Почему скорость света равна 299792458 м/с?

Скорость света составляет 299 792 458 м/с, потому что люди привыкли определять один метр как 1/40 000 000 земного меридиана, так что длина окружности Земли составляет 40 000 километров.

Кроме того, они привыкли определять одну секунду как 1/86 400 солнечного дня, так что день можно разделить на 24 часа, каждый из которых содержит 60 минут в 60 секундах.

В нашей Вселенной случается так, что свет движется со скоростью, так что за 1 секунду, определенную выше, он перемещается примерно на 299 792 458 метров, определенных выше. Другими словами, за один солнечный день свет меняет свое положение на

Если бы он не столкнулся с большим камнем под названием Мегаплутон около 4 701 234 567,31415926 лет назад, он был бы на несколько процентов больше и вращался бы с частотой, меньшей на 1,734546346 процента, поэтому 647 552 были бы заменены на 648 243,25246, но поскольку мы столкнулись с Мегаплутоном , соотношение в конечном итоге стало тем, что я сказал.

(Было около миллиона таких же важных крупных событий, которые я тоже пропускал.)

Размер Земли и скорость вращения какое-то время были в порядке, но они не совсем регулярны или точны, поэтому люди в конечном итоге переключились на длину волны и длительность некоторых электромагнитных волн, излучаемых атомами. Спектроскопия остается наиболее точным способом измерения времени и расстояний. Они выбрали новый метр и новую секунду как кратные длине волны или периодичности фотонов, испускаемых различными атомами, — так, чтобы новый метр и новая секунда совпадали со старыми — определенными из окружности Земли и из солнечные сутки - в пределах доступной точности.

Некоторое время люди использовали две независимые электромагнитные волны для определения 1 метра и 1 секунды. В этих единицах они могли бы измерить скорость света и выяснить, что она равна 299 792 458 плюс минус 1,2 метра в секунду или около того. (В течение многих лет точность была не такой высокой, но погрешность в 1,2 метра была окончательной точностью, достигнутой в начале 1980-х.)

Поскольку скорость света настолько фундаментальна, взрослые физики используют единицы, в которых$c=1$Во всяком случае, в 1980-х годах физики решили переопределить единицы измерения, чтобы для определения 1 метра и 1 секунды использовался один и тот же тип электромагнитной волны. 1 метр был определен как 1/299 792 458 световых секунд, что опять-таки согласуется с предыдущим определением, основанным на двух разных электромагнитных волнах с точностью до секунды.

Преимущество в том, что сегодня известно, что скорость света точна по определению. Вплоть до неудобного числового множителя 299 792 458, который в остальном удобен для общения с обычными и не очень людьми, особенно с теми, кто обучен пользоваться метрами и секундами в зависимости от солнечного дня и меридиана, он столь же надежен, как и$c=1$единицы.

Число произвольное. Мы могли бы выбрать скорость 1 м/с, но это было бы немного неловко, так как мы бы ходили по кругу и говорили людям идти налево на следующем углу 0,00000084 метра вниз по дороге.

Раньше считалось, что метр определяется двумя царапинами на палочке. Таким образом, мы можем экспериментально измерить скорость света. Прежде чем дать новое определение вещам , они измерили их так точно, как только могли, а затем использовали результат в качестве нового официального стандарта.

Определение скорости света означает, что метр больше не определяется в терминах царапин на палочке. Если бы это было так, у нас была бы секунда, метр и скорость света, все они определялись бы независимо друг от друга, тогда как на самом деле они зависимы. Это означает, что в будущем более точные измерения могут показать, что наша система несовместима. В результате метр теперь представляет собой просто расстояние, которое свет проходит за 1/299792458 секунды.

Я думаю, что основная причина этого заключается в том, что скорость света всегда везде одинакова (для локального измерения) и ее довольно легко измерить . До переопределения точность измерения скорости света становилась настолько хорошей, что ограничивалась точностью, с которой мы могли измерить метр .

Многие точные измерения расстояний на самом деле производятся с использованием света, а не измерительных стержней. См., например, LIDAR , в котором свет отражается от источника, и вы видите, сколько времени требуется, чтобы вернуться обратно. Точные измерения расстояния (или измерения изменения расстояния) также могут быть выполнены с помощью света с использованием интерферометрии. См ., например , LIGO .

Это довольно хороший исторический полный круг.

Первоначально метр был определен как 1/10 000 000 расстояния от экватора до северного полюса через Париж, как объяснил Любош выше.

Это было придумано какими-то парнями во время Французской революции с идеей, что единицы физики должны зависеть только от Вселенной (или, по крайней мере, Парижа, что почти одно и то же), а не от исторических деталей, таких как длина руки короля. или ногой.

Это также означало, что вы могли самостоятельно прийти к своему собственному беспристрастному измерению единицы измерения — где-то в хранилище не было эталонного счетчика. Таким образом, все люди и их измерения становятся равными.

Подобно многим идеям Французской революции, это не сработало точно так, как планировалось — исследование было прекращено — и вскоре потребности промышленности привели к тому, что единственным достаточно точным эталоном был эталонный счетчик где-нибудь в хранилище.

Переопределяя метр с точки зрения скорости света, которая универсальна (даже за пределами Парижа), мы возвращаемся к этому первоначальному благородному принципу.

Дополнительное примечание: вам не нужно идти на северный полюс. Широту (угол к северу/югу от экватора) легко измерить с помощью телескопа, затем вы можете измерить расстояние на земле между двумя местами к северу/югу друг от друга и получить определение метра. Это привело к открытию того, что Земля не является сферой, поэтому на самом деле это не работает, но привело к совершенно новой науке измерения Земли.

По историческим причинам. До текущего определения метр определялся как длина некоторого куска материала, прототипа метрового стержня. Затем на основе этой длины была измерена скорость света, которая оказалась равной 299792458 длин бруска в секунду. Затем это было использовано для переопределения метра на расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299792458 секунды, чтобы старое и новое определение совпадали как можно точнее.

Ясно, что вычисления были бы проще, если бы мы имели$c\stackrel{def}{=}3\times10^8{\rm m\,s^{-1}}$и другие физические константы были бы удобными значениями: электрическая постоянная в свободном пространстве была бы$\frac{1}{36\,\pi}\times 10^{-9}{\rm F\,m^{-1}}$а импеданс волны в свободном пространстве будет$120\pi\,\Omega$.

Тем не менее, основная цель пересмотра метрологических стандартов состоит в том, чтобы вызвать как можно меньшее нарушение прежней практики при внесении любых изменений. Пересмотренные системы измерения должны быть как можно более совместимыми с предыдущими версиями . Уже существовало определение счетчика, и в конечном итоге оно исходило из полосы физического метра, как описано в ответе Ноя . Изменение счетчика на сдвиг$299792458{\rm m\,s^{-1}}$к$300\, 000\, 000{\rm m\,s^{-1}}$будет изменение около 700 частей на миллион ($7\times 10^{-4}$), и это приведет к серьезному нарушению существующей практики в науке, промышленности и практически во всех человеческих начинаниях.

Метр был определен (физическим платиновым слитком в Париже) за 200 лет, 8 поколений, прежде чем скорость света была признана хорошей универсальной константой. Длина метра использовалась в торговле, производстве листового металла, инвентаре тканей для одежды и т. д. Итак, когда мы обнаружили, что скорость света является хорошей универсальной константой, мы захотели связать длину, которую свет проходит за 1 секунду, с метр, но мы не хотели слишком сильно менять исходное определение метра. И число 2,99792458 — хороший компромисс.