Происхождение значения скорости света в вакууме

Том, задал бы ты вопрос «почему скорость света равна 1 л/с» , если бы нам довелось измерять расстояние в световых секундах, а время — в секундах?

Истинный ответ на ваш вопрос таков: скорость света равна 1, если вы измеряете расстояние и продолжительность в совместимых единицах, и это то, что определяет ваша система единиц, если вы принимаете более громоздкие единицы. Другой способ объяснения состоит в том, что скорость, грубо говоря, соответствует углу в пространстве-времени. А углы безразмерны.

Я знаю, это не считается удовлетворительным ответом. Но это потому, что вы задаете неправильный вопрос. Правильный вопрос: «Почему все вокруг нас так медленно? Почему скорость, с которой мы обычно сталкиваемся для материальных объектов, составляет около 10 ^ -8 уровня?»

Особое значение$c$зависит от длины метра и длины секунды. Например, если бы метры были длиннее, скорость света была бы меньше, даже если бы свет оставался таким же быстрым. С этой точки зрения физические измерения являются отношениями. В данном случае это отношение скорости света к достаточно условной скорости — одному метру в секунду.

Один метр в секунду — это примерно скорость ходьбы. Таким образом, ваш вопрос можно интерпретировать так: «Почему скорость света в триста миллионов раз выше скорости пешехода?»

Этот вопрос очень антропоцентричен. Это вопрос о том, насколько мы велики (сколько атомов в нашем теле), какую силу могут проявить наши мышцы (энергия, участвующая в химических реакциях), и насколько крепки наши кости и связки (прочность материалов).

Поскольку мы хотели бы придерживаться физики, будет полезнее взглянуть на скорость света как на отношение чего-то другого. Мы должны искать какую-то другую скорость, заданную природой, а не скорость человека, и сравнивать с ней скорость света.

Типичный кандидат - взять постоянную Планка$\hbar$и единица электрического заряда$e$. Они могут быть объединены для создания скорости$e^2/\hbar = 2.2*10^6 m/s$. (В некоторых системах единиц вам необходимо включить другие «константы», такие как диэлектрическая проницаемость свободного пространства для преобразования единиц.)

Это, грубо говоря, скорость электрона в атоме. Энергия электрона характеризуется$E \approx e^2/r$, с$r$размер орбиты. Его угловой момент измеряется единицами$\hbar$, так$L \approx \hbar \approx mvr$. Теорема вириала позволяет нам записать энергию как$E \approx mv^2$. Используя эти факты, мы можем искать способ оценки скорости.$v = mv^2/mv \approx E/(L/r) \approx (e^2/r)/(L/r) = e^2/L = e^2/\hbar$.

Эта «типичная скорость электрона» составляет около$\frac{1}{140} c$. Как соотношение,$e^2/\hbar c \approx \frac{1}{140}$. Это называется постоянной тонкой структуры . Это очень полезно знать, потому что это число описывает врожденную силу электромагнитного взаимодействия.

Ваш первоначальный вопрос звучит так: «Почему постоянная тонкой структуры$\frac{1}{140}$?» или «Почему скорость света$140$если измерять в фундаментальных единицах квантовой механики и электромагнетизма?» Если не считать ложной ссылки на антропный принцип, я не думаю, что есть ответ на этот вопрос, по крайней мере, пока. Физическая «теория всего» могла бы надеяться вывести постоянная тонкой структуры из какой-то более фундаментальной идеи, но это еще не достигнуто, и неизвестно, будет ли это когда-либо.

скорость света была создана природой равной единице, число, умножение которого ни на что не влияет. Но первобытные люди, которые жили в пространстве-времени и двигались со скоростями намного меньшими, чем$c=1$- по малым углам в пространстве-времени - не смогли увидеть, что их скорости составляют определенные доли от максимальной скорости. Человечество оставалось таким примитивным до 1905 года, когда Альберт Эйнштейн изменил историю (с некоторой маркетинговой помощью Германа Минковского в 1908 году).

