Почему скорость света ccc имеет такое значение? [дубликат]

Вы видели, что скорость света примерно равна$3*10^8\, \text{m/s}$, поэтому скорость света очень велика по сравнению с одним метром и одной секундой. Это примерно скорость человеческой ходьбы, поэтому ваш вопрос можно интерпретировать как вопрос, почему свет в несколько сотен миллионов раз быстрее, чем скорость ходьбы.

Однако скорость, с которой люди ходят, довольно антропоцентрична. Давайте выберем что-нибудь более нейтральное, вроде типичной скорости звука в кристалле. Это несколько тысяч метров в секунду. Итак, вопрос, который мы здесь исследуем, звучит так: «Почему скорость света примерно в 10^5 раз выше скорости звука в кристалле?»

Звук распространяется через твердые тела в виде волны сжатия. Атомы кристалла где-то сжимаются, добавляя энергии, и это создает бегущую волну сжатия, движущуюся вдоль кристалла. Чем жестче кристалл (больше энергии для сжатия), тем быстрее волна. Чем больше инерция, тем медленнее волна. Единственный размерно-правильный способ объединить их для получения скорости - это

куда$E$энергия на атом и$m$это масса на атом. Масса просто получается из массы частиц. Однако энергия в атоме исходит из квантовой механики. Вы можете найти его, уравновешивая электростатическую энергию между электроном и протоном с кинетической энергией, которую электрон имеет из-за того, что он ограничен областью вблизи ядра. Таким образом, энергия зависит от силы электрических взаимодействий, массы электрона и постоянной Планка. Сложив их вместе, вы обнаружите, что энергия

куда$\alpha = \frac{e^2}{\hbar c}$называется постоянной тонкой структуры. Сложив это вместе, мы находим

куда$m_N$это масса ядра. Масса ядра примерно в десять тысяч раз превышает массу электрона, а постоянная тонкой структуры составляет около$.01$, так что это выражение дает$v \approx c * 10^{-4}$

Другими словами, скорость света равна$10^4$или же$10^5$раз быстрее скорости звука в кристалле, потому что постоянная тонкой структуры мала, а электроны легче ядер.

Кстати, ваше отвращение к установке$c = 1$неуместен. Это просто выбор единиц, а не физика. В этой системе единиц мы бы сказали, что скорость звука имеет порядок$10^{-5}$, так что все так же, как если бы мы держали метры и секунды.

Подводя итог: скорость света высока, но чтобы это имело смысл, мы должны указать, с чем она быстра по сравнению с ней. Если мы решим сравнить ее с повседневными вещами, такими как скорость звука, мы обнаружим, что скорость света высока, потому что повседневные вещи состоят из атомов, а энергия в атомах невелика. Скорость звука в этом отношении не является чем-то особенным — вы можете взять, например, тепловую скорость сжигаемого вами бензина, и она будет ограничена примерно по тем же причинам. Энергия в атомах мала, потому что постоянная тонкой структуры мала, а электрон легче нуклонов. Нет никаких известных причин (по крайней мере мне), что постоянная тонкой структуры и отношение массы электрона к массе нуклона являются малыми числами.

СКОРОСТЬ СВЕТА:

Это очень интересный вопрос. Изучая основы электромагнетизма и теорию, которая привела к уравнениям Максвелла, вы найдете интересный элемент, который может привлечь ваше внимание. Вы можете увидеть, что скорость света не так абстрактна и таинственна, как кажется, но только если вы посмотрите с другой точки зрения.

Я запишу уравнения Максвелла в вакууме до стадии их объединения в одно уравнение, волновое уравнение, которое доказывает существование электромагнитных волн и является убедительным доказательством объединения электрического и магнитного полей в электромагнитное поле. Уравнения можно найти в любом стандартном учебнике по электромагнитной теории:

$\nabla\times{\bf E}=-\mu_0\frac{\partial{\bf H}}{\partial t}$

$\nabla\times{\bf H}=\epsilon_0\frac{\partial{\bf E}}{\partial t}$

$\nabla.{\bf H}=0$

$\nabla.{\bf E}=0$

Эти два уравнения приводят к волновому уравнению для компонент ЭМ поля:

$\nabla^2E_i=\epsilon_0\mu_0\frac{\partial^2 E_i}{\partial t^2}$

аналогично для компонент магнитного поля.

