为什么光速是每秒30万公里，而不是更快或更慢？

大家好，关于为什么光速是每秒30万公里，而不是更快或更慢？很多朋友都还不太明白，今天小编就来为大家分享关于的知识，希望对各位有所帮助！

打开百度APP查看更多高清图片

塞纳河左岸巴黎天文台的墙上有一块展示板。据说光速是在1676年首次测量出来的。其实这个结果是无意的。当时，丹麦人奥拉·罗默是意大利天文学家乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼的助手。他想找出木星一颗卫星相邻两次日食之间的时间间隔为何不同的原因。罗默和卡西尼讨论了光速可能有限的可能性（在此之前，人们普遍认为光是瞬时传播的）。最后，经过粗略计算，罗默得出结论，光传播相当于地球轨道半径的距离所需的时间为10或11分钟。

后来，卡西尼号改变了主意。他认为，如果光速有限，光传播需要时间，那么土星的其他卫星上也应该观察到日食的延迟，但事实上并非如此。此后，人们对光速颇有争议，直到1728年，英国天文学家詹姆斯·布拉德利发现了另一种测量光速的方法。随后的许多实验证实，罗默最初观测到的光速慢了25%。今天，我们确定真空中的光速为每秒299,792.458公里。

但为什么光速有这个数据而不是其他的呢？换句话说，光速是如何产生的？

150年前的电磁理论给了我们第一个重要的启示。苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦指出，电场和磁场的交替产生了可以移动的电磁波。麦克斯韦通过方程计算了电磁波的速度，发现它们与之前已知的光速完全相等。这是光实际上是电磁波的有力证据，这个结论很快就得到了验证。

1905年，研究取得突破。阿尔伯特·爱因斯坦指出，真空中的光速c是宇宙中的速度极限。根据狭义相对论，宇宙中任何物质都可以以超过光速的速度运动。

然而，这两种理论都没有完全解释是什么决定了光速，或者什么可能决定了光速。一种新理论表明，c 的秘密可能在真空的本质中被发现。

在量子理论出现之前，电磁学是解释光的完整理论。今天，电磁学仍然非常重要，但它也带来了一个问题。为了计算真空中的光速，麦克斯韦应用了两个常数（称为0 和0）的实验测量，这两个常数定义了真空中电场和磁场的特性。

问题在于，尚不清楚这些数据在真空中意味着什么。虽然电流和磁性实际上是由电子等带电基本粒子的运动引起的，但我们讨论的是真空中的问题。真空中应该不存在任何粒子吧？

这就是量子物理学的用武之地。量子场论的高级版本认为，真空并不是真正的“空”，它只是一种“真空态”，它是量子系统的最低能态，是量子发挥作用的舞台。波动产生倏逝能量和基本粒子。

什么是量子涨落？根据海森堡不确定性原理，物理测量总是存在一些不确定性。传统物理学认为，我们可以精确测量物体（例如静止的台球）的位置和动量，但这恰恰是不确定性原理所否认的。海森堡认为我们无法同时获得这两个数据。球似乎在轻微地晃动，但这种晃动太小，人类的测量仪器无法显示出来。但在量子真空中，存在微小的能量爆发或类似的东西，它们以基本粒子的形式突然出现和消失。

勒克斯对经典电磁学和量子涨落之间的关系非常感兴趣。

这种短暂的现象确实存在，但像幽灵一样缥缈，但它的影响，包括电磁力，确实是可以测量的。这是因为量子真空的短暂激发是作为具有相同或不同电荷的粒子和反粒子对发生的，例如电子和正电子。真空中的电磁场会改变这些粒子和反粒子对，产生电反应，同时由于磁场的影响而产生磁反应。这种现象为我们提供了一种计算而不仅仅是测量真空中电磁特性的方法，从而推导出光速c。

早在2010年，德国普朗克光学研究所的物理学家Goethe Lux和他的同事就进行了这样的实验。他们使用量子真空中的虚粒子计算了电常数0。后来，法国巴黎第十一大学的物理学家迈克·厄本和他的同事受此启发，根据量子真空中的电磁特性计算出了光速c。 2013年，他们宣布他们的方法得出的值是准确的。

这个结果是令人满意的，但不是那么明确。首先，厄本和同事不得不做出一些毫无根据的假设。这就需要综合分析和实验来证明光速c确实可以从量子真空中得到。不过，拉克斯告诉我，他对经典电磁学与量子涨落之间的关系仍然很感兴趣，因此一直在完整的量子场论的指导下做着精确的分析。与此同时，厄本和同事建议设计新的实验来测试两者之间的关系。因此，可以合理地预期光速c最终将基于更基本的理论。然而，问题会得到解决吗？

毫无疑问，光速c只是几个基本常数或通用常数之一。这些常数被认为适用于整个宇宙并且是恒定的。例如，万有引力常数G用于描述整个宇宙的引力强度；在微观尺度上，普朗克常数h决定了量子效应的大小；电子电荷e是电的基本单位。

该常数的数值非常精确。例如，h的测量值精确到小数点后34位。但这些数字引发了许多悬而未决的问题：它们真的是恒定的吗？它们什么时候是“基本”常数？为什么它们有价值？他们会告诉我们什么物理事实？

“常数”是否真正恒定是一个古老的哲学争论。亚里士多德认为地球的构成与其他天体不同。哥白尼坚信我们的地球与其他地方没有什么不同；今天的科学遵循现代哥白尼主义，它假设物理定律适用于空间和时间地点的任何地方。但假设就是假设，它需要被验证（尤其是像G 和c 这样的常数），以确保我们没有误解遥远的宇宙。

诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克提出G 可能会随着时间而改变。 1937年，对宇宙学的思考使他相信G每年都会减少10-10。这是对的吗？也许不是。对天体的重力观测并没有发现G的减少，到目前为止也没有迹象表明G在空间中会发生变化。它的测量准确地描绘了太阳系中行星的轨迹和航天器的轨道。除此之外，遥远的宇宙中还发生着其他事情。射电天文学家最近证实，G 可以准确描述3,750 光年外脉冲星（快速旋转的超新星遗迹）的发展。同样，没有可靠的证据表明c 会随时间或空间而变化。

因此，我们假设这些常数确实是常数。那么它们是基本常数吗？它们比其他常数更“基本”吗？这里的“基本”是什么意思？回答这个问题的一种方法是找到导出其他常数的最小常数集。在这里，唯一有用的选择是h、c 和G，它们一起代表相对论和量子论。

只有无量纲常数才是真正的“基本”数字，因为它们独立于任何测量系统。

1899年，量子物理学创始人马克斯·普朗克测试了h、c、G与物理现实三个维度之间的关系。每个测试的物理量都用数值和量纲来描述。从这些关系中，普朗克导出了他的自然单位，并在普朗克单位下导出了h、c 和G 的不同组合。我们可以更深入地了解量子引力和早期宇宙。

有些常数没有量纲，通常称为无量纲常数。它们都是简单的数字，例如质子质量与电子质量之比是——1836.2。伦敦帝国理工学院的物理学家迈克尔·戴夫认为，只有无量纲常数才是真正的基本常数，因为它们独立于任何测量系统；维度常数“只是人们的想象，它们的数量和数值会根据单位的不同而不同。”

也许最有趣的无量纲常数是精细结构常数。精细结构常数于1916 年确定，当时科学家利用量子理论和相对论来解释氢原子光谱中的精细结构。根据该理论，精细结构常数表示电子绕氢核运动的速度与光速的比值。

如今，在量子电动力学（关于光与物质相互作用的理论）中，（作用于电子的电磁力的强度）发挥着重要作用。电磁力、引力、强核力、弱核力解释了宇宙的运行机制。但到目前为止，还没有人能够解释常数值，因为它既没有明显的前因作为参考，也没有有意义的关系线索。正如诺贝尔奖获得者物理学家理查德·费曼所说：“这个数字自从被发现以来一直是一个谜.它是物理学的奥秘之一：一个神奇的数字来到我们身边，但没有人能够理解它。你可能会说‘上帝之手’写下了这个数字，但‘我们不知道如何’。”

无论它来自“上帝之手”，还是来自形成常数的一些真正基本的物理过程，其明显的任意性让物理学家们抓狂。为什么是这些数字？难道就没有什么变化吗？

处理这种恼人的意外的方法之一就是直面问题。这让我们想起了人择原理。人择原理是一种哲学观点，认为人类在自然界中观察到的一切都是人类存在的原因。简而言之，我们发现这样的常数是因为如果它们非常不同，我们就不会发现它们。 值的微小变化都会改变宇宙。例如，如果在恒星演化过程中不产生碳，碳基生命就不可能存在。正是基于这样的考虑，人们将值限制在1/170到1/80，因为如果超过这个值范围，我们将不复存在。

但这些争议并不排除存在其他具有不同常数值的宇宙的可能性。虽然那些宇宙空间可能不适合人类居住，但我们能看到的东西却值得想象。

令人惊奇的是，我们宇宙的法则都是密切相关的。

例如，如果光速c更快怎么办？对我们来说，光的传播速度非常快，没有任何东西可以超过光速。但光在长距离传播时总会造成巨大的时间差。太空是如此广阔，星光可能已经传播了数亿年才到达我们这里。人类航天器的运行速度比光速慢得多，这意味着我们永远无法将宇航员送到这些行星上。但从好的一面来看，时间距离将望远镜变成了时间机器。我们可以通过望远镜观察数亿年前的星系。

如果光速c 快10 倍，很多事情都会改变。地球上的通讯问题将会改善；远程无线电信号的时间范围将会缩小； NASA将能够更好地远程控制无人航天器和星际探测器。但另一方面，光速的增加会破坏我们回顾宇宙历史的能力。

所以想象一下时间变慢了。我们可以看着它懒洋洋地从灯里出现，慢慢充满房间。虽然这对我们的日常生活没有多大用处，但一个好处是望远镜可以带我们回到大爆炸时代。 （慢光在实验室中已经在一定程度上实现了。1999年，研究人员将激光的速度减慢到自行车的速度。后来，他们通过让光穿过超冷原子气体短暂地停止了光速.)

这样想很有趣。也许在不太遥远的宇宙中，这些假设的情况确实存在。但令人惊奇的是，我们宇宙的法则都是密切相关的。勒克斯指出，通过将光速c的研究与量子真空结合起来，可以明显看出，量子涨落“巧妙地嵌入”了经典电磁学中，尽管电磁理论的提出比量子的发现早了35年。场地。这种联系也恰好是影响整个宇宙的量子效应的完美例子。

如果存在多个宇宙，应用不同的常数值，并根据不同的宇宙法则逐层展开，人择原理也许足以解释我们眼中宇宙的各种特征。从某种意义上说，这可能只是运气。但我不确定这是否能成功揭露事情。

也许多元宇宙的不同部分必须遵守自己的法则，并以特殊的方式相互联系；相反，想象一下这些宇宙相互联系的所有不同方式。为什么多元宇宙是这样而不是那样？让聪明的人类习惯事物的任意性似乎是不可能的。我们再次逼近“存在”与“虚无”这个古老的哲学谜题。这个谜题可能还没有被任何智慧之光破解。

报告/反馈