Tom, olisitko esittänyt kysymyksen "miksi valon nopeus on 1 ls / s" , jos sattuisimme mittaamaan etäisyyttä valosekunnissa ja aikaa sekunneissa?

Todellinen vastaus kysymykseesi on: valon nopeus on 1, jos mitat etäisyyden ja keston yhteensopivissa yksiköissä, ja se on mikä tahansa yksiköiden järjestelmäsi määrittelee sen olevan, jos otat käyttöön hankalampia yksiköitä. Toinen tapa selittää on, että nopeus - löyhästi puhuen - vastaa kulmaa avaruudessa. Ja kulmat ovat ulottumattomia.

Tiedän, että tätä ei pidetä tyydyttävänä vastauksena. Mutta se johtuu siitä, että kysyt väärän kysymyksen. Oikea kysymys on "miksi kaikki ympärillämme on niin hidasta? Miksi materiaalisten esineiden tyypillisesti kohtaamat nopeudet ovat noin 10 ^ -8?"

$ c $: n tietty arvo riippuu siitä, kuinka pitkä metri on ja kuinka pitkä on sekunti. Jos mittarit olisivat esimerkiksi pitempiä, valon nopeus olisi pienempi, vaikka valo olisi silti yhtä nopea. Tällä tavalla katsottuna fyysiset mittaukset ovat suhteita. Tässä tapauksessa se on valon nopeuden suhde melko mielivaltaiseen nopeuteen - metri sekunnissa.

Yksi metri sekunnissa on suunnilleen kävelynopeus. Joten kysymyksesi voidaan tulkita seuraavasti: "Miksi valon nopeus on kolmesataa miljoonaa kertaa nopeampi kuin kävelynopeus?"

Tämä kysymys on hyvin antroposentrinen. Kysymys on siitä, kuinka suuria olemme (kuinka monta atomia on kehossamme), kuinka paljon voimaa lihaksemme voivat käyttää (kemiallisiin reaktioihin liittyvä energia) ja kuinka vahvoja luut ja nivelsiteet ovat (materiaalien vahvuus).

Koska haluaisimme pysyä fysiikassa, on oivallaisempaa tarkastella valon nopeutta suhteena johonkin muuhun. Meidän pitäisi etsiä jotakin muuta luonnon asettamaa nopeutta ihmisen perustuvan nopeuden sijasta ja verrata valon nopeutta siihen.

Tyypillinen ehdokas on ottaa Planckin vakio $ \ hbar $ ja sähkövarauksen yksikkö $ e $. Nämä voidaan yhdistää nopeuden $ e ^ 2 / \ hbar = 2,2 * 10 ^ 6 m / s $ luomiseksi. (Joissakin yksikköjärjestelmissä sinun on sisällytettävä muita "vakioita", kuten vapaan tilan läpäisevyys yksiköiden muuntamiseksi.)

Tämä on karkeasti ottaen elektronin nopeus atomissa. Elektronin energialle on tunnusomaista $ E \ noin e ^ 2 / r $, jossa $ r $ on kiertoradan koko. Sen kulmamomentti tulee yksikköinä $ \ hbar $, joten $ L \ noin \ hbar \ noin mvr $. Viraalilauseen avulla voimme kirjoittaa energian muodossa $ E \ noin mv ^ 2 $. Näitä tosiasioita käyttämällä voimme etsiä tapaa arvioida nopeus. $ v = mv ^ 2 / mv \ lik. E / (L / r) \ noin (e ^ 2 / r) / (L / r) = e ^ 2 / L = e ^ 2 / \ hbar $.

Tämä "tyypillinen elektroninopeus" on noin $ \ frac {1} {140} c $. Suhteena $ e ^ 2 / \ hbar c \ approx \ frac {1} {140} $. Tätä kutsutaan hienorakenteen vakiona. On erittäin hyödyllistä tietää, koska se on numero, joka kuvaa sähkömagneettisen voiman luontaista voimaa.

