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为什么光速如此快

时间:2020-07-20 09:55:19来源:

保罗·萨特(Paul M. Sutter)是纽约州立大学石溪分校和Flatiron研究所的天体物理学家,主持太空人和太空广播节目的主持人,并着有《如何在太空中死亡》一书。他为Space.com的Expert Voices:Op-Ed&Insights提供了这篇文章。

我们都知道并热爱光速(每秒299,792,458米),但是为什么它具有它所具有的价值?为什么还没有其他数字呢?为什么我们如此关心随机的电磁波速度?为什么它成为了如此物理学的基石?

好吧,这是因为光速简直是不可思议。

第一个意识到光的确确实具有速度的人是一个名为Ole Romer的天文学家。在1600年代后期,他痴迷于木星周围Io卫星的一些奇怪运动。每隔一段时间,这颗巨大的行星就会挡住我们对它的小月亮的视线,从而导致日食,但是日食之间的时间间隔似乎在一年中发生了变化。艾欧(Io)的轨道正在发生一些时髦的事情-似乎令人怀疑-或正在发生其他事情。

经过几年的观察,Romer建立了联系。当我们看到Io黯然失色时,我们在太阳周围的轨道上处于某个位置。但是几天后,下次我们看到另一个月食时,我们所处的位置略有不同,也许比上一次离木星更近或更远。如果我们比上次看到日食更远,则意味着我们必须等待一点额外的时间才能看到下一次日食,因为光到达我们的视线需要更长的时间,反之亦然如果我们恰好更接近木星。

解释Io食时机变化的唯一方法是光速是否有限。

在接下来的几个世纪中,不断的测量巩固了光速的测量,但是直到1800年代中期,事情才真正开始融合。那是物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)意外发明光的时候。

麦克斯韦(Maxwell)发现单一的统一图片可以解释所有不同的观察结果时,他一直在玩弄当时还很少理解的电和磁现象。他奠定了我们现在所理解的电磁力的基础,在这些方程式中,他发现不断变化的电场会产生磁场,反之亦然。这允许电波产生磁波,然后继续使电波来回往复,相互跳越,能够穿越太空。

当麦克斯韦(Maxwell)计算这些所谓的电磁波的速度时,得到了科学家几个世纪以来一直测量的光速数。因此,光是由电磁波构成的,并且以这种速度传播,因为这正是电磁波在太空中传播的速度。

这一切都很好,直到爱因斯坦在几十年后出现并意识到光速与光完全无关。爱因斯坦以其相对论的特殊理论,实现了时空之间的真正联系,一种称为时空的统一结构。但是众所周知,空间与时间有很大不同。一米或一英尺与一秒钟或一年有很大不同。它们似乎是完全不同的两件事。

那么,他们怎么可能处于同一立场?

需要某种胶水,某种联系使我们能够在空间运动和时间运动之间转换。换句话说,我们需要知道例如一米的空间是值得的。汇率是多少?爱因斯坦发现有一个常数,一定的速度,可以告诉我们多少空间等于多少时间,反之亦然。

爱因斯坦的理论没有说这个数字是多少,但是随后他将相对论应用于麦克斯韦的旧方程,发现该转换率正是光速。

当然,这种转换率是统一时空的基本常数,它不知道电磁波是什么,甚至都不在乎。这只是一个数字,但是事实证明,麦克斯韦已经计算出这个数字,并且甚至不知道它就发现了它。这是因为所有无质量的粒子都能够以该速度传播,并且由于光是无质量的,因此它可以以该速度传播。因此,光速成为现代物理学的重要基石。

但是,为什么还有那个带有那个值的数字,而不是其他一些随机数呢?大自然为什么会选择那个而不是另一个?这是怎么回事?

好吧,这个数字并不重要。毕竟它有单位:米/秒。在物理学中,任何附加了单位的数字都可以具有所需的任何旧值,因为这意味着您必须定义单位是什么。例如,为了以米/秒为单位表示光速,首先需要确定米是多少秒,秒是多少秒。因此,光速的定义与长度和时间的定义紧密相关。

在物理学中,我们更关心没有单位或维度的常数,换句话说,出现在我们物理理论中的只是纯数字的常数。这些看起来更加基础,因为它们不依赖于任何其他定义。换句话说,如果我们要遇到某种外来文明,我们将无法理解它们对光速的度量,但是当涉及到无量纲常数时,我们都可以同意。他们只是数字。

这样的数字之一就是精细结构常数,它是光速,普朗克常数和称为自由空间介电常数的组合。其值约为0.007。0.007什么?才0.007。就像我说的,这只是一个数字。

因此,一方面,光速可以是它想要的任何速度,因为它具有单位,我们需要定义单位。但是,另一方面,光速不能只是它的实际速度,因为如果您要更改光速,则会更改精细的结构常数。但是我们的宇宙选择的精细结构常数约为0.007,仅此而已。那只是我们所生活的宇宙,我们对此毫无选择。而且由于这是固定的和通用的,因此光速必须准确无误。

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