1789年法国大革命胜利后,国民公会命令法国科学院组织一个委员会来标准的度量衡制度。委员会提议了一套新的十进制的度量衡制度,并建议以通过巴黎的子午线上从地球赤道到北极点的距离的千万分之一作为标准单位。光速是指光波或电磁波在真空或介质中的传播速度。真空中的光速是目前所发现的自然界物体运动的最大速度。光速与观测者相对于光源的运动速度无关,即相对于光源静止和运动的惯性系中测到的光速是相同的。物体的质量将随着速度的增大而增大,当物体的速度接近光速时,它的质量将趋于无穷大,所以有质量的物体达到光速是不可能的。只有静止质量为零的光子,才始终以光速运动着。光速与任何速度叠加,得到的仍然是光速。速度的合成不遵从经典力学的法则,而遵从相对论的速度合成法则。
为什么光速是299792458米每秒,而不取整3亿米每秒?
为什么光速是299792458米/每秒,而不是取整300000000米/每秒?
道理很简单,因为一米这把尺子和秒这个时间长短的确定。
是用一米这把尺子测量出光速是299792458米/每秒。
如果定义一米的长度刚好是光速的三亿分之一,那么光速就是3亿米/每秒了。
那么一米长度如何确定的呢?
1799年在法国,根据测量结果制成一根35毫米 25毫米短形截面的铂杆,以此杆两端之间的距离定为1米,这就是最早的米定义,以实际物体物理长度定义的米长度,这个铂杆的长度会随温度变化。
随着 科技 的发展,1960年第十一届国际计量大会对米的定义作了更改:米的长度等于氪-86原子的2P10和5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍,消除了物体热胀冷缩对米长度的影响,这是基于光谱波长定义的米的长度。
1983年10月在巴黎召开的第十七届国际计量大会上又通过了米的新定义:真空中光在1/299792458秒时间内行程的长度。
因此尺子的绝对长度不同,光速也会有不同的数值。
如果秒的定义不同,光速数值也会不同,因为:光速=光传输距离(单位米)/时间(单位秒)。
秒的定义也经过了演变。
第一次是1820年根据地球绕日公转确定的秒,称为平太阳秒,由于每年测量的平太阳秒都不一样、不准,所以1900年再测一次作为永远的标准。
第二次是1900年根据地球绕日公转确定的秒,也称为历书秒,即1900年的平太阳秒。
第三次是根据铯原子跃迁时辐射周期确定,是光谱确定的秒,仍称为原子秒。
原子秒是与历书秒等效,和1900年测的秒长短一样。
改变秒的计时长短,也可以使光速为3亿米/每秒。
这个世界上的一切都有其固有规律,光速就是一种自然规律。
世界由118种元素组成,以后可能还会发现新的元素,水是由氢氧原子组成,生命主要是由有机物组成,地球大约有了45亿年的寿命,围着太阳转一圈约365.25天等等,都是有定数的,这就是自然规律,你一定要问自然规律为什么是这样呀,那谁知道呢?
人类只能认识规律,无法创造规律。这是唯物主义和唯心主义的根本区别。那些随意乱想,胡乱就想象创造一个伟大理论的民科,就无视规律,把几百年的科学发现肆意践踏,认为自己的臆想才是世界的真理。
有人甚至认为思想意识超光速,想到100亿光年就到了100亿光年。还认为自己已经是“超人类”,至少是爬上了井沿的蛤蟆,那些坚持科学精神和科学方法的人都是井底之蛙,老拿人类的视角看问题,他们实在很是“超前”,都超前到不在人里面算账了。
光速每秒约30万公里是许多人类精英和先驱经过百年测算得到的,准确的光速是299792458 m/s,也就是约30万公里。
这么精确的光速是科学家经过几百年孜孜不倦的追求和实验得到的。早在1638年,现代科学的鼻祖伽利略就进行了世界上第一个测定光速的实验。
那时候没有什么精密仪器,他用的是土办法。让两个人站在相隔1英里(1.609344公里)两个山顶上,各拿一个灯笼,第一个人举起灯笼同时开始计时,在另一个山头上看到第一个人灯笼第二人便立即举起自己的灯笼,第一个人看到第二人的灯笼后立即停止计时,这样就得到二零光传输两英里的时间,从而求出光的速度。
可想而知,这种简陋的实验以及短距离和人类动作的误差,是不可能得到什么结果的。我们现在可以轻易的计算出光速走2英里的时间为11微秒,也就是10万分之1.1秒,人眼怎么能够反应出来呢?