Alkuperäisestä kysymyksestäsi tulee "miksi hieno rakenne on vakio $ \ frac {1} {140} $?" , tai "Miksi valon nopeus on 140 dollaria, kun se mitataan perusyksiköinä kvanttimekaniikasta ja sähkömagnetismista?" Sen lisäksi, että antropian periaate herätetään, en usko, että tähän kysymykseen olisi vastausta, ainakaan vielä. Fyysinen "kaiken teoria" saattaa toivoa johtavan hienorakenteen vakion jostakin perusideasta, mutta tätä ei ole vielä saavutettu, eikä tiedetä, tuleeko se koskaan.

Luonto loi valon nopeuden yhdeksi, numeroksi, jonka kertolasku ei vaikuta mihinkään. Mutta alkeelliset ihmiset, jotka asuivat avaruudessa ja liikkuivat paljon pienemmillä nopeuksilla kuin $ c = 1 $ - avaruusaikojen pieniä kulmia pitkin - eivät voineet nähdä, että heidän nopeutensa olivat erityisiä murto-osia maksiminopeudesta. Ihmiskunta pysyi alkeellisena vuoteen 1905 asti, jolloin Albert Einstein muutti tarinaa (Hermann Minkowskin markkinointiavustuksella vuonna 1908).

Joten vaikka tila ja aika ovat pohjimmiltaan sama määrä eri suuntiin mitattuna, ihmiset valitsi eri pituuden ja keston yksiköt. Jotkut tietyt ihmiset valitsivat 1/24/3600 $ aurinkopäivästä, koska 60 dollarin ja 12 dollarin voimat jne. Olivat melko suosittuja - paljon satunnaista sotkuista historiaa matemaattisissa sopimuksissa. He kutsuivat yksiköitä sekunniksi.

Muut ihmiset valitsivat metrin metriksi 1/40 000 000 dollaria meridiaanin ympärysmitasta.

Noissa satunnaisesti valituissa etäisyys- ja aikayksiköissä - jotka olivat hienostunut, tarkemmin sanottuna, erityyppisten säteilyjaksojen lukumäärään - valonopeus $ c = 1 $ olisi voitu kirjoittaa arvoon 299 792 458 $ m / s. Ainakin mittauksista tuli riittävän tarkkoja, jotta yhden metrin määritelmää muutettiin 1980-luvulla pitämään valon nopeus näissä yksiköissä ainakin vakiona. Joten kirjoittamani nopeus on määritelmän mukaan nyt todella tarkka.

Relativististen teorioiden parissa työskentelevät aikuiset fyysikot käyttävät yksiköitä, joissa $ c = 1 $. Vastaavasti aikuisten kvanttifyysikot käyttävät yksiköitä, joissa on $ \ hbar = 1 $, $ k_B = 1 $ ja joskus $ G = 1 $, kun he tutkivat yleistä suhteellisuutta (tai kvanttigravitaatiota).

Yhteenvetona: universaalivakioiden numeerisella koolla ei ole mitään tekemistä perusfysiikan kanssa - kyse on ihmisen käytännöistä (yksiköistä).

Ystävällisin terveisinLuboš

No, tällä hetkellä valon nopeus on määritelty tarkaksi luvuksi, toinen määritetään cesiumin elektronisiirtymäaikojen perusteella ja $ c $ metrit on määritelty $ c \ kertaa \ left (1 \, s \ oikea) $. Joten tosi vastaus tähän on, että määritimme sen niin. Luulen, että varovaisempi vastaus olisi, että kemia tapahtuu hyvin matalilla energioilla verrattuna tyypillisiin relativistisiin energioihin. Koska energiat ovat vähäisiä, tämä tarkoittaa, että jokapäiväisen elämän perusajat ovat huomattavasti pidempiä (suhteellisuustekijöinä) kuin perustavanlaatuiset asteikot. $ c $ kertoo kuinka muuntaa se yhdestä toiseen.

Monista vastauksista näyttää siltä, ​​että heiltä puuttuu kysymys, joka on (mielestäni), miksi fotonit kulkevat valon nopeudella c toisin kuin muut nopeudet. Toisin sanoen, kun otetaan huomioon mittarin määritelmä "näin pitkäksi kepiksi", miksi valo vie tietyn ajan sen matkan ylittämiseen.

