为什么光速只能是30万公里每秒?是什么限制了光速?

2021-02-15科技645

为什么光速只能是30万公里每秒?是什么限制了光速?

大家都知道,光线是现在宇宙所有物质中,在真空中传播速度最快的(排除量子纠缠和宇宙膨胀现象,因为它们都不能传递信息),这个速度值为299792458米每秒,为了便于记忆和计算的方便,人们通常将光速近似看作30万公里每秒。那么,有朋友不禁要问了,为什么光速不是每秒35万公里、40万公里,只能是30万公里每秒,是什么限制了光速呢?

在16世纪之前,人们对于光速的认知,还普遍停留在它是瞬时的概念,认为无论多远的距离,光线都可以立即到达,也就是说那时候的人们以为光速是无穷大。进入17世纪以后,以伽利略和牛顿为代表的一批伟大物理学家,针对世界中宏观物质的运动,相继提出了经典运动学和经典力学的一批定律,从而为近现代物理学的发展奠定了坚实的基础。特别是经典力学定律的提出,人们对物体运动的速度、加速度以及力的平衡等方面的认识,进入了一个全新的阶段。于此同时,人们对于“无穷”在物理学上的应用也变得愈发谨慎,从数学的角度来看,“无穷大或者无穷小”是推动解决问题的重要设定,但对于物理学来说,物质的“无穷”也就意味着失去了物质存在的条件,对于速度来说,只要是物质,就不可能拥有无穷的速度,这是当时人们非常朴素的认知。

为了探求光的速度,在17世纪时伽利略就早早地“动手”了,他应用的方法很简单,就是在两个相隔一定距离的山顶上,用交替遮盖住灯光的方式,通过计算时间差来确定光速,很显然这个实验受到实验者的主观因素影响太大,误差非常明显,没有取得实质性进展。

后来又有包括丹麦科学家罗默、英国科学家布拉德利、法国科学家斐索等,分别应用观测木星一法、恒星光行法、齿轮测速法等,对光速进行了进一步的测量,可以想象得到,应用不同的方法,测量出来的光速值肯定不一样,所以在相当长的时间内,人们判断光速值的具体大小,是靠实验的科学性、实验的精确性来支撑的,但是这些方法都是实验而已,光速本身应该是一个客观存在的状态,有什么方法能触及到它的本质呢?

这里不得不提另外一位伟大的人物-苏格兰麦克斯韦,他在研究电磁学基本规律时,在假定电磁波所通过的空间为均匀且各向同性的基础上,提出了著名的麦克斯韦波动方程,主要体现在4个形式上非常完美的方程上,这4个方程爱因斯坦对之都高度赞叹,这4个方程的表达式为:

以上4个方程分别从不同的角度,阐述了电场和磁场的统一性,同时又确立了场源一致性的结论。从该方程组中,可以通过数学上的矢量分析方法,将之进行相应的换算和推导,最终得出电场和磁场(也可称为电磁场方程,中间过程比较复杂,这里不再列出推导过程),即:

将这个方程与之前科学界已经得出的机械波动方程相比较,不难看出二者在表达上的相似性,下面这个表达式即为机械波动方程。从机械波动方程可以看到,只要一个物体,在时间和空间上的变化,只要满足这个方程,就可以认为该物体进行的运动,呈现的是以波形式传播的状态。

据此,麦克斯韦从推导出来的结果,提出了一个大胆的结论,那就是光线是一种电磁波,电磁波的传播速度等于光速。同时,依据这个结论,测算出光速表达式为:c=1/(μ*ε)^(1/2),这里μ为介电常数,ε为磁导率。当然这两个常量也需要通过实验的方法测量。

后来,众多科学家们又通过更加精密的实验,实验结果均证实了麦克斯韦的预言是正确的,而且进一步对两个参数进行了测量,从而得出越来越精确的光速值。特别是应用激光干涉法,将激光干涉仪测出的结果与基准波长86-氪605纳米光谱线进行对比,理论上的误差率仅为10亿分之一,基于此种方法的测量结果,在1983年的国际计量大会上正式将光速定义为299792458米每秒,这个值被完全固化了下来,并以此为基准,将光线在真空中传播299792458分之一秒所经过的距离,定义为“米”。

通过以上的分析可以看出,光线传播速度的有限性,取决于光作为一种电磁波的物质性。爱因斯坦正是基于光速不变原理,提出了狭义相对论,同时推导出了质速方程和质能方程,为人们进一步深入认识物体的运动与时空的关系提供了理论支撑。即使以后随着科学技术的发展,人们对光速的测量精度进一步提升,对光速值进行了修正,也只能说明我们对光速本质的追求又更精一步、更近一步,这只是测量方法上的进步,无法改变光速作为一种客观存在的本质属性。

相关文章

不算亲友,我有10多个微信好友,如何在一个月时间里变成5000个精准好友?

加人一定要被动,就是要让别人来加你,要不然自己一个一个去加的工作量是非常大的。 最简单的方法就是利益诱惑呀 看你要加什么样的群体,然后找到这个群体需要然后成本又非常低的东西,比如视频,软件,各种教程,小秘方等等,加你就免费送。 或者说你能够给他们带来一些值得关注的东西,比如你的一些思想或者你有某些方...