Таким образом, несмотря на то, что пространство и время в основе своей являются одной и той же величиной, измеряемой в разных направлениях, люди выбрали разные единицы измерения длины и длительности. Некоторые конкретные люди выбрали$1/24/3600$солнечного дня, потому что силы$60$а также$12$и т.д. были довольно популярны - много случайной запутанной истории математических условностей. Они вызвали подразделения по одной секунде.

Другие люди выбрали один метр как$1/40,000,000$окружности меридиана.

В тех произвольно выбранных единицах расстояния и времени, которые уточнялись, вернее, до числа периодов различных видов излучения, скорость света$c=1$можно было написать как$299,792,458$РС. По крайней мере, измерения стали достаточно точными, так что определение одного метра было изменено в 1980-х годах, чтобы скорость света в этих единицах оставалась хотя бы постоянной. Так что скорость, которую я написал, теперь фактически точна по определению.

Взрослые физики, работающие с релятивистскими теориями, используют единицы, в которых$c=1$. Точно так же взрослые квантовые физики используют единицы с$\hbar=1$,$k_B=1$, и иногда$G=1$когда они изучают общую теорию относительности (или квантовую гравитацию).

Подводя итог: числовой размер универсальных констант не имеет ничего общего с фундаментальной физикой — все дело в человеческих условностях (единицах).

С наилучшими пожеланиями Любош

Что ж, в настоящее время скорость света определяется как точное число, а секунда определяется с точки зрения времени электронного перехода цезия, а$c$метры определены как$c \times \left(1\, s\right)$. Таким образом, банальный ответ на это заключается в том, что мы определили это так.

Я думаю, что более осторожным ответом было бы то, что химия происходит при очень низких энергиях по сравнению с типичными релятивистскими энергиями. Поскольку энергии малы, это означает, что фундаментальные масштабы времени повседневной жизни намного длиннее (в релятивистских терминах), чем фундаментальные масштабы длины.$c$подскажет, как преобразовать одно в другое.

В конце концов, ответ таков, что мы не знаем . И в то же время мы не знаем, сможем ли мы когда -нибудь узнать, почему это именно так.

Мы измерили$c$по отношению к системе единиц, которую мы, люди, изобрели ¹ , но мы не знаем, есть ли какая-либо причина для того, чтобы она принимала это конкретное значение; это просто то, что есть.

^{1 Мы определили скорость света как константу в 1983 году, поэтому технически метр и секунда определяются из$c$, а не наоборот, как я предложил здесь.}

Многие ответы здесь, кажется, упускают из виду суть вопроса, а именно (я думаю), почему фотоны движутся со скоростью света с, а не с какой-то другой скоростью. То есть, учитывая определение метра как «палки такой длины», почему свету требуется определенное количество времени, чтобы преодолеть это расстояние, которое он преодолевает.

Ответ заключается в том, что существует определенная скорость, с которой движется любая безмассовая частица, например фотон, и эта скорость с является фундаментальным свойством нашей Вселенной. Каждый раз, когда физик говорит, что что-то является фундаментальным, это означает, что он (она) не знает почему, это просто так.

Справедливости ради, вы можете объяснить, почему с имеет значение, апеллируя к теории относительности, к тому, как мы измеряем течение времени, к определению единиц измерения, которые мы используем при его измерении, и т. д. Но на самом базовом уровне с — это данность, что-то, что мы включаем в уравнения, а не что-то, что мы получаем из них. Это свойство света (и любой безмассовой частицы), но мы должны наблюдать за Вселенной, чтобы найти его.

Кстати, эксперименты, используемые для определения скорости света, не особенно ясны. Есть несколько. Какой из них дал первый точный ответ, возможно, является предметом спора, но проведение измерения не является предметом разногласий.

Скорость света («$c$") на самом деле является коэффициентом преобразования, который преобразует пространственные расстояния в длительности времени. Он является частью геометрии пространства-времени и, в частности, используется для вычисления инвариантного бесконечно малого собственного времени, которое в плоском пространстве-времени Минковского определяется выражением эта формула:

$d\tau^2 = dt^2 - ( dx^2 + dy^2 + dz^2 )/c^2$

Для любой частицы или объекта с ненулевой массой покоя собственное время является инвариантом, с которым согласятся все наблюдатели, и это значение будет согласовываться со временем, записанным часами, которые несет массивная частица или объект. Так что это реальный смысл константы "$c$" - это коэффициент преобразования между пространством и временем в 4-х мерной геометрии пространства-времени.