尽管如此,伽利略为测量光速开辟了先河,作为一个著名人士,引起了 社会 广泛关注。
其后,丹麦天文学家奥勒·罗默通过观测木星和木卫一的“行星掩星”现象(这个现象也是伽利略发现的),并与太阳与地球位置变化关系结合起来, 经过十几年持续不懈的观测计算,得到了人类 历史 上第一个科学测定的光速数据,推断出光速大约为220000千米/秒。
虽然这个数据与光速精确的数据相去甚远,但科学界认为他的观测是非常科学的,只是当时数学计算水平的不足,才导致这样的误差。现在科学家们用他的方法得到的观测结果重新计算校正后,得到的光速数值是298000千米/秒,已经与现代精确光速数值非常接近了。
罗默之后,光速测量很久没人尝试,沉寂了近两百年。1849年,法国物理学家阿曼达·斐索又开始了新的尝试,终于首次在地球上测量出了光速的近似值,得到了315000千米/秒的数值。 它采用的设施是光源、旋转的遮板和固定在8公里距离的反光镜,方法和伽利略差不多,通过720个齿轮遮板旋转遮光,反射光回来的次数叠加计算。但由于遮板齿轮有一定宽度,影响了精确度。
1862年,法国物理学家莱昂·傅科在斐索实验的基础上进行了改良,将旋转遮板换成了旋转的平面镜,这样远方的光在折返回来后搭载旋转镜面上,这样只要知道平面镜的转速,经过计算就能得到光速的值了。这次实验刷新了 历史 ,光速值精确到了298000千米/秒。
1926年,美国人迈尔克逊用傅科同样方法,只是将反射镜间距提高到了35公里,测得光速为299796千米/秒。这已经是人类用原始方法测得的最精确光速了,人们发现,如果只靠人类原始光学方法,就不能得到更精确的数据了。
因此人们开始寻找更科学的方法。人们的视线开始从天空、原野巨大的空间测量方法转回到实验室里,在微小的电路板等光电器械中寻求更精确的数据。
终于,1972年,美国科学家们利用激光干涉法测量出了最精确的光速,得到了光速为299792456米/秒,但却有一个1.1米的正负误差。
这是将1束频率已知的激光分成两半,行走不同的路径,之后再被汇合,科学家们在观察干涉图样的同时调整路径的长度,就可以计算出精确的波长,从而得到光速。
从理论上讲,这样测得的速度是不存在误差的,因此是最精确的。唯一不确定的是人们对长度单位“米”的定义细微的误差,因此这个正负误差1.1米的问题错不在光速,而是“米”。
为了解决“米”的误差问题,1983年在第17届国际度量衡大会上,人们重新定义了“米”。
将“米”定义为“光在真空环境下1/299792458秒内通过的长度”,这样一箭双雕的解决了长度的精确性和光速的精确性,长达300多年的光速测量画上了圆满的句号。
如果你一定要把光速定为3亿米1秒也无不可,把“米”的尺度缩短就是了,那只是人类主观的一种尺度,光速还在那里,是不变的。
光速为什么恰好是每秒29万多公里?这个问题问的,既有意义,又没有意义。其意义在于,可以促使我们探究光速的成因;然而,认为其无聊,则是因为我们可以对所有的物体提出同样的发问。
比如,你为什么有如此的相貌、身高和体重?地球 与太阳 的距离为何恰好使地球上的表面温度适宜生物的生存?
如果地球再重一些,会影响我们的行走;然而,其如若再轻一点,就会失去大气层。由此造成的后果是非常严重的,不仅会使我们失去氧气,而且也会因此造成昼夜温差的巨大变化,使人类难以存活。
之所以单独地将光速挑出来,发问其为何具有每秒近30万公里的数值,是因为我们把光速c当作一个绝对不变的物理常数;是因为光速非常神秘,其具有相对于空间和能量的不变性;是因为光速是宇宙中最快的速度;是因为我们对光速缺乏必要的了解与认识。
由于我们的宇宙是由不可再分的最小粒子构成的,即宇宙是由普朗克常数h定义的量子构成的;所以,离散的量子构成了物理背景即量子空间,受到激发的量子成为光子属于能量的范畴,由高能量子组成的封闭体系就是各种基本粒子属于物质的范畴。
因此,包括光子在内的所有物体,它们的运动都会受到量子空间的影响与束缚。每一个物体的外在能量,都具有两种不同的形式。其一是相对于自身的动能,其二是相对于空间的势能。前者用速度来度量,后者则是用弛豫时间即频率的倒数来计算。
因此,光速之所以具有不变性,是因为光子的质量太小,以至于其动能远小于势能,从而使光子能量的变化主要是其势能的增减。光速只是光子维持其空间势能的速度。
此外,光速之所以最快,是因为光子的质量和半径最小,空间对光子的影响与束缚很小的缘故。光子只有在极高的速度下,才能够维持其相对于空间的势能。这就好比,只有在高速运动的情况下,人体才能够在水上滑行,从事赤脚 划水运动。
而物质则由于其是由光子组成的封闭体系,所有的物质在其达到光速之前,都会因空间量子的不对称碰撞 而解体。这就是为什么,任何物质都无法达到光速的原因。
然而,光速的不变性,只是相对于静态的宇宙而言的。如果宇宙是变化的,其正在不断地膨胀,由高密度转变为低密度;那么,光子受到空间的影响与束缚必然会发生改变,使光子维持其相对于空间势能的速度逐渐增大,直至其能量完全以动能的形式存在,回到了经典力学的情况。此时,空间效应可以忽略不计了。
从这个意义上来说,光速并不是物理常数,其仅只是度量空间密度的物理参量。于是,目前光速的大小,是因为宇宙演化的结果,光速的具体数值与宇宙的量子空间密度相对应。
总之,由于空间不空,存在着作为物理背景的量子空间;由于光子的质量太小,其能量主要是相对于空间的势能;因而,类似于不同介质中的光速是不一样的,真空中的光速大小只与量子空间的密度相关。
在此,各种介质与量子空间,并无本质的区别。它们都是由离散的粒子构成的物理背景,都会对其中的物体运动产生不同的影响与束缚。不同空间的区别,仅在于构成该空间的粒子不同。
所以,光速之所以是现有的数值,是因为宇宙膨胀的结果,其取决于宇宙内部量子空间密度的大小。伴随着宇宙的膨胀,光速有一个由零逐渐地变大的过程。
光速的准确值为何不取整3亿米每秒呢?
