Почему скорость света в вакууме такая?

Скорость света можно вывести из простой классической механики, используя уравнения Максвелла. Эта страница предлагает такой вывод с использованием простого векторного исчисления. Видно, что скорость света в вакууме

Ответ на вторую часть вашего вопроса о том, почему эта скорость кажется пределом скорости для всех масс, проистекает из специальной теории относительности Эйнштейна. Он представил уравнение, связывающее движущуюся (релятивистскую) массу тела с его массой покоя. Уравнение предсказывало, что масса тела, движущегося со скоростью света, наблюдаемая наблюдателем в инерциальной системе отсчета, будет бесконечной. Очевидно, это означает, что над объектами потребовалась бы бесконечная работа. Это неверно для безмассовых объектов.

Во-первых, мы не знаем, почему скорость света такая, какая она есть. Конечно, его численное значение зависит от конкретной системы единиц, но основным фактом остается то, что свет имеет определенную скорость, и мы не можем это объяснить дальше. Это похоже на другие физические константы, такие как$\hbar$и$G$. Безразмерные константы, такие как$\alpha$, постоянная тонкой структуры, более интересны, потому что они не зависят от единиц, но мы все еще не знаем, почему они имеют те значения, которые имеют.

(Здесь мы могли бы отвлечься от того факта, что скорость света является коэффициентом преобразования между пространством и временем и может быть установлена ​​равной 1 путем подходящего выбора единиц измерения, но, на мой взгляд, это не настоящее объяснение.)

Я не уверен, какое понимание можно было бы получить, зная это. Наверное, они были бы, но физики настолько привыкли к мысли, что некоторые константы просто нужно измерять, что я не знаю, что значит знать, откуда берется скорость света, и какие знания берутся из этого. что.

Ответы на остальные вопросы зависят от того, что вы подразумеваете под «почему». Я мог бы сказать вам, что ничто не может двигаться быстрее света и что свет не имеет массы, потому что этого требует специальная теория относительности, но тогда вы спросите, почему специальная теория относительности верна. Я мог бы сказать вам, что Эйнштейн видел, что это необходимые следствия того факта, что законы физики выглядят одинаково во всех инерциальных системах, как и скорость света. И если вы спросите, почему эти вещи верны, то все, что я могу сказать, это то, что все эксперименты, проведенные для их проверки, показали, что они верны, и это все, что я могу сделать. Просто так устроен мир.

Мы не знаем, почему; это физический факт, установленный экспериментом.

В конце концов, можно предположить, что возможна любая конечная скорость; и это то, что допускает ньютоновская механика.

Короче говоря, когда мы пишем$c = 299792458$метр/секунду, то число 299792458, а в принципе просто произвольное число, определяющее метр относительно секунды, можно интерпретировать как физическую меру человеческого тела так же, как число 25 фигурирует в выражении 25 кг/метр^ 2 для порогового значения ИМТ, которое отличает людей с избыточным весом от людей с нормальным весом. Это связано с тем, что способ, которым мы решили определить метр с точки зрения секунды, чтобы он был совместим со старыми определениями, которые использовали метр для выражения длины, которая была выбрана как длина того же порядка, что и человеческое тело. Современное определение секунды делает этот временной интервал почти таким же значением, как и старое определение, которое представляло секунду как небольшую единицу времени, воспринимаемую нами.

Теперь сама по себе скорость света не является физической константой с точки зрения фундаментальной физики, как подробно объясняет здесь Майкл Дафф . Общая проблема здесь заключается в том, что при наличии некоторого набора законов физики в форме математических уравнений вы всегда можете переопределить переменные, умножив их на константы, или выполнить более сложные математические преобразования. Дополнительные константы, которые затем появляются в результате этих преобразований, очевидно, не имеют никакого отношения к фундаментальной физике. Но преобразования могут быть полезны как математический метод для описания определенных пределов масштабирования теории.

Здесь я показываю , как можно вывести классический предел специальной теории относительности, используя масштабный аргумент. Я работаю в натуральных единицах, никогда не отступаю от этого, и тем не менее появляется константа, которую я называю с, но это безразмерный параметр масштабирования. Тогда я не могу представить это в уравнениях с размерными аргументами, потому что все безразмерно и остается таковым. Скорее, я должен поместить его в нужные места в зависимости от предела масштабирования, который я хочу изучить.

Фактическая стоимость$x=299792458$в выражении

Таким образом, это чисто вопрос определения метра и секунды. Значение$c$само по себе равно 1, и это не просто соглашение, так же как и измерение высоты в тех же единицах, что и расстояния, параллельные поверхности Земли, является «простым соглашением». Тогда с тех пор$c = 1$Значит это:

Итак, значение СИ$x$это просто коэффициент, на который секунда масштабируется по отношению к метру (здесь мы отбрасываем представление о том, что длины и временные интервалы должны иметь разные измерения). Теперь выбор двух разных единиц для расстояний во временном и пространственном направлениях мотивирован тем, что соответствующие физические выражения для людей должны быть порядка единства. Таким образом, метр — это длина большого шага, который мы можем сделать, а секунда — это один маленький шаг в направлении времени, который мы легко воспринимаем. Итак, значение$x$является мерой нас, людей, точно так же, как среднее отношение талии к росту.

Что касается восприятия, то секунда, возможно, более аналогична миллиметру, поэтому число$2.99792458\times 10^{11}$является мерой того, насколько больше у нас разрешающей способности в пространственном направлении по сравнению с временным направлением.