Vastaus on, että on olemassa asetettu nopeus, jolla kaikki massattomat hiukkaset kulkevat, kuten fotoni, ja että nopeus c on universumimme perusominaisuus. Aina kun fyysikko sanoo, että jokin on perustavanlaatuista, se tarkoittaa, ettei hän tiedä miksi, se vain on.

Ollakseni oikeudenmukainen, voit selittää, miksi c on merkittävä, vetoomalla suhteellisuusteoriaan, tapaan, jolla mittaamme ajan kulkemista, määrittelemällä yksiköt, joita käytämme mittauksessa jne. taso, c on annettu, jotain, joka liitetään yhtälöihin, ei jotain, joka saadaan niistä. Se on valon (ja minkä tahansa massattoman hiukkasen) ominaisuus, mutta sen löytämiseksi meidän on tarkkailtava maailmankaikkeutta.

Lisähuomautuksena valon nopeuden määrittämiseen käytettävät kokeet eivät ole. ei ole erityisen epäselvä. On useita. Kumpi antoi ensimmäisen tarkan vastauksen, on ehkä joissakin kiistoissa, mutta mittauksen tekeminen ei ole kiistakysymys.

Valon nopeus ("$ c $") on oikeastaan ​​muuntokerroin, joka muuntaa avaruusetäisyydet aikakestoiksi. Se on osa aika-ajan geometriaa ja erityisesti sitä käytetään laskemaan invariantti äärettömän pieni oikea aika, joka Minkowskin tasaisessa aika-ajassa annetaan tällä kaavalla:

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

Kaikille hiukkasille tai esineille, joiden lepomassa on nollasta poikkeava, oikea aika on invariantti että kaikki tarkkailijat ovat yhtä mieltä ja tämä arvo on sopusoinnussa massiivisen hiukkasen tai esineen kuljettaman kellon tallentaman ajan kanssa. Joten tämä on vakion "$ c $" todellinen merkitys - se on muuntokerroin avaruuden ja ajan välillä 4-ulotteisessa aika-ajan geometriassa.

Erikoissuhteellisuustason mukaan massattoman hiukkasen on on aina 0 oikea aika ($ d \ tau ^ 2 = 0 $), mikä tarkoittaa:

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

ja siksi

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

mikä tarkoittaa, että massattomien hiukkasten on aina kuljettava nopeudella "$ c $". Joten "$ c $" on todella massattomien hiukkasten nopeus. Ilmeisin ja tunnetuin massaton hiukkanen on fotoni - sähkömagneettisen kentän kvantti. Siksi "$ c $" on valon nopeus.

Teoreettisesti gravitonit olisivat myös massattomia, joten ne matkustaisivat myös nopeudella "$ c $". Pitkän ajan neutriinojen uskottiin olevan massattomia, joten ne olisivat myös matkustaneet nopeudella "$ c $", mutta nyt tiedetään, että ainakin kahdella ja luultavasti kaikilla kolmella neutriinotyypillä on hyvin pieni massa, mutta ei nolla. nollasta poikkeavien neutriinojen olisi kuljettava alle "$ c $".

Valon nopeus on siis todellakin kaikkien massattomien hiukkasten nopeus ja se on todellakin muuntokerroin avaruuden välillä ja aika.

Viime kädessä vastaus on, että emme tiedä . Samanaikaisesti emme tiedä, voimmeko koskaan tietää, miksi se on tällä tavalla.

Olemme mitanneet $ c $ suhteessa yksikköjärjestelmään, jonka me ihmiset olemme suunnitelleet ¹ , mutta emme tiedä onko sille syytä ottaa kyseinen arvo; se yksinkertaisesti on mitä se on.

^{1 Määritelimme valon nopeuden vakiona vuonna 1983, joten teknisesti mittari ja sekunti määritetään arvosta $ c $, ei päinvastoin, kuten olen ehdottanut täällä.}

Valon nopeus ei ole mielivaltainen. Voit laskea pienten häiriöiden etenemisnopeuden Maxwellin yhtälöiden avulla, joka antaa $ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}} $. Joten kun nämä vakioihin on kiinteät, niin on myös valon nopeus

c on vain universumimme perusominaisuus, tiedon etenemisen suurin nopeus; silti määriteltiin tarkalleen 299792458m / s mittarin määrittelemiseksi.

