根據(jù)現(xiàn)有的理論,光在真空中的傳播速度是宇宙中最快的局域速度,其數(shù)值為299792458米/秒。真空光速的數(shù)值是人為定義的,其小數(shù)位后面都是0。既然光速是定義的,那么,為什么不取整為3億米/秒呢?
這個(gè)問題涉及到了人類對光速的認(rèn)識(shí)和測量過程。光速最初被普遍認(rèn)為是沒有上限的,因?yàn)橹灰话l(fā)光,就能瞬間照亮周圍,并且瞬間被遠(yuǎn)方的人看到。伽利略對此表示懷疑,他試圖用實(shí)驗(yàn)來測量光速,但結(jié)果失敗了。伽利略意識(shí)到,如果光速不是無限的,那么,這個(gè)速度必然會(huì)快到極致。
光速的測量
在伽利略之后,天文學(xué)家奧勒·羅默通過木衛(wèi)一的星蝕現(xiàn)象,首次確認(rèn)了光速是有上限的。此后,惠根斯基于羅默的數(shù)據(jù)算出了光速為22萬公里/秒。雖然這個(gè)數(shù)值要比實(shí)際低了一些,但這開啟了人類測量光速的大門。
隨著科技的發(fā)展,物理學(xué)家相繼提出了飛行時(shí)間法、諧振腔法、激光干涉法等一系列方法來測量光速,使得光速的測量精度變得越來越高。例如,通過飛行時(shí)間法測出的光速為29.8萬公里/秒,通過諧振腔法測出的光速為299792.5公里/秒,通過激光干涉法測出的光速為299792456.2米/秒。
光速的不確定性
到了上個(gè)世紀(jì)70年代,光速測量值的不確定度已經(jīng)變得非常低,來自儀器的不確定性已經(jīng)非常小。但有一個(gè)因素始終會(huì)影響光速的測量值,那就是1米的長度。
此前,人們用米原器來對1米的長度進(jìn)行定義。米原器是一根鉑銥合金,想要精確測量其長度極為困難。而且隨著時(shí)間的推移,米原器本身也會(huì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致1米的標(biāo)準(zhǔn)長度存在不確定性,這也使得光速測量值的不確定性始終無法消除。
基于米原器的標(biāo)準(zhǔn),光速已經(jīng)測量到足夠精確的地步。并且考慮到光速非常特殊,因?yàn)楦鶕?jù)麥克斯韋的電磁理論,這個(gè)速度是一個(gè)與參照系選擇無關(guān)的速度。于是,科學(xué)家就想把光速定義成一個(gè)確定的數(shù)值,這樣反過來再用光速來定義長度單位。
那么,光速定義為多少才是合適的呢?
由于光速的大小會(huì)決定1米的標(biāo)準(zhǔn)長度,而在現(xiàn)實(shí)中很多參數(shù)都與1米的標(biāo)準(zhǔn)長度有關(guān),所以光速的選擇不能讓1米的標(biāo)準(zhǔn)長度發(fā)生可測的變化,以免影響到已有的參數(shù)。
因此,根據(jù)此前光速的測量值,科學(xué)家把光速確定為299792458米/秒?;诖耍庠谡婵罩星斑M(jìn)1/299792458秒的距離就是1米的標(biāo)準(zhǔn)長度。這種改變只是讓米的定義變得更加精確,但不會(huì)影響到此前的參數(shù)。如果把光速定義為3億米/秒,1米的標(biāo)準(zhǔn)長度會(huì)出現(xiàn)將近0.07_的偏差,從而影響到那些與長度有關(guān)的參數(shù)。