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为何光速是这个取值?

  光速是每秒299792458米,但光速为何偏偏是这个值,而不是其它数字呢?
  第一个意识到光有速度的人是一位名叫奥勒·罗莫的天文学家。在17世纪末时,他对木卫一的一些奇怪行为产生了强烈兴趣。每隔一阵子,木星就会挡在这颗小小的卫星前面,使之暂时从我们的视野中消失,但这种现象发生的间隔似乎会在一年之内不断变化。
  观察了几年之后,罗莫终于将这种现象与原因联系在了一起。当我们看见木卫一被木星挡住时,我们正处在地球公转轨道的某个位置上。但等几天后,我们再次看见木卫一被遮挡时,我们所在的位置已经和前几天稍有不同了,也许离木星近了些、或是远了些。如果我们离木星的距离比上次远,就意味着我们要多等一小段时间才能看到下一次遮挡,因为光线需要多走一段距离才能到达地球;反之也是同理。
  只有光速是有限的,才能解释木卫一被木星遮挡的时间间隔会不断变化的现象。
  在接下来的几个世纪里,人们开展的持续观测不断巩固了对光速的测量结果。但一直到19世纪中叶,物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在无意间“发明”了光,系统性理论才开始形成。
  在这期间,麦克斯韦计算了光中的特殊物质“电磁波”,而它传播速度得到的数据竟和科学家们几个世纪以来测得的光速数值相同。由此可见,光或许是由电磁波构成的。
  这个理论一直没遇到什么问题,直到几十年后,爱因斯坦意识到,光速其实和光毫无关系。他在研究狭义相对论时意识到了时间与空间之间存在某种关联,共同交织成了所谓的“时空”。
  当然,这个将时间与空间统一起来的基本常数并不知道什么是电磁波,也压根不在乎,毕竟它只是个数字而已。但麦克斯韦却在对此一无所知的情况下、提前算出了这个数字。这是因为所有无质量的粒子都能够以这个速度运动,既然光也没有质量,自然也能按这个速度传播。这样一来,光速便成为了现代物理学的一块重要基石。
  但为什么偏偏是这个数字呢?说到底,数字本身其实并不重要。毕竟它是有单位的:米/秒。在物理学中,任何带单位的数字都可以改变取值,因为我们首先要对它的单位进行定义。例如,要想以“米/秒”的形式表达光速,首先要决定“一米”和“一秒”究竟意味着什么。因此,对光速的定义是与对长度和时间的定义紧密相连的。
  在物理学中,我们更关注那些没有单位或维度的常数,即在物理理论中仅以数值形式存在的数。这些数字似乎要基本得多,因为它们不需要依赖任何定义。
  所谓的“精细结构常数”就是这样一个例子,它是光速、普朗克常数、以及自由空间磁导率的结合,约等于0.007。0.007后面没有单位,只是一个纯粹的数字。
  所以从一方面来看,光速可以取任何值,因为它自带单位。但从另一方面来看,光速又不能取其它值,因为这样一来,精细结构常数也得随之变化。但我们的宇宙选定的精细结构常数偏偏就是0.007,对此我们也无从改变。

(王 超)


  延伸阅读:
  木卫一也称为艾奥,是木星的四颗伽利略卫星中最靠近木星的一颗卫星,它的直径为3642公里,是太阳系第四大卫星。它的名字来自众神之王宙斯的恋人之一:艾奥,是赫拉的女祭司。

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