Oletetaan, että on olemassa SuperEarth, jonka kaupunki on SuperParis. Tässä kaupungissa asukkaat pitävät rautatankoa, jossa on kaksi merkkiä. Tätä etäisyyttä kutsutaan supermeteriksi, se on pituuden perusyksikkö ylemmällä pinnalla.

Jos nämä ihmiset käyttävät puhtaalla sattumalla samaa aikayksikköä kuin ihmiset ja jos puhtaalla sattumalla yksi supermeter olisi 299792458m täällä maan päällä. - mikä on valon nopeus superihmisille?

Valon nopeus on vain muuntokerroin koordinaattisuunnasta toiseen. Oikea yksikkö on "yksi" tai $ 1.0ly / y $ ja niin edelleen. Nyt sillä on tämä hauska yksikköjoukko cgs: ssä ja niin edelleen. Jos kuitenkin väität, että valon nopeus voi olla erilainen näissä yksiköissä, Planckin yksiköt, kuten $ \ ell ~ = ~ \ sqrt {G \ hbar / c ^ 3} $, skaalautuvat kaikki vastaavasti ja sen seurauksena niin tekisivät sauvat ja kellot. Tämä tekisi uudelleenmittauksen täysin huomaamattomaksi.

Miksi $ c ~ = ~ 299,792,458m / s $ liittyy muuhun luonnon vakioon, kuten protonin massaan ja niin edelleen. Mitataan valon nopeus fyysisten esineiden mukaan, ja sillä on tämä suuri arvo sauvojen fyysisten mittojen vuoksi, joka riippuu Bohrin säteestä, joka puolestaan ​​riippuu elektronien massasta ja niin edelleen. Valon nopeus on niin suuri, osittain koska painovoima on hyvin heikkoa, ja tämä liittyy todella siihen tosiasiaan, että alkeishiukkasilla on vähän massaa verrattuna Planckin massaan. Jos tätä suurta eroa ei ollut, valon nopeuden luonnollinen yksikkö on yksi Planckin pituus Planckin aikaa kohti, mikä on vain yhtenäisyyttä.

Valon nopeus on aika-ajan ominaisuus, jolla on Minkowski-metriikka, mikä tarkoittaa, että sillä on tyhjä tila, joka avaa tilan ja ajan muuttumattomaksi nopeudeksi. Voidaan tarkastella David Hestenesin "Aika-aika-algebra" -kirjaa ja useita hänen julkaisujaan tai vierailla Geometrisen algebran (eli Clifford-algebran) sivustolla. Aika-ajan geometria on läpäisemätön mittayksiköille - mikä kelluu veneessäsi. Yksi ammattilainen käytti pitkäkestoisia viikossa.

Valon nopeus voi itse asiassa olla erilainen eri medioissa, esimerkiksi se on suurempi kuin $ c $ Casimir-tyhjiössä ja pienempi kuin $ c $ kiinteässä väliaineessa.

Näyttää todelliselta Kysymys tässä on, miksi valonopeus tasaisessa tyhjiössä on suurin nopeus, jolla tietoa voidaan siirtää.

Tämä tulee erityisestä suhteellisuusteoriasta, jossa osoitettiin, että jos FTL-tiedonsiirtoa tapahtui, onnettomuus paradoksi ilmestyisi. Tämä johtuu siitä, että $ c $ käytetään Lorentz-muunnoksissa.

Ja nyt syntyy luonnollisesti uusi kysymys, miksi juuri suhteellisuusteoria käyttää $ c $: ta Lorentz-muunnoksissaan minkään muun nopeuden sijaan. Tämä johtuu ajatuksesta, että kaikkien inertiakehysten tulisi olla erottamattomia: kaikkien sähkömagneettisten, mekaanisten tai gravitaatioprosessien nopeuksien tulisi muuttua samalla tavalla viitekehystä vaihdettaessa. Jos sähköiset prosessit muuttuvat yhdellä tavalla ja sanovat gravitaatio toisella tavalla, voimme määrittää, olemmeko liikkuvassa vai paikallaan olevassa kehyksessä.

