Warum ist die Lichtgeschwindigkeit mit 299792458 m/s definiert?

Warum ist die Lichtgeschwindigkeit definiert als 299792458 m / s ? Warum haben sie diese Nummer und keine andere Nummer gewählt?

Oder anders formuliert:

Warum ist ein Meter 1 / 299792458 der Entfernung, die Licht in einer Sekunde im Vakuum zurücklegt?

Es ist willkürlich, aber historisch gesehen, da ein Meter bereits eine akzeptierte Länge war, haben sie die Lichtgeschwindigkeit definiert, um den Meter gleich zu halten.
Weil es 10 in base-299792458 geschrieben ist. Sie sehen, in Basis-299792458 ist 1 m die Länge Ihres Stocks und 10 m die Lichtgeschwindigkeit. Das ist ein schöner Zufall, oder?
Ist die Lichtgeschwindigkeit nicht = 1?
Denn der Meter ist definiert als die Länge des Weges, den Licht im Vakuum zurücklegt 1 ⁄ 299 , 792 , 458 von einer Sekunde. Meter
Die Lichtgeschwindigkeit ist genau 299792458 m / s 2 weil der Teufel es von seinem natürlichen Wert verändert hat 300000000 m / s 2 als Demonstration seiner zunehmenden Macht. Siehe zum Beispiel das Ende von Abschnitt 2 hier: library.msri.org/books/sga/from_grothendieck.pdf
Die Metrologie dient in erster Linie eher dem Handel als der Wissenschaft oder dem Wunsch nach schönen runden Zahlen. Das bedeutet, dass alle Änderungen im Standard unbedingt abwärtskompatibel sein müssen.
@Mitchell, wenn es willkürlich ist, warum nicht 1 m / s als Lichtgeschwindigkeit wählen?

Antworten (6)

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 299.792.458 m/s, weil die Menschen früher einen Meter als 1/40.000.000 des Erdmeridians definiert haben – der Erdumfang betrug also 40.000 Kilometer.

Außerdem definierten sie eine Sekunde als 1/86.400 eines Sonnentages, sodass der Tag in 24 Stunden mit jeweils 60 Minuten pro 60 Sekunden unterteilt werden kann.

In unserem Universum ist es so, dass sich Licht mit der oben definierten Geschwindigkeit bewegt, so dass es sich in 1 Sekunde, wie oben definiert, ungefähr um 299.792.458 Meter bewegt, wie oben definiert. Mit anderen Worten ändert Licht während eines Sonnentages seine Position um

δ x = 86 , 400 × 299 , 792 , 458 / 40 , 000 , 000 c ich r c u m f e r e n c e s Ö f t h e E a r t h .
Die obige Zahl ist ungefähr 647.552. Versuch es. Weisen Sie Licht an, entlang der Erdoberfläche zu kreisen, und Sie werden feststellen, dass es zwischen zwei Mittagen 647.552 Umläufe absolvieren wird. Warum ist es genau diese Nummer? Nun, es lag daran, wie die Erde erschaffen und entwickelt wurde.

Wenn es vor etwa 4.701.234.567,31415926 Jahren nicht auf einen großen Felsen namens Megapluto getroffen wäre, wäre es ein paar Prozent größer gewesen und es würde mit einer um 1,734546346 Prozent kleineren Frequenz rotieren, also würde 647.552 durch 648.243,25246 ersetzt werden - aber weil wir Megapluto getroffen haben , das Verhältnis wurde schließlich zu dem, was ich sagte.

(Es gab ungefähr eine Million ähnlich wichtiger Großveranstaltungen, die ich auch überspringe.)

Die Größe und Drehgeschwindigkeit der Erde waren für eine Weile in Ordnung, aber sie sind nicht wirklich regelmäßig oder genau, also wechselten die Menschen schließlich zu den Wellenlängen und Dauern einiger elektromagnetischer Wellen, die von Atomen emittiert wurden. Die Spektroskopie bleibt die genaueste Methode, mit der wir Zeit und Entfernungen messen können. Sie wählten das neue Meter und die neue Sekunde als ein Vielfaches der Wellenlänge bzw. Periodizität der von verschiedenen Atomen emittierten Photonen – so dass das neue Meter und die neue Sekunde mit den alten übereinstimmten – die vom Erdumfang und vom Umfang her definiert waren der Sonnentag - innerhalb der verfügbaren Genauigkeit.

Für einige Zeit verwendeten die Menschen zwei unabhängige elektromagnetische Wellen, um 1 Meter und 1 Sekunde zu definieren. In diesen Einheiten hätten sie die Lichtgeschwindigkeit messen und herausfinden können, dass sie 299.792.458 plus minus 1,2 Meter pro Sekunde oder so betrug. (Die Genauigkeit war jahrelang nicht so groß, aber der Fehler von 1,2 Metern war die endgültige Genauigkeit, die Anfang der 1980er Jahre erreicht wurde.)

Weil die Lichtgeschwindigkeit so grundlegend ist - erwachsene Physiker verwenden Einheiten, in denen c = 1 , wie auch immer - Physiker entschieden sich in den 1980er Jahren, die Einheiten neu zu definieren, sodass sowohl 1 Meter als auch 1 Sekunde dieselbe Art von elektromagnetischer Welle verwenden, um definiert zu werden. 1 Meter wurde als 1/299.792.458 Lichtsekunde definiert, was wiederum mit der vorherigen Definition aufgrund zweier unterschiedlicher elektromagnetischer Wellen innerhalb der Genauigkeit übereinstimmte.

