新浪科技訊 北京時(shí)間7月27日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，我們都知道光速是每秒299792458米，但光速為何偏偏是這個(gè)值、而不是其它數(shù)字呢？我們?yōu)楹斡謱?duì)這種電磁波的速度如此關(guān)注？為何光速會(huì)成為物理學(xué)的重要基石？
這都是因?yàn)椋馑倨鋵?shí)頗為古怪。
考察光速
第一個(gè)意識(shí)到光有速度的人是一位名叫奧勒·羅莫的天文學(xué)家。在17世紀(jì)末時(shí)，他對(duì)木衛(wèi)一的一些奇怪行為產(chǎn)生了強(qiáng)烈興趣。每隔一陣子，木星就會(huì)擋在這顆小小的衛(wèi)星前面，使之暫時(shí)從我們的視野中消失，但這種現(xiàn)象發(fā)生的間隔似乎會(huì)在一年之內(nèi)不斷變化。看來(lái)要么是木衛(wèi)一的軌道有什么奇特之處，要么是另有原因。
觀(guān)察了幾年之后，羅莫終于將這種現(xiàn)象與原因聯(lián)系在了一起。當(dāng)我們看見(jiàn)木衛(wèi)一被木星擋住時(shí)，我們正處在地球公轉(zhuǎn)軌道的某個(gè)位置上。但等幾天后、我們?cè)俅慰匆?jiàn)木衛(wèi)一被遮擋時(shí)，我們所在的位置已經(jīng)和前幾天稍有不同了，也許離木星近了些、或是遠(yuǎn)了些。如果我們離木星的距離比上次遠(yuǎn)，就意味著我們要多等一小段時(shí)間才能看到下一次遮擋，因?yàn)楣饩€(xiàn)需要多走一段距離才能到達(dá)地球；反之也是同理。四川儀器計(jì)量，成都儀器校準(zhǔn)，CNAS證書(shū)，儀器檢定，計(jì)量實(shí)驗(yàn)室
只有光速是有限的，才能解釋木衛(wèi)一被木星遮擋的時(shí)間間隔會(huì)不斷變化的現(xiàn)象。
光速有意義
在接下來(lái)的幾個(gè)世紀(jì)里，人們開(kāi)展的持續(xù)觀(guān)測(cè)不斷鞏固了對(duì)光速的測(cè)量結(jié)果。但一直到19世紀(jì)中葉，物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在無(wú)意間“發(fā)明”了光，系統(tǒng)性理論才開(kāi)始形成。
當(dāng)時(shí)，麥克斯韋正在研究電與磁之間的關(guān)系。在此過(guò)程中，他發(fā)現(xiàn)了一套可以解釋所有獨(dú)立觀(guān)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)一理論，為我們?nèi)缃袼摹半姶帕Α钡於嘶A(chǔ)。他通過(guò)方程式發(fā)現(xiàn)，變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，反之亦然。因此，電波可以生成磁波，后者反過(guò)來(lái)又可以生成電波，如此循環(huán)往復(fù)
麥克斯韋在計(jì)算這種所謂“電磁波”的傳播速度時(shí)，得到的數(shù)據(jù)竟和科學(xué)家們幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)測(cè)得的光速數(shù)值相同。由此可見(jiàn)，光正是由電磁波構(gòu)成的。
這個(gè)理論一直沒(méi)遇到什么問(wèn)題，直到幾十年后，愛(ài)因斯坦意識(shí)到，光速其實(shí)和光毫無(wú)關(guān)系。他在研究狹義相對(duì)論時(shí)意識(shí)到了時(shí)間與空間之間存在某種關(guān)聯(lián)，共同交織成了所謂的“時(shí)空”。但眾所周知，時(shí)間與空間截然不同，“一米”和“一秒鐘”或“一年”根本不是一回事，可以說(shuō)是南轅北轍。
那么，這兩個(gè)概念怎么可能聯(lián)系在一起呢？四川儀器計(jì)量，成都儀器校準(zhǔn)，CNAS證書(shū)，儀器檢定，計(jì)量實(shí)驗(yàn)室