Tästä seuraa, että kaikkien perustavanlaatuisten vuorovaikutusten tulisi levitä samalla nopeudella, jotta tämä kriteeri voidaan täyttää.

Joten oikeastaan, jos jossain on olemassa väliaine, jossa valon nopeus on suurempi tai pienempi kuin c, niin sellaisessa väliaineessa on mahdollista määrittää, onko annettu kehys ehdottomasti liikkuva vai paikallaan suhteessa väliaineeseen. Tällaisella väliaineella ei ole tyhjömme pääominaisuuksia, mikä erottaa sen Eteristä: ettei siinä ole liikkumista (ilman kiihdytystä) ja lepoa.

Kuten Kyle Kanos sanoi vastauksessaan, tiedämme vain se on siellä . Se lasketaan teoreettisesti ja yhdistettynä kokeellisiin todisteisiin hyväksytään vain, että valon nopeus on $ c = 3x 10 ^ 8 \ frac {m} {s} $.

Näet, että aina odotamme kaiken olevan niin kuin pidämme. Haluamme hallita kaikkea ympärillämme, jopa luontoa. Luontainen käsityksemme on, että meillä on keskeinen, etuoikeutettu asema kaikessa, mitä teemme, suhteista yrityksiin ja ymmärtämään maailmankaikkeutta. Todellisuus on, että olemme kaikkea muuta kuin etuoikeutettuja. Tiede on toistuvasti hajottanut tämän väärinkäsityksemme, mutta pidämme silti kiinni egosta. Ehdotan, että katsot Carl Saganin kuuluisan puheen Vaaleansininen piste , joka tuo tämän viestin niin voimakkaasti esiin.

Tällaisessa tapauksessa on mielestäni erittäin epäoikeudenmukaista odottaa, että valon nopeudella on jokin muu arvo, joka vetoaa meihin, paitsi $ c $, yleinen nopeusrajoitus. Sinun tapauksessasi ei ole kysymys siitä, miksi valon nopeudella on tietty arvo, vaan siitä, miksi mielestämme sen ei pidä olla niin.

c: llä on yksilöllinen numeerinen arvo missä tahansa yksikössä (esim. m / s, mailia / tunti tai pitkät / kahden viikon välein), joka muuntaa nopeuden oikein $ \ phi $ -radiaaneiksi tehostaaksesi Lorentzia Ryhmä, jossa $ \ phi $ kutsutaan Lorentz Boost -parametriksi. $$ v / c = tanh (\ phi) $$ Tietyn tehostuksen radiaaneja ei ole satunnainen, koska tehostukset eivät liiku. Kohdalle $ \ phi << 1 $ seuraava on totta: $$ [xBoost (\ phi), yBoost (\ phi)] = zRotation (\ phi ^ 2) $$ Jos et käytä c: n oikeaa arvoa nosta nopeutta v arvoon $ \ phi $ radiaaneja, niin et laske oikein $ \ phi ^ 2 $ pyörimisradiaaneja, jotka näkyvät kokeellisesti. Niin kauan kuin Boostit ovat Lorentz-ryhmän elementtejä, c: llä on ainutlaatuinen numeerinen arvo jokaiselle yksikkövalinnalle. C: n arvo ei ole erilainen toisessa maailmankaikkeudessa, sitä ei ole asettanut Jumala, eikä kongressi voi asettaa sitä satunnaisesti.

C on jossain mielessä artefakti siitä, kuinka mitataan nopeukseksi kutsuttu asia tikut ja punkit. Jos kauan menisi, pystyisimme havaitsemaan nopeuden suoraan $ \ phi $ -radiaaneissa, esimerkiksi näkemällä murto-osan tai ajan supistumisen, joka $ = cosh (\ phi) $, niin emme koskaan puhu v: stä tai c: stä.

