【原】在所有参考系中，光速都恒定吗？

天文在线 2023-04-08 发布于云南

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简单来说，这取决于测量者，在真空中只有当人在旁测量时，光速能保证达到299,792,458 m/s。但是，我们要通过考虑它的各种含义来解答这个问题。

光速在空气或水中会发生变化吗？

会的。在透明介质（例如空气，水和玻璃）中，光会变慢。它减慢的比率称为介质的折射率，通常大于1。这是傅科在1850年发现这一点的。

当人们讨论“光速”时，是指真空中的光速，通常还表示在惯性坐标系中测得的速度。该真空惯性速度表示为c。

在真空惯性系中光速是恒定的吗？

在1983年国际度量衡会议上，采用了以下SI（国际单位制）定义：

光在真空中行进1/299 792 458秒的距离为一标准米。

定义真空中的光速为299,792,458 m/s。不过它没有提及有关惯性系的任何内容，但可以认为其中的测量是隐含有惯性系的。

但这还没有结束，国际单位制是基于非常实际的考虑。它是根据当今已知最精确的测量技术采用的定义，并且会不断对其进行修订。目前，你可以通过发出激光脉冲并使用非常精确的原子钟来计算它们的传播时间，从而最精确地测量宏观距离。（最好的原子钟能精确到大约10^13分之一）因此以这种方式定义单位米是合理的，可以将误差最小化。

图解：50亿年不会走偏的锶晶格原子钟

国际单位制对物理定律做出了某些假设。例如假设光子是无质量粒子。如果光子是有静止质量的，那么对米的定义将变得毫无意义，因为光速会随其波长而变化。国际单位制委员会不能仅仅将其定义为常数，取而代之的是，他们必须通过说明使用哪种颜色的光来确定米的定义。实验表明，光子的质量如果不为零，则必须很小在可预见的将来，用光子来定义米是没有任何实际意义的因为它的静止质量太小，但是即使目前公认的理论表明光子的质量是零，也不能证明它是正好为零。但如果质量不为零，则光速将不会恒定，从理论上讲，我们将c设为真空中光速的上限，这样我们就可以继续考究c是否为恒定常数。

国际单位制还假设无论在不同的惯性系中进行测量，得出的光速结果也会相同。这实际上是狭义相对论的一个假设，如下所述。

图解：爱因斯坦提出的狭义相对论质能方程

先前，已根据时间的测量技术以各种不同的方式定义了米和秒。但是将来他们可能会再次改变。如果回头看一下1939年，定义秒为平均太阳日的1 / 86,400，长度米是法国的一根铂铱合金尺上的两端刻线记号之间的距离。现在我们知道，用原子钟测量的平均太阳日的长度是有变化的，标准时间是要通过不时增加或减去闰秒来调整。由于地球，太阳和月球之间的潮汐力，地球自转的整体速度每年还会降低约1 / 100,000秒。金属收缩也可能会导致长度变化，标准米偏差会更大。最终结果是，当时以m / s为单位的光速值正在缓慢变化。显然，将这些变化归因于计量单位的变化比归因于光速本身的变化更合理，但是出于同样的原因，光速现在是恒定的只是因为国际单位制的将其数值定义为常数。

但国际单位制的定义强调了一点，那就是在回答我们的问题之前，我们首先需要非常清楚我们所说的光速恒定是什么意思。当我们测量光速c时，我们必须说明我们将用什么作为我们的标准尺和标准钟。原则上，我们可以通过基于实验室实验的测量值与通过天文观测得到的结果是截然不同的。（最早的光速测量方法之一来自于1676年奥勒·罗默观测到的木星卫星日食时间的变化。）例如，我们可以把1967年到1983年间的定义作为例子。在那时，一米的定义为氪-86光谱的橘红色光在真空中的165076373倍，秒被定义为（和现在一样）铯—133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期持续的时间。与之前的定义不同，这些定义依赖于在任何时间、任何地点都适用的绝对物理量。所以我们能从这些单位中知道光速是否恒定吗？

图解：奥勒·罗默使用望远镜研究木星的卫星艾欧的运动，第一次定量的估计出光速。

原子的量子理论告诉我们，频率和波长主要取决于普朗克常数、电子电荷、电子和核子的质量以及光速。通过从参数中剔除单元的维数，我们可以得到一些无量纲的量，如精细结构常数和电子与质子的质量比。这些值的定义独立于它们的单位，因此去考究这些值是否发生变化更有意义。如果它们的值真的改变了，不仅仅是光速受到了影响。所有涉及化学方面的都取决于它们的值，而显著的变化会改变所有物质的化学性质和机械性质。此外，光速本身也会因为使用单位的定义的不同而有所变化。在这种情况下，将这些变化归因于电子或粒子质量上电荷的变化比归因于光速的变化更合理。