为什么光速是299792458m/s?
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相信大家对于光速都再熟悉不过了,真空中的光速约为30万千米/秒,是物体运动的最大速度。那么光速是如何测量的呢?30万千米/秒是怎么得来的呢,误差是多少呢?
事实上,真空中光速的准确数值c=299792.458 km/s,然而这个数值并不是测量或者计算得出的,囧。科学家不需要测量光速,真空中的光速是一个定义常量,就是299792.458 km/s,100%准确,没有任何误差,没错,相信你的眼睛,光速不是一个可测量的数值,而是一个基本度量单位。
有种目瞪口呆的感觉?正确的问题应该是“米”是怎么测量的。当然“米”曾经是基本度量单位,“米”最初是在法国大革命之后定义的,它被定义为赤道和北极点之间距离的1/10,000,000。而在1889年,一根铂杆被制作成“米原器”并保存在巴黎的保险柜中。
但是“米原器”存在着非常大的局限性,包括无法复制,误差,磨损,保存等问题。最终在1975年,第15届国际计量大会重新定义了“米”。
“米”的官方定义是:光在真空中于1/299,792,458 秒内行进的距离。(“秒”是铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间)。
现在你知道光速c=299792.458 km/s是怎么得来的了。怎么样?是不是有点毁三观?
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我们都知道,目前测得的光是299,792,458米/秒。而爱因斯坦的狭义相对论就是以光速不变原理和相对性原理为基础建构出来的。
因此,光速应该是宇宙中一个非常重要的参数,可是,为什么这样的一个重要的参数偏偏不取整3*10^8m/s,偏偏是这样数字呢?这难道蕴含着什么奥秘?
光速能不能取整?
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本文为转载
来源:《现代物理知识》第26 卷第4 期
光速在物理学上是最为确立的数值之一,它被测得的值非常精确,所以现在的米以它来定义。但在17 世纪之前,大多数的科学家,包括如开普勒(Johannes Kepler)和笛卡儿(Rene Descartes) 等大师都认为光速是无穷快的,可以瞬间行走任何的距离。伽利略(Galileo Galilei)是最先对此假设提出质疑,并试着以实验方法测量光速的科学家之一。
以现在的标准来看,伽利略的方法极为简陋。他自己站在一个山顶上,请一个助理站在远处的山顶上,两人均配备有一个可自由开关的灯。伽利略会打开他的灯,他的助理一看到伽利略的灯光也会立即开灯。只要知道两个灯的距离,伽利略即可测定两道亮光之间经过了多少时间,以算出光速。伽利略的结论含糊不确定不足为奇:“光速如果不是瞬间,也是超级快速。”但他却也下结论说,光速至少比声速快10 倍。
最先严谨地测量光速是在1676 年,当时荷兰天文学家罗默(Ole Roemer)观察木星的卫星,注意到卫星蚀似乎都发生在不同的时期,视木星和地球的相对位置而定,当地球很远时会发生得较晚,而当地球较靠近木星时则发生得较
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关于光速这个话题,时空通讯过去已经有过多次讨论,但看到还是有许多网友对光速这个现代物理常数充满了疑惑,如认为光速这么快,1秒钟就几十万公里,怎么可能测量出来?为什么是299792458m/s,而不是300000000m/s;为什么正好没有小数点等等,就再次详细说说这个问题。
简单说来,真空光速确定为c=299792458m/s这个尺度,是客观存在和人为标定的结果,是科学家们经历了三百多年前赴后继的测量,获得光速准确值后,通过修改国际度量衡~“米”的定义,将光速调整为整数的结果。
光速测量的鼻祖。
对于光速最早关注并想弄清楚的人,是现代科学的伟大先驱伽利略。在这之前,人们对光速完全没有概念,觉得光一出现就洒满大地,速度是无限的。但伽利略这个脑袋就是与众不同,常有一些稀奇古怪的想法。他曾经费了好大劲搬运一大一小两个铁球到比萨斜塔最顶层,将它们同时抛落,目的就是为了看看是不是同时落地,由此得到了自由落体定律。
现在他又觉得光虽然很快,但应该是有限的。1638年的一天,他和助手们分别来到两个相隔1英里的山头,各自提着一个灯笼,手上拿着秒表。实验的方法是第一个人举起灯笼后,另一个山头的人看到后立即举起灯笼,这样第一个举灯的人看到对面山头上的举灯,理论上就得到灯光走了2英里的时间,同时用秒表记录下来。
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真空中的光速(c)为299792458 m/s,这个数值既不是测量值也不是计算值,而是一个定义值。在1983年的国际计量大会上,科学家把光速定义为了这个精确数值。那么,为什么要这么做呢?
首先,我们来简单回顾一下人类对光速的认识。在1676年之前,人们认为光速无限大,后来丹麦天文学家罗默首次证明了光速是有限的。到了19世纪,麦克斯韦通过电磁场方程组导出了电磁波的速度,并预言了光是电磁波。
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说来说去,光速其实是一个定义值。
问题是为什么偏偏是c=299792458m/s,而不直接定义整整齐齐的300000000m/s呢?因为物理学也讲究,先来后到。
众所周知,古代人类最早定义的两个物理量是长度s和时间t,然后才定义了速度v=s/t。直到牛顿把力学体系建立起来,先是定义了加速度a、力F以及动量p等,之后麦克斯韦等人创立了电磁学理论,才定义了电流I、电压U、电感L、介电率ε、磁导率μ等等。
由此可见,物理量的出现是有先后顺序的,后出现的物理量在单位选取上一定要遵循已经有的物理量的单位习惯。否则定义系统就乱套了。
长度的国际单位是米m,它最早的定义是经过巴黎的地球子午线长度的1/40000000。时间的单位秒s最早的定义是地球自转一周所花时间的1/86400,即1/(24*60*60)。
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如果高中毕业了,就知道自然界存在四个常数:圆周率兀、自然对数底e、万有引力常数K、真空光速c!
这四个常数客观存在,无法确绝对数值,但可以无限接近测量!明白这点后,相信不会再问兀为什么是3.1415926……
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在自然单位制中,光速c=1