Warum ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum so hoch wie sie ist?

Die Lichtgeschwindigkeit kann aus der einfachen klassischen Mechanik unter Verwendung der Gleichungen von Maxwell abgeleitet werden. Diese Seite bietet eine solche Ableitung unter Verwendung einer einfachen Vektorrechnung. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist zu sehen

Die Antwort auf den zweiten Teil Ihrer Frage, warum diese Geschwindigkeit das Tempolimit für alle Massen zu sein scheint, ergibt sich aus Einsteins spezieller Relativitätstheorie. Er lieferte eine Gleichung, die die bewegte (relativistische) Masse eines Körpers mit seiner Ruhemasse in Beziehung setzt. Die Gleichung sagte voraus, dass die Masse eines Körpers, der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, wie sie von einem Beobachter in einem Inertialsystem beobachtet wird, unendlich sein würde. Offensichtlich bedeutet dies, dass Objekte unendliche Arbeit erfordern würden. Dies gilt nicht für masselose Objekte.

Erstens wissen wir nicht, warum die Lichtgeschwindigkeit so ist, wie sie ist. Natürlich hängt sein Zahlenwert vom jeweiligen Einheitensystem ab, aber die grundlegende Tatsache bleibt, dass Licht eine bestimmte Geschwindigkeit hat, und das können wir nicht weiter erklären. Dies ist ähnlich wie bei anderen physikalischen Konstanten wie z$\hbar$Und$G$. Dimensionslose Konstanten wie z$\alpha$, die Feinstrukturkonstante, sind interessanter, weil sie unabhängig von den Einheiten sind, aber wir wissen immer noch nicht, warum sie die Werte haben, die sie haben.

(Über die Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit ein Umrechnungsfaktor zwischen Raum und Zeit ist und durch geeignete Wahl der Einheiten auf 1 gesetzt werden kann, könnten wir hier noch abschweifen, aber das ist meiner Meinung nach keine wirkliche Erklärung.)

Ich bin mir nicht sicher, welche Art von Einsicht man gewinnen würde, wenn man das weiß. Wahrscheinlich gäbe es einige, aber Physiker sind so an die Vorstellung gewöhnt, dass einige Konstanten einfach gemessen werden müssen, dass ich nicht weiß, was es bedeuten würde, zu wissen, woher die Lichtgeschwindigkeit kommt und welche Art von Wissen daraus stammen würde Das.

Die Antworten auf die restlichen Fragen hängen davon ab, was Sie mit "warum" meinen. Ich könnte Ihnen sagen, dass sich nichts schneller fortbewegen kann als Licht und dass Licht masselos ist, weil die spezielle Relativitätstheorie es verlangt, aber dann würden Sie fragen, warum die spezielle Relativitätstheorie wahr ist. Ich könnte Ihnen sagen, dass Einstein gesehen hat, dass dies notwendige Konsequenzen der Tatsache sind, dass die Gesetze der Physik in jedem Inertialsystem gleich aussehen und die Lichtgeschwindigkeit auch. Und wenn Sie fragen, warum diese Dinge wahr sind, dann kann ich nur sagen, dass alle Experimente, die durchgeführt wurden, um sie zu testen, gezeigt haben, dass sie wahr sind, und das ist alles, was ich sagen kann. So funktioniert die Welt.

Wir wissen nicht warum; es ist eine physikalische Tatsache, die durch Experimente festgestellt wurde.

Man könnte schließlich annehmen, jede endliche Geschwindigkeit sei möglich; und genau das erlaubt die Newtonsche Mechanik.

Um es kurz zu machen, wenn wir schreiben$c = 299792458$Meter/Sekunde, so kann die Zahl 299792458, die im Prinzip nur eine beliebige Zahl ist, die den Meter relativ zur Sekunde definiert, als physikalische Maßeinheit des menschlichen Körpers interpretiert werden, so wie die Zahl 25 im Ausdruck 25 kg/Meter^ erscheint 2 für den Schwellen-BMI, der Übergewichtige von Normalgewichtigen trennt. Dies liegt daran, dass wir uns entschieden haben, das Meter in Bezug auf die Sekunde so zu definieren, dass es mit älteren Definitionen kompatibel ist, die das Meter zum Ausdrücken von Längen verwendeten, was als eine Länge in der gleichen Größenordnung gewählt wurde wie der menschliche Körper. Die moderne Definition der Sekunde gibt diesem Zeitintervall so ziemlich den gleichen Wert wie die alte Definition, die die Sekunde als kleine Zeiteinheit in unserer Wahrnehmung einführte.

Nun ist die Lichtgeschwindigkeit selbst aus Sicht der Grundlagenphysik keine physikalische Konstante, wie Michael Duff hier ausführlich erklärt . Das allgemeine Problem hier ist, dass Sie bei gegebenen physikalischen Gesetzen in Form mathematischer Gleichungen die Variablen jederzeit neu definieren können, indem Sie sie mit Konstanten multiplizieren oder kompliziertere mathematische Transformationen durchführen. Die zusätzlichen Konstanten, die dann als Ergebnis dieser Transformationen auftreten, haben offensichtlich überhaupt nichts mit fundamentaler Physik zu tun. Aber die Transformationen können als mathematische Technik nützlich sein, um bestimmte Skalierungsgrenzen der Theorie zu beschreiben.

Ich zeige hier , wie Sie die klassische Grenze der speziellen Relativitätstheorie mit einem Skalierungsargument ableiten können. Ich arbeite in natürlichen Einheiten, davon weiche ich nie ab, und dennoch taucht eine Konstante auf, die ich c nenne, aber es ist ein dimensionsloser Skalierungsparameter. Ich kann es dann nicht mit Dimensionsargumenten in Gleichungen bringen, weil alles dimensionslos ist und bleibt. Vielmehr muss ich es basierend auf der Skalierungsgrenze, die ich untersuchen möchte, an den richtigen Stellen platzieren.

Der tatsächliche Wert von$x=299792458$im Ausdruck

Es geht also nur darum, Metrum und Sekunde zu definieren. Der Wert von$c$selbst ist 1 und das ist keine bloße Konvention, genauso wenig wie das Messen von Höhen in denselben Einheiten wie Entfernungen parallel zur Erdoberfläche eine "bloße Konvention" ist. Dann seit$c = 1$bedeutet, dass:

Also der SI-Wert von$x$ist einfach der Faktor, um den die Sekunde relativ zum Meter skaliert wird (hier verwerfen wir die Vorstellung, dass Längen und Zeitintervalle unterschiedliche Dimensionen haben sollten). Nun ist die Wahl der beiden unterschiedlichen Einheiten für Entfernungen in zeitlicher und räumlicher Richtung motiviert, indem relevante körperliche Äußerungen für Menschen von Ordnungseinheit gemacht werden. Der Meter ist also die Länge eines großen Schritts, den wir machen können, und der zweite ist ein kleiner Schritt in der Zeitrichtung, den wir leicht wahrnehmen können. Also der Wert von$x$ist ein Maß für uns Menschen, genau wie das durchschnittliche Verhältnis von Taille zu Körpergröße.

Was die Wahrnehmung betrifft, ist die Sekunde vielleicht eher analog zum Millimeter, also zur Zahl$2.99792458\times 10^{11}$ist ein Maß dafür, wie viel mehr Auflösungsvermögen wir in räumlicher Richtung im Vergleich zur zeitlichen Richtung haben.