Теперь, согласно специальной теории относительности, безмассовая частица всегда должна иметь 0 собственного времени ($d\tau^2 = 0$) что значит:

$dt^2 = ( dx^2 + dy^2 + dz^2 )/c^2$

и поэтому

$c = \sqrt{ (dx/dt)^2 + (dy/dt)^2 + (dz/dt)^2 }$

а это значит, что безмассовые частицы всегда должны двигаться со скоростью "$c$". Так "$c$"это действительно скорость безмассовых частиц. Самая очевидная и известная безмассовая частица - это фотон - квант электромагнитного поля. Вот почему"$c$" это скорость света.

Теоретически гравитоны также были бы безмассовыми, поэтому они также двигались бы со скоростью».$c$«Долгое время считалось, что нейтрино не имеют массы, поэтому они также должны двигаться со скоростью».$c$" но теперь известно, что по крайней мере 2, а возможно, и все 3 типа нейтрино имеют очень маленькую, но не нулевую массу, и поэтому нейтрино с ненулевой массой должны были бы путешествовать со скоростью менее "$c$".

Таким образом, скорость света на самом деле оказывается скоростью всех безмассовых частиц и действительно является коэффициентом преобразования между пространством и временем.

Скорость света не произвольна. Вы можете рассчитать скорость распространения малых возмущений, используя уравнения Максвелла, что дает$c=\frac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}}$. Таким образом, когда эти константы фиксированы, фиксирована и скорость света.

Скорость света — это просто коэффициент преобразования одного направления координат в другое. Правильная единица — «один» или$1.0ly/y$и так далее. Теперь у него есть этот забавный набор юнитов в cgs и так далее. Однако, если бы вы утверждали, что скорость света может отличаться в этих единицах, то единицы Планка, такие как$\ell~=~\sqrt{G\hbar/c^3}$все будет соответствующим образом масштабироваться, и, как следствие, наши стержни и часы. Это сделало бы изменение масштаба полностью незаметным.

Почему$c~=~ 299,792,458m/s$имеет отношение к другим константам природы, таким как масса протона и так далее. Мы измеряем скорость света по физическим объектам, и она имеет такое большое значение из-за физических размеров стержней, которые зависят от боровского радиуса, который, в свою очередь, зависит от массы электронов и так далее. Скорость света так велика отчасти потому, что гравитация очень слаба, и это действительно связано с тем фактом, что элементарные частицы имеют маленькую массу по сравнению с массой Планка. Если бы этого огромного несоответствия не существовало, естественной единицей скорости света была бы одна планковская длина за планковское время, что равно единице.

c — это просто фундаментальное свойство нашей вселенной, максимальная скорость распространения информации; тем не менее, было определено, что метр равен 299792458 м/с.

Предположим, что существует Суперземля с городом под названием СуперПариж. В этом городе жители хранят железный прут с двумя отметинами на нем. Это расстояние называется суперметром, это основная единица длины на суперземле.

Если по чистой случайности эти люди используют ту же единицу времени, что и люди, и если по чистой случайности 1 суперметр будет равен 299792458 м здесь, на Земле, то какова скорость света для сверхлюдей?

Скорость света — это свойство пространства-времени, которое имеет метрику Минковского, что означает, что оно имеет нулевое пространство, которое объединяет пространство и время в инвариантную скорость. Можно было бы взглянуть на "Алгебру пространства-времени" Дэвида Хестенеса и различные его статьи, или посетить сайт по геометрической алгебре (например, алгебре Клиффорда). Геометрия пространства-времени невосприимчива к единицам измерения — что бы ни волновало вашу лодку. Один профессор использовал фарлонги за две недели.

На самом деле скорость света может быть разной в разных средах, например, она выше$c$в вакууме Казимира и меньше, чем$c$в твердой среде.

Кажется, актуальный вопрос здесь заключается в том, почему скорость света в плоском вакууме является самой высокой скоростью, с которой может передаваться информация.

