難。而且隨著時間的推移,米原器本身也會發生變化,從而導致1米的標準長度存在不確定性,這也使得光速測量值的不確定性始終無法消除。

基於米原器的標準,光速已經測量到足夠精確的地步。並且考慮到光速非常特殊,因為根據麥克斯韋的電磁理論,這個速度是一個與參照系選擇無關的速度。於是,科學家就想把光速定義成一個確定的數值,這樣反過來再用光速來定義長度單位。

那麼,光速定義為多少才是合適的呢?

由於光速的大小會決定1米的標準長度,而在現實中很多參數都與1米的標準長度有關,所以光速的選擇不能讓1米的標準長度發生可測的變化,以免影響到已有的參數。

因此,根據此前光速的測量值,科學家把光速確定為299792458米/秒。基於此,光在真空中前進1/299792458秒的距離就是1米的標準長度。這種改變只是讓米的定義變得更加精確,但不會影響到此前的參數。如果把光速定義為3億米/秒,1米的標準長度會出現將近0.07%的偏差,從而影響到那些與長度有關的參數。

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    銀河系直徑為10萬光年,光速穿越需要10萬年人類如果要想實現星際旅行,首先需要突破光速飛行,雖然實現了光速飛行也不一定可以實現星際旅行,但是突破光速是人類實現星際旅行必須邁過去的一道坎,連光速都無法超越更不用談去實現星際旅行了,那麼超越光速到底有多快呢?
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    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?
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