长度单位“米”和时间单位“秒”都是人为定义的,真空光速是宇宙中的一个常数,经过人类定义后刚好为299792458米/秒而已。
平常我们说光速为30万公里每秒,实际上真空光速的准确值为299792458米/秒,而且这是绝对准确的值,没有任何四舍五入的小数部分;真空中的光速是不变的,但是真空光速的数值,会随着长度单位和时间单位的不同而不同,比如换算成英尺大约是983571058英尺/秒。
时间的定义
人类最初对时间的定义,是根据地球自转和公转周期确定的,也就是一个太阳日为24小时,每个小时为60分钟,每分钟为60秒。
是地球的自转周期并不稳定,会受到外界因素的影响,比如2004年的印尼大海啸,就让地球的自转周期缩短了3微秒,随着人类对时间精度使用要求的提高,利用地球自转定义时间已经不够精确。
目前对时间的定义,是利用铯-133原子在两个超精细能级的间跃迁作为“秒”的定义,定义跃迁辐射电磁波周期的9192631770倍为“1秒”,我们再利用秒,就可以衍生出其他时间单位。
长度的定义
最初人类对长度的定义,不同文明有不同的方式和标准,比如中国古代有尺、丈、寸等等,现代单位中的“米”,最早是由法国使用的,定义通过巴黎的子午线从赤道到北极点长度的千万分之一为“1米”。
后来国际计量大会使用铂铱合金制作成标准件,以此作为国际米原器,但是国际米原器受材料、温度、测量方式等等因素的影响,其测量长度总会有误差,而且很难保证复制品和国际米原器完全一致。
相对论描述光在真空中的速度是一个常数,实验也证实了这点,于是在1983年的国际计量大会上,把“光在真空中行进1/299792458秒的距离”定义为1米,这个定义完全依赖于时间秒的定义以及光速不变原理。
至于为什么会使用1/299792458而非1/300000000来定义单位“米”,主要是为了衔接旧时定义方案,因为本初子午线从赤道到北极点长度的千万分之一,大约就是光在真空中行进1/299792458秒的距离,这样定义可以降低单位定义变动对社会带来的影响。
所以我们可以确信地说,光速的准确值为299792458米/秒,而30万公里每秒只不过是光速的近似值而已。
光速是299792458米/秒,为什么不能取个整数呢?
我想让它成为一个整数,但从历史上看,米公斤秒的定义还不够好,在涉及到光速时,它不够整齐。米的最初定义是,地球的经度是40000公里。一秒是一米的钟摆,一秒钟摆的周期是两秒。一公斤是4度的一立方分米的水。但在光速方面就不一样了。就有点棘手了。对于光来说,光速是波长乘以频率目前,光波速度被认为是比较客观和稳定的,频率是由光源决定的,而波长是从属的,波长=波速/频率。
目前认为光的波长(单一波长,两个相邻波峰之间的长度)是一个自然单位,一光秒,一光年,也是长度单位。这涉及到现代物理学的一个基本问题:距离(长度,位移),时间,速度,谁更稳定,谁更值得信赖?谁决定别人,谁被决定?
1972年,科学家根据当时的基本单位 "米 "和 "秒",测得光速为299792458米/秒。这个数值在当时还是一个近似值。1975年,国际计量大会将光速的准确值定为299792458米/秒,这成为光速的确定值。在光速准确值的基础上,1983年计量大会将该值定义为光速的标准值,并利用光速值重新定义了米,用 "米原器 "取代了米的标准定义,规定光在真空中1/299792458秒内所走的距离为1米。
这也与米的原始 "米原器 "定义一致,而且非常接近。因此,无论你现在如何更新或修正你对光速的测量,都不会影响到光的数字,因为它已经被写成一个指定的数字,但它确实影响到米。综合来看,这串数字来之不易,对物理学和其他领域有着深刻的影响。这个数字在历史上是最好的答案。