Интересной особенностью этих волновых уравнений является множитель$\epsilon_0\mu_0$потому что они определяют скорость света

$c=\frac{1}{\sqrt{\epsilon_0\mu_0}}$

История этих двух констант длинная и несколько запутанная. Электрическая проницаемость,$\epsilon_0$и магнитная проницаемость,$\mu_0$, свободного пространства в принципе можно с помощью современных технологий определить электрическими измерениями. Например$\epsilon_0$можно измерить с помощью плоского конденсатора . Измерив его емкость и геометрические характеристики, мы можем использовать приведенное ниже уравнение для определения$\epsilon_0$

$C=\epsilon_0\frac{A}{d}$,

куда$A$площадь пластин и$d$расстояние между плитами. Точно так же, используя уравнение баланса веса,$mg$, некоторой известной массы, силой магнитного поля, используя экспериментальную схему баланса токов, мы имеем

$mg=\mu_0\frac{I^2L}{2\pi a}$

куда$I$электрический ток в проводе «токового баланса» и$L,a$являются параметрами, которые являются частью плана эксперимента.

Таким образом, вопрос, почему скорость света имеет такое значение, может быть сведен к вопросу, почему эти физические константы имеют именно такие значения. Чтобы сделать обсуждение более интересным, произведение этих констант должно оказаться независимым от системы отсчета, в которой они измеряются, чтобы гарантировать, что скорость света одинакова для всех наблюдателей.

Еще в начале 19 века двумя естественными константами были электрическая и магнитная проницаемости вакуума. Затем в середине века Максвелл выяснил, что эти две константы однозначно определяются скоростью света. Переход от трех, казалось бы, независимых констант к одной константе был одним из высших достижений физики 19 века.

Многие физики работают над тем, чтобы выяснить, действительно ли c , G , h и e постоянны и почему они имеют именно такие значения. Просто до сих пор у них не было явного успеха. Это никого не устраивает, но видимо это очень тяжелая и глубокая проблема.

Согласно теории относительности существуют минимальная и максимальная скорости. Поскольку фотоны (считается) безмассовыми, они движутся с максимально возможной скоростью, отсюда и название «скорость света». Но на самом деле этот термин просто означает «максимально возможную скорость».

Более того, теория относительности также предполагает, что время и пространство являются просто ортогональными направлениями в большем многообразии (с некоторыми условиями на метрику), поэтому, когда мы говорим$c = 3 \times 10^8 \; \mathrm{m/s}$мы просто обеспечиваем преобразование единиц измерения: одна секунда равна тремстам миллионам метров, так же как 1 фунт равен 453,6 граммам.

Так почему же ценность$3 \times 10^8 \; \mathrm{m/s}$? Что ж, метр был выбран как самая простая для определения единица измерения, приблизительно равная одному ярду (т. е. длине шага среднего человека), а секунда была выбрана как самая простая для определения единица измерения, приблизительно равная 1 /(24*60*60) = 1/86400 одного земного дня. Как оказалось, одна секунда примерно в триста миллионов раз длиннее одного метра.

Скорость света обусловлена ​​природой пространственно-временной ткани. Любой безмассовый носитель поля будет двигаться со скоростью, равной пространственно-временному преобразованию. Оливер Хевисайд показал, что если поле движется с конечной скоростью, то существует магнитоподобное сополе, так что возникают уравнения Максвелла, и поле движется с некоторой скоростью.

Тогда принцип относительности предполагает, что можно было бы измерить собственное движение, если только все такие скорости не получают свою скорость из метрики спав-времени.

Ну, я думал над тем же вопросом, и я наткнулся на это объяснение, которое показалось мне наиболее логичным

В ткань пространства-времени встроена фундаментальная скорость, называемая с. Эта скорость c проявляется повсюду в расчетах теории относительности, и она была бы существенной, даже если бы не было ничего, что действительно двигалось бы с такой скоростью. По сути, если пространство и время являются аспектами одного и того же, тогда должна быть возможность измерять пространство единицами времени или наоборот, и если бы вы это делали, то скорости были бы безразмерными. c - скорость, равная 1, в таких единицах.

Что ж, один из результатов теории относительности состоит в том, что любая частица, имеющая нулевую массу, должна двигаться со скоростью точно c. Сама теория относительности ничего не говорит о том, существуют ли какие-либо такие частицы, но, насколько мы можем измерить, фотон кажется такой частицей. Итак, свет проходит через c.

Взято из Скорость света

Почему скорость света,$c$, имеет ценность, которую он делает? То есть, почему$c=3\times10^8\text{m/s}$?

Это в каком-то смысле не вопрос. Значение$c$не является физическим - это произвольный коэффициент преобразования между единицей времени и длины в произвольных искусственных единицах СИ. Один из уроков теории относительности заключается в том, что время и длина должны иметь одни и те же единицы измерения с самого начала.

Другими словами,$c$создан человеком и имеет ценность, которую он имеет из-за наших условностей. Глубокого физического объяснения нет.

Я полагаю, тогда можно было бы спросить, почему свет распространяется с максимальной скоростью ($v=c=1)$а почему это максимальная скорость вообще? Существует максимальная скорость, потому что все, что быстрее, привело бы к странным парадоксам путешествия во времени, а свет движется с этой максимальной скоростью, потому что он не имеет массы.