光速到底是一个近似值,还是一个精确值?

作者: 汪诘

来源: 科学有故事

发布日期: 2024-08-22

本文探讨了光速作为精确值的原因,以及科学测量和认识的深层次问题。通过历史和现代科学的发展,说明了光速如何从一个近似值转变为精确值,并介绍了量纲分析在科学研究中的重要性。此外,文章还讨论了量子力学中的测不准原理和科学对世界的认知边界。

光速到底是一个近似值,还是一个精确值?这个问题看似简单,但实际上涉及了科学测量和认识的深层次问题。大多数人的第一感觉可能会认为光速是一个近似值,因为日常生活中的测量都存在误差。然而,光速实际上是一个精确值,即299792.458千米/秒。这个数值之所以精确,是因为它是由科学界定义出来的。

历史上,第一个在实验室测量出光速的人是法国人菲索,他使用齿轮测量法得出的数值约为31.5万千米/秒。在菲索的时代,米和秒的定义都存在系统误差和测量误差,因此当时的光速值是一个近似值。然而,随着科学的发展,科学家们认识到光速是一个固定值,不依赖于参考系。因此,1983年国际计量大会决定将1米的定义修改为光在1/299792458秒内走过的距离,从而使得光速成为一个定义值。

此外,科学活动中使用的各种计量单位,如米、秒、千克等,都有其基本单位的定义。例如,1焦耳等于施加1牛顿作用力经过1米距离所需的能量,而1牛顿等于使质量1千克的物体加速度为1米/秒²时所需的力。这些基本单位的定义和组合构成了量纲分析的基础。

量纲分析在科学研究中非常重要,能够帮助科学家判断一个理论是否自洽。科学理论中的所有概念都必须是可测量的,并且可以用最基本的国际单位或其组合来表示。这一标准区分了科学理论和非科学理论。

在量子力学中,测不准原理表明有些物理量无法同时测准,如位置和速度。量子在没有被测量之前处于叠加态,因此讨论其状态没有意义。科学家们认识到,在量子世界中,不存在客观真值的概念,只有测量真值。测量真值与测量方式相关,不同的测量方式有不同的测量真值。

科学对世界的认识受到测量能力的局限,在测量的量程范围之外,是科学所能认知的边界。科学不断扩展这个边界,但如果量程不能无限扩展,那么科学对世界的认识也有一个极值。

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