为什么光速是每秒30万km而不是35万?是什么限制了光的速度?
光的本质是什么?就是电磁波,电磁波从红外线一直到可见光,紫外线,伽马射线都是电磁波,都是光,我们听收音机的电磁波也是光,不过他们是红外线,我们看不到。
所谓电磁波,就是电和磁,相互转换,变化的电场形成了变化的磁场,变化的磁场又形成了变化的电场,光的传播就是在电场磁场相互转化着把能量传播出去了。
宇宙大爆炸,形成了我们目前看到的这么一个宇宙,现在这个宇宙正在一些法则和规矩下运行,这个宇宙空间大部分是真空的,光在真空中转播,必然受到真空物理法则的制约。宇宙真空两个物理量决定了光的速度,决定了电磁转化速度,这两个物理量就是真空介电常数和真空磁导率,而这两个物理量都是常数,这就决定了真空中光速就是常数。依据麦克斯韦方程组,带入这两个常数数值,可以推出光速就是每秒三十万公里,这也决定了光速真空中永恒不变。
这个问题不够大胆,应该问,为什么光速不是无限快?
因为无论光速是30万还是35万,都还是可以继续问,为啥不是40万公里云云。此外,还有一个注意事项,公里有多长也只是一个人为规定,如果换一种规定,光速的数字可能更大也可能更小,比如在欧美国家常用的英制单位,英里。1英里=1.6公里左右,如果用英里来表示光速那就连30万都没有了,大概只有 186,282英里/秒。
在地球上,我们觉得光速近乎是无限快的,但在浩瀚的宇宙中,光速就像乌龟爬一样缓慢,就拿最近最火爆的人类首张黑洞照片来说,这张照片拍摄的是远离地球或者太阳系大约5500万光年外的一个超巨型黑洞(65亿太阳质量),它位于M87星系的中心,5500万光年是啥意思,意思是我们看到的其实是这个黑洞5500万年前的样子!
图示:严格地说我们看不到黑洞,我们看到的是聚集在这个黑洞周围旋转的气体,它们围绕黑洞快速旋转,在摩擦中产生出大量电磁波。
光速在宇宙尺度下到底有多慢呢?
有天文学家用了这样一个类比,假设把可观察宇宙(960亿光年)缩小到地球那么大,那么穿越整个银河系,也就大致相当于沿着街区走过三间房子的距离去探望你的邻居。然而,光竟然要走10万年时间才能完成这趟探望之旅!因为银河系的长度大约为10万光年,所以需要走10万年。
现在我们转向更紧迫和困难的问题:为什么光速这么慢?
答案是,我们不知道为什么它这么慢,至少到目前为止,我们不知道答案。但是,理论物理学家Gennaro Tedesco 提供了一个有趣的想法:虽然,我们生存的宇宙中,光速以现在这样的速度传播,看起来并没有任何道理或者限制着它不能更快,但目前为止它就只有这么快。
但让我们假设一下,如果光速提高1000倍会如何?
通过计算机模拟发现,这将意味着我们的电子产品的运行速度会因此更快,但同时也意味着我们的太阳将以比现在快得多的速度燃烧,快多少呢?快一百万倍,这意味着,地球会被烤焦,而太阳的寿命也将因此大幅度缩短。简单地说,目前的太阳系是非常不适合生命诞生的地方。
图示:质量,能量和光速,通过爱因斯坦著名的质能方程关联在一起,所以光速的变化会带来宇宙的动荡。
这项研究顺便回答了我上面的那个假设,如果光速无限快会怎么样?
那么整个宇宙都将因此崩溃无法成行,没有恒星没有行星,没有我们所熟悉的宇宙。
至于光速提高1000倍后,什么样的太阳系才适合诞生生命呢?
我们现在也不是非常清楚这件事,很可能将不存在能够诞生生命的太阳系。这大概就是为什么我们生存在光速为大约30万公里每秒的宇宙中的原因。聪明的您可能看出来了,我在用人择原理解释这个问题,换句话说,如果光速发生巨变,那么我所熟悉的宇宙和生命可能也就消失不见,也就不会有人来问,为啥光速是30万而不是35万这样的问题了。:)
当然,这样的回答有点像耍无赖,并且隐约指向上帝创世,因此有人提出了多重宇宙假说,在不同的宇宙中自然常数也不同,这其中自然也包括光速,可惜我们无法知道, 在一个光速巨慢或者巨快的宇宙,究竟是啥样子,毕竟我们现在的超级计算机模拟乃至我们对宇宙本身的了解还不够多不够深入彻底。
注释:人择原理
人择原理有多个版本,有强弱之别。据说最初它的表述是“ 自然定律惊人地适合生命的存在! ”,这其中就暗含着光速,因为光速在多个物理公式中都是重要参数,比如著名的E = MC^2,
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世间万物的道理,都是相通的。所以,研究光速不变现象,可以借鉴赤脚划水运动。
速度可以使水承载人体的重量。于是,人借助摩托艇 的速度,站在了水面上。
问题是,摩托艇的速度,与人体的重量和水的比重,都有何关系呢?
首先,体重与速度成正比关系,体重越大,则要求的速度也越快。作为反例,有许多昆虫可以借助脚上的绒毛,轻而易举地站在了水面上。
其次,水的密度与速度成反比关系,河水比海水 需要更高的速度,才能够使人在水面上滑行。
我们的宇宙是一个有机的整体,存在着作为物理对象的物体和作为物理背景的空间。此外,由于普朗克常数h的普遍存在,意味着宇宙中存在着不可再分的最小粒子即量子。正是这些量子,构成了宇宙的物理背景——量子空间。
所以,在宇宙中的任何物体都具有两种能量形式。其一,是相对于自身的动能;其二,是相对于空间的势能。
由于光子的质量非常小,以至于光子的动能远小于其相对于空间的势能。于是,光子的能量主要是相对于空间的势能,相对于空间具有速度不变性。所以,光速是光子维持其空间势能的速度。
于是,类似赤脚划水运动,光速与光子的能量成正向关系,能量越大则速度也就越大。此外,光速与量子空间的密度成反向关系,空间密度越小,则需要维持光子相对于空间势能的速度即光速也就越大。
如何空间的密度无限小,则光子就成为了经典的自由粒子,其能量完全以动能的的形式存在,表现为速度可变且处于最大值。
总之,光速并不是自然的常数,而仅只是一个间接地描述宇宙演化的参变量。随着宇宙的膨胀,宇宙内部量子空间的密度在不断地下降,光速则会相应地不断增大。目前的每秒30万公里的速度,主要是由空间的量子密度决定的。确切地说,目前的光速是宇宙膨胀的结果。
至于光子的能量,虽然也会影响到光速的大小。但是,由于光子的质量太小,使不同能量的速度差远小于它们的速度,表现出光速的相对不变性,从而可以忽略不计能量对光速的影响。