Это происходит из специальной теории относительности, где было показано, что при сверхсветовой передаче информации возникает парадокс несчастных случаев. Это потому что$c$используется в преобразованиях Лоренца.

И теперь естественно возникает следующий вопрос, почему именно в специальной теории относительности используется$c$в своих преобразованиях Лоренца, а не в любой другой скорости. Это связано с идеей, что все инерциальные системы должны быть неразличимы: скорости всех процессов, будь то электромагнитных, механических или гравитационных, должны изменяться одинаково при смене системы отсчета. Если бы электрические процессы изменялись в одну сторону, а гравитационные — в другую, мы могли бы определить, находимся ли мы в подвижной или стационарной системе отсчета.

Отсюда следует, что для выполнения этого критерия все фундаментальные взаимодействия должны распространяться с одинаковой скоростью.

Так что действительно, если где-то существует среда, в которой скорость света больше или меньше с, то в такой среде можно определить, является ли данная система отсчета абсолютно подвижной или неподвижной относительно среды. Такая среда не обладает основным свойством нашего вакуума, отличающим его от эфира: нет разницы между движением (без ускорения) в ней и нахождением в покое.

Как сказал Кайл Канос в своем ответе, мы просто знаем, что он есть . Она рассчитана теоретически, и в сочетании с экспериментальными данными мы просто принимаем, что скорость света равна$c=3x 10^8 \frac {m}{s}$.

Видите ли, мы всегда ожидаем, что все будет так, как нам нравится. Мы хотим контролировать все вокруг нас, даже природу. Наша неотъемлемая концепция заключается в том, что мы занимаем центральное, привилегированное положение во всем, что мы делаем, от отношений до бизнеса и нашего понимания вселенной. Реальность такова, что мы совсем не привилегированные. Наука неоднократно разрушала это наше заблуждение, но мы все еще цепляемся за эго. Я предлагаю вам посмотреть известную речь Карла Сагана « Бледно-голубая точка » , которая так ярко передает это послание.

В таком случае, я думаю, крайне несправедливо ожидать, что скорость света имеет значение, которое нам нравится, кроме$c$, универсальное ограничение скорости. В вашем случае вопрос не в том, почему скорость света имеет именно такое значение, а в том, почему мы думаем, что она не должна быть такой.

Существует уникальное числовое значение c в любых единицах измерения (например, м/сек, или мили/час, или фарлонги/две недели), которые вы используете, которое правильно преобразует скорость в$\phi$радианы для повышения с группой Лоренца, где$\phi$называется параметром Лоренца Буста.

В некотором смысле c — это артефакт того, как мы измеряем вещь, называемую скоростью, с помощью палочек и галочек. Если бы мы долго шли, мы могли бы воспринимать скорость непосредственно в$\phi$радианы, например, увидев дробную длину или сокращение времени, которое$=cosh(\phi)$, то мы никогда не будем говорить о v или c.

Почему скорость света в вакууме, то есть скорость фронта сигнала ,$c$, приписал точное значение$299'792'458~\text{m/s}$?

Это связано с особым определением единицы измерения "метр ($\text{m}$)" в системе СИ, связь с частным определением единицы "секунда ($\text{s}$)"; cmp. http://www.bipm.org/en/publications/si-brochure/meter.html и http://www.bipm.org/en/publications/si-brochure/second.html .

Возможно, определение «метр ($\text{m}$)» как «единица длины», тем самым реализуя определение хронометрического расстояния

Есть термин, который я люблю использовать, называется « эффективно » .

Если вы не имеете массы во Вселенной (подобно свету), вы путешествуете с такой скоростью , которая будет казаться вам (и только вам) бесконечной .

С вашей точки зрения (если вы не имеете массы), вы можете путешествовать на ЛЮБОЕ расстояние, не переживая НИ ОДНОГО времени. Конечно... вы ДЕЙСТВИТЕЛЬНО преодолели это расстояние (за какое-то время) , но вы просто этого не испытали .

Так что для ВАС и только для ВАС ваша скорость была фактически бесконечной .