這當(dāng)中需要有某種“黏合劑”，讓我們能夠?qū)⒖臻g運(yùn)動(dòng)與時(shí)間運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)化。換句話(huà)說(shuō)，我們需要知道一米長(zhǎng)的空間對(duì)應(yīng)的時(shí)間是多少，即需要確定一個(gè)轉(zhuǎn)化率。而愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，有這么一個(gè)常數(shù)、或者說(shuō)速度，可以幫我們算出時(shí)間與空間之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
愛(ài)因斯坦的理論并未指明這個(gè)數(shù)字究竟是多少，但當(dāng)他將廣義相對(duì)論套用到麥克斯韋方程組中時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)化率恰恰就是光速。
當(dāng)然，這個(gè)將時(shí)間與空間統(tǒng)一起來(lái)的基本常數(shù)并不知道什么是電磁波，也壓根不在乎，畢竟它只是個(gè)數(shù)字而已。但麥克斯韋卻在對(duì)此一無(wú)所知的情況下、提前算出了這個(gè)數(shù)字。這是因?yàn)樗袩o(wú)質(zhì)量的粒子都能夠以這個(gè)速度運(yùn)動(dòng)，既然光也沒(méi)有質(zhì)量，自然也能按這個(gè)速度傳播。這樣一來(lái)，光速便成為了現(xiàn)代物理學(xué)的一塊重要基石。
但為什么偏偏是這個(gè)數(shù)字、而不是其它隨便的某個(gè)數(shù)字呢？為什么大自然偏偏選了這一個(gè)？究竟發(fā)生了什么？
光速無(wú)意義
說(shuō)到底，數(shù)字本身其實(shí)并不重要。畢竟它是有單位的：米/秒。在物理學(xué)中，任何帶單位的數(shù)字都可以改變?nèi)≈担驗(yàn)槲覀兪紫纫獙?duì)它的單位進(jìn)行定義。例如，要想以“米/秒”的形式表達(dá)光速，首先要決定“一米”和“一秒”究竟意味著什么。因此，對(duì)光速的定義是與對(duì)長(zhǎng)度和時(shí)間的定義緊密相連的。
在物理學(xué)中，我們更關(guān)注那些沒(méi)有單位或維度的常數(shù)，即在物理理論中僅以數(shù)值形式存在的數(shù)。這些數(shù)字似乎要基本得多，因?yàn)樗鼈儾恍枰蕾?lài)任何定義。換句話(huà)說(shuō)，如果我們?nèi)蘸蠼Y(jié)識(shí)了某個(gè)外星文明，我們也許無(wú)法理解它們測(cè)得的光速，但對(duì)于那些沒(méi)有維度的常數(shù)，我們則可達(dá)成共識(shí)，因?yàn)橹皇菃渭兊臄?shù)字而已。
所謂的“精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)”就是這樣一個(gè)例子，它是光速、普朗克常數(shù)、以及自由空間磁導(dǎo)率的結(jié)合，約等于0.007。0.007后面沒(méi)有單位，只是一個(gè)純粹的數(shù)字。
所以從一方面來(lái)看，光速可以取任何值，因?yàn)樗詭挝唬虼巳≈禃?huì)隨著我們對(duì)單位的定義而變化。但從另一方面來(lái)看，光速又不能取其它值，因?yàn)檫@樣一來(lái)，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)也得隨之變化。但我們的宇宙選定的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)偏偏就是0.007，對(duì)此我們也無(wú)從改變。既然這一點(diǎn)不能變動(dòng)，并且放之四海而皆準(zhǔn)，光速的取值也就不能隨意更改了。
那么，為何精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)偏偏是這么個(gè)數(shù)字呢？好問(wèn)題，科學(xué)家們也不知道。