为什么光速只能是30万公里每秒?是什么限制了光速?
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。