《植物大战僵尸2》为什么打不开了?

我的几天前也这样,告诉你一个方法:游戏不要删,再下载一个不要安装,然后打开游戏,就可以玩了。我试过,很灵的! 第一个不要删,第二个下载了不要安装,因为第一个安装了后会删除安装包,没有安装包是打不开的,所以必须再下载一个。这就是还需下载一个但不能安装的原因。 真的很灵的,要相信我,我亲自测试过,本来打...

《流金岁月》里陈道明为什么那么黑,真的是剧情需要而已?

这是身体健康的很好状态,现在好多国内外明星,以这样的健康麦色为最佳状态。 也就是坚持了较长时间日光浴才会有这样的健康黑。日光浴 日光浴指按照一定的方法使日光照射在人体上,引起一系列的生理、生化反应的锻炼方法,让肌肤暴露在阳光的紫外线下让皮肤的黑色素产生而变黑,又称为美黑。但是随着过量暴晒会形成日照...

廖昌永和戴玉强相比谁发声更到位?谁的造诣更高?

首先是两位老师的艺术造诣很深厚,都是从农村走出来的歌唱家。两位前辈年轻时勤奋好学,扎实前行,发声技巧科学,舞台经验丰富,在众多部歌剧中饰演主要角色,是很难得艺术大家!其次,两位歌唱家都是声乐界大师级别的人物,不仅作品处理的与众不同,而且他们的对声音的把控,情感的处理拿捏的恰到好处,令人印象深刻!再者...

在桌面上建立文件夹会不会占用C盘资源?

是的,在电脑桌面上新建的文件夹占用的是C盘,查看的方法如下: 1、打开电脑桌面,然后在空白处鼠标右键,选择新建一个文件夹: 2、然后就可以在桌面上新建一个文件夹,如下: 3、然后用鼠标选中该文件夹,鼠标右键,找到最下面的属性,点击打开: 4、在打开的属性页面中,即可查看到新建文件夹的所在位置,可以看...

汉服要怎么穿?

汉服怎么穿? 其实这个也叫韩服,韩国,朝鲜,日本也有很多人穿,最早起源于中国。跳舞的,还有学校学舞蹈的穿的比较多。尺码有三个尺码分大,中,小,根据各个人的身材选。太长会踩到脚下,太短脚全看见,正常齐脚边为正好。系的方法是,把捃子的正中绣花放在胸的正中,两边同时向后,最后把带子在胸前打蝴蝶结,位置在腋...

伯努利原理的这个伯努利方程怎么用?

  可以用伯努利原理解释虹吸现象。  虹吸(siphon)是一种流体力学现象,可以不借助泵而抽吸液体。处于较高位置的液体充满一根倒U形的管状结构(称为虹吸管)之后,开口于更低的位置。这种结构下,管子两端的液体压强差能够推动液体越过最高点,向另一端排放,主要是由万有引力让虹吸管作用。  伯努利方程的定...

sunup手机忘记开机密码怎么解锁?

方法1:进入手机的recovery模式,清除数据恢复出厂设置。此方法会是手机恢复至出厂状态,手机上的个人数据、资料、通讯录、应用均会丢失,如果SD卡上有重要资料也请在操作前将SD卡移除出手机。关机状态下同时长按音量上键、电源键,等待手机显示红色感叹号、安卓机器人后松开按键2.屏幕亮后松开按键,等待出...

霍思燕以前很平,她是怎么丰胸的啊?

胸部要漂亮,最重要的就是形状匀称,因此不论是A罩杯、B罩杯、C罩杯,个人气质及涵养才是真正的主角。 请看看我们的方法。冲拍冷水: 不要用太热的水来搓洗胸部,尽量利用莲蓬头将温水或冷水对着胸部冲击,可以让乳晕颜色及乳房形状更漂亮。我开展自己制定的全方位丰胸计划以来,三个月半,从A75三级跳到D70....

如何检测分子量?

1,端基分析法。通过化学分析的方法测特定的端基含量从而推导出分子量,前提是必须对高分子结构有充分的了解,它还可以用于支链数目的测定。使用这种方法分子量不一般不能太大。 2,沸点升高和冰点降低。这是利用稀溶液的依数性测定溶质分子量的方法,是经典的物理化学方法。溶剂中加入不挥发性的溶质后,溶液的蒸气压下...

伯努利方程的物理意义是什么?

 理想正压流体在有势彻体力作用下作定常运动时,运动方程(即欧拉方程)沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。因著名的瑞士科学家D.伯努利于1738年提出而得名。对于重力场中的不可压缩均质流体 ,方程为  p+ρgz+(1/2)*ρv^2=C  式中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和速度;z...

苹果手机卡怎么办?

你好,这个问题比较简单,前两天看到一篇新闻说中国是苹果手机最大的消费市场,可见国人对苹果手机的喜爱程度,虽说苹果手机的反应速度比较快,但是也难免会出现死机的情况,尤其是第三方软件安装多了以后,手机内存越来越小,极易出现死机的情况。 曾经我们用过的手机都是可以自行拆卸电池,手机死机的时候,抠下电池,重...