Miksi valon nopeus tyhjiössä, ts. signaalin etunopeus, $ c $, antaa tarkan arvon 299'792'458 ~ \ text {m / s} $?

Tämä johtuu SI-järjestelmän yksikön "meter ($ \ text {m} $)" määritelmästä, yhteys yksikön "second ($ \ text {s} $)" määritelmään. ; cmp. http://www.bipm.org/fi/publications/si-brochure/metre.html ja http://www.bipm.org/fi/publications/si-brochure/ second.html.

Epäilemättä "mittarin ($ \ text {m} $)" määritelmä "pituusyksikkönä" toteuttaa kronometrisen etäisyyden määrityksen

$$ \ text {Etäisyys} [\, A, B \,]: = c / 2 \, \, \ text {Pingin kesto} \ tau A [\, \ _ \ text {ray_leaves}, \ _ \ text { näki, että} B \ text {näki, että A_ray_leaves} \,], $$ (cmp. Einstein 1905),
sillä ehdolla, että kahden "pään" $ A $ ja $ B $ ping-kestot pysyivät yhtä suurina (erikseen) ja vakioina (toistensa suhteen); jossa symboli $ c $ otetaan käyttöön nollasta poikkeavana, lopullisena ulottuvuustekijänä.

c: n arvo ei ole mielivaltainen, mutta sillä on valtava merkitys.E = mc ^ 2 antaa esimerkiksi 4 vetyatomin ja helium4: n välisen energiaeron, jonka avulla voimme ymmärtää, miten alkuaineiden jaksollinen taulukko rakennetaan.

Mitataan suhteita paikalliseen ympäristöön kuuluvien esineiden välillä. Hallitsijamme perustuvat atomiominaisuuksiin.

c on avaruuden ominaisuus tai, kuten yllä mainittiin, on maailmankaikkeuden omaisuus, ei valon, koska olen samaa mieltä Israel Perezin kanssa siitä, että aine ja avaruus ovat saman yksikön eri ilmauksia Spinozan (etiikka) mukaisesti.

c on suhde, suhde pituuden ja aikavälien välillä. Jos tarkistat määritelmät aika- ja pituusyksiköissä, käy selväksi, että niitä ei ole määritelty itsenäisesti, toinen määritetään toisen avulla. Sitten on pääteltävä, että c on todella perusominaisuus, joka ilmaisee, kuinka häiriöt voivat kehittyä avaruudessa.

Samanlaista käyttäytymistä tarkkaillaan järven aalloilla. Se on väliaineen ominaisuus (tyhjiö, kenttä, eetteri, avaruus, ... monet nimet)

Tämä selittää, miksi valo etenee aina samalla tavalla lähteen tai vastaanottimen liikkeestä riippumatta.

Tietoja c: n arvon arvosta:

Luulen, että voimme mitata vain kaksisuuntaista valonopeutta, ei yksisuuntaista (kuten Poincaré). Mitataan vain suhde (L / T) ja tämä on absoluuttinen vakio.

Oletetaan, että tässä maailmassa (tai kaukaisessa menneisyydessä) atomilla on kaksinkertainen määrä paikallisten atomiemme koosta, sitten suhteen L / T on oltava sama, ja fyysiset lait pysyvät muuttumattomina, (elektronien kuluminen paikalliseen aikaan verrattuna kestää kauemmin protonin ympärillä ja emittoitunut valo vähenee :-)

Emme tee mitään absoluuttista mittausta pituuksista tai ajasta kestot. Pohjimmiltaan emme voi tehdä sitä toisella tavalla.

Voit todistaa Maxwellin yhtälöistä, että valon nopeus on: $ c = \ sqrt {\ frac {1} {\ epsilon_0 \ mu_0}} $. Missä $ ϵ_0 $ (tyhjiöläpäisevyys) ja $ μ_0 $ (tyhjiön läpäisevyys) ovat molemmat vakiot.

Jos haluat ymmärtää täysin tämän yhtälön toiminnan, suosittelen, että luet tämän todistuksen: Maxwell's yhtälöt ennustavat, että valon nopeus on vakio.