Так что, если мы сохраняем нашу собственную точку зрения как единственно верную точку зрения ( что неверно, но давайте просто смиримся с этим ), то мы по-прежнему живем во Вселенной, где вы можете путешествовать в космосе с любой скоростью, какой захотите. Хотите путешествовать в 50 раз быстрее света? Вы можете это сделать — конечно, когда вы прибудете в пункт назначения, вы увидите, что прошло огромное количество времени — времени, которого вы не испытали в своем путешествии .

Имея это в виду, C = ∞ ( для вас ).

И это означает, что мы живем не в евклидовом пространстве-времени, как мы когда-то думали (относительность Галилея), а мы живем в гиперболическом (не евклидовом) пространстве Минковского, где вы все еще можете двигаться так быстро, как хотите (с вашей собственной точки зрения), но вы получите искажения, которых изначально, возможно, не ожидали . Как замедление времени и сокращение длины.

Теперь, ЕСЛИ мы хотим сделать теорию относительности, которая говорит не только о ВАС и только о ВАС, но и обо всех; Затем нам нужно установить C = 1 нс/год или, если мы используем числа SI: 299 792 458 м/с, и исследовать, как разные наблюдатели будут измерять скорости друг друга с разных точек зрения. Итак, теперь C больше не бесконечность, а 299 792 458 м/с, и вы можете двигаться в пространстве или во времени так быстро, как хотите, ДО ТОГО, КАК ваша скорость в пространстве и времени вместе взятые всегда равна 299 792 458 м/с.

Это ваша истинная скорость в пространстве-времени, но пока мы не заботимся о других, а заботимся только о вас, тогда мы можем говорить о вашей истинной скорости [https://en.wikipedia.org/wiki/Proper_velocity], также называется celerity , и эта скорость может быть любым числом... Во столько раз больше, чем C, которое вы хотите... Она также может быть бесконечной, как я объяснил в своем тексте выше;

C — это просто способ описания нашего неевклидова пространства-времени и его свойств.

Значение c не является произвольным, но имеет огромное значение. E=mc^2 дает, например, разницу в энергии между 4 атомами водорода и гелия4, что позволяет нам понять, как построить периодическую таблицу элементов.

Мы измеряем отношения между объектами, которые принадлежат нашей локальной среде. Наши линейки основаны на свойствах атомов.

с является свойством пространства или, как сказано выше, является свойством вселенной, а не света, потому что я разделяю точку зрения Исраэля Переса , что материя и пространство являются различными выражениями одной и той же сущности, следуя Спинозе (Этика).

с - отношение, соотношение между длиной и временными интервалами. Если проверить определения единиц времени и длины, становится ясно, что они не определены независимо друг от друга, одно определяется с помощью другого. Тогда следует заключить, что c действительно является фундаментальным свойством, выражающим, как возмущения могут развиваться в пространстве.

Подобное поведение наблюдается у волн в озере. Это свойство среды (вакуум, поле, эфир, пространство,...много имён)

Это объясняет, почему свет распространяется всегда одинаково, независимо от движения источника или приемника.

О значении меры c:

Я думаю, что мы можем измерить только двустороннюю скорость света, а не одностороннюю (как Пуанкаре). Мы измеряем только отношение (L/T), и это абсолютная константа.

Предположим, что в этом мире (или в далеком прошлом) атомы имеют вдвое больший размер, чем наши местные атомы, тогда отношение L/T должно быть таким же, а физические законы остаются неизменными (электронам потребуется больше времени). времени, по сравнению с нашим местным временем, чтобы эволюционировать вокруг протона, и испускаемый свет станет красным :-)

Мы не проводим никаких «абсолютных» измерений длины или длительности времени. Принципиально мы не можем сделать это по-другому.

Вы можете доказать из уравнений Максвелла, что скорость света равна:$c=\sqrt{\frac{1}{\epsilon_0\mu_0}}$. Где$ϵ_0$(вакуумная диэлектрическая проницаемость) и$μ_0$(вакуумная проницаемость) постоянны.

Если вы хотите полностью понять, как работает это уравнение, я рекомендую вам прочитать это доказательство: уравнения Максвелла предсказывают, что скорость света постоянна .