Der Vorteil ist, dass die Lichtgeschwindigkeit heute per Definition als genau bekannt ist. Bis zu dem unbequemen numerischen Faktor von 299.792.458 – der ansonsten praktisch ist, um mit gewöhnlichen und nicht so gewöhnlichen Menschen zu kommunizieren, insbesondere mit denen, die darin geschult wurden, Meter und Sekunden basierend auf dem Sonnentag und Meridian zu verwenden – ist es so robust wie die c = 1 Einheiten.

Ich bin immer noch so verwirrt. Das Messgerät basiert auf der Lichtgeschwindigkeit und umgekehrt. Es ist zyklisch. Sie völlig willkürlich zu machen. Sie basieren historisch auf dem Erdumfang, aber wir wissen, dass das widersprüchlich ist. Basieren wir also beide Messungen auf einer inkonsistenten Messung? Für mich scheint es, als hätten wir eine zyklische Messung, die auf einer ungenauen Messung basiert, die wirklich nicht hilft. Gibt es eine verlässliche Konstante, auf der Meter und Lichtgeschwindigkeit basieren?
David, ein Meter ist eine Einheit, eine rein menschliche Konvention. Stellen Sie sicher, dass die Lichtgeschwindigkeit, die eine Tatsache der Natur ist, nicht von der Wahl eines Meters oder irgendetwas Menschengemachtem im Allgemeinen "abhängt". Auch ohne Menschen gäbe es Licht und es würde sich mit einer Geschwindigkeit bewegen. Dafür braucht die Natur weder den Menschen noch seine Erfindungen und Konventionen. Es ist einfach völliger Unsinn, dass etwas an der Definition von 1 Meter oder der Lichtgeschwindigkeit, die wir kennen, ungenau ist.
Ein Meter ist nur so definiert, dass die Lichtgeschwindigkeit in SI absolut genau bekannt ist, 299 792 458. Nun, mit diesem wohldefinierten Meter (vorausgesetzt, Sie sind mit der Definition von 1 Sekunde einverstanden und können sie rekonstruieren ), kann man Entfernungen messen. Die Frage ist, wie genau wir Entfernungen in Bezug auf 1 Meter messen können, wie es derzeit definiert ist. Die Genauigkeit ist erstaunlich gut, denn als wir auf die neue Definition umgestellt haben, ist die Genauigkeit von c war schon gut - und wir konnten messen c in Bezug auf das alte Messgerät - die Genauigkeit ist also nicht "gesunken".
@LubošMotl können Sie mir bitte sagen, wo Sie sagen "vorausgesetzt, Sie sind mit der Definition von 1 Sekunde einverstanden und können sie rekonstruieren". Sie stimmen also zu, dass das zweite immer noch durch das Cäsiumatom definiert wird, richtig? Die Sekunde ist also nicht durch die Lichtgeschwindigkeit definiert.
Ja, eine Sekunde wird durch das Atom definiert und die Lichtgeschwindigkeit erscheint nicht in der Definition. Ich habe nie etwas anderes behauptet.
Wir hätten es aber leicht auf 299792460 schaffen können. Es gäbe nur einen Unterschied von 0,00000067 % in der Definition des Zählers. Außerdem hätten wir auf diese Weise eine Lichtgeschwindigkeit, die durch 3, 4 und 5 teilbar ist. Was ... ich nehme an, ist nicht so wichtig, aber trotzdem.
Die Fehlerspanne, als die Entscheidung getroffen wurde, betrug nur 1,2 Meter pro Sekunde, ich erinnere mich sehr gut daran, also würde Ihre um fast 2 Sigma abweichen. Sicherlich wird dieser Fehler als wichtiger angesehen als irgendein unscheinbarer numerologischer Zufall.

Die Zahl ist willkürlich. Wir hätten 1 m/s wählen können, aber das wäre etwas umständlich gewesen, da wir herumgegangen wären und den Leuten gesagt hätten, dass sie an der nächsten Ecke 0,00000084 Meter die Straße hinunter nach links gehen sollten.

Früher wurde das Meter durch zwei Kratzer auf einem Stab definiert. Daher konnten wir die Lichtgeschwindigkeit experimentell messen. Bevor sie die Dinge neu definierten, maßen sie so genau wie möglich und verwendeten das Ergebnis dann als neuen offiziellen Standard.

Die Definition der Lichtgeschwindigkeit bedeutet, dass das Messgerät nicht mehr durch Kratzer auf einem Stock definiert wird. Wenn es so wäre, hätten wir die Sekunde, den Meter und die Lichtgeschwindigkeit alle unabhängig voneinander definiert, während sie in Wirklichkeit voneinander abhängig sind. Das bedeutet, dass zukünftige genauere Messungen zeigen könnten, dass unser System inkonsistent war. Infolgedessen ist das Meter jetzt einfach die Entfernung, die sich das Licht in 1/299792458 Sekunden bewegt.

Ich denke, die Hauptmotivation dahinter ist, dass die Lichtgeschwindigkeit überall immer gleich ist (für eine lokale Messung) und ziemlich einfach zu messen ist . Vor der Neudefinition wurde die Genauigkeit bei der Messung der Lichtgeschwindigkeit so gut, dass sie durch die Genauigkeit begrenzt war, mit der wir einen Meter messen konnten .

Viele genaue Entfernungsmessungen werden tatsächlich mit Licht statt mit Meterstäben durchgeführt. Sehen Sie sich zum Beispiel LIDAR an, bei dem Licht von einer Quelle reflektiert wird und Sie sehen, wie lange es dauert, bis es zurückkommt. Genaue Abstandsmessungen (bzw. Abstandsänderungsmessungen) können auch mit Licht mittels Interferometrie durchgeführt werden. Siehe zum Beispiel LIGO .

Es ist ein ziemlich schöner historischer Kreis.

Der Meter war ursprünglich definiert als 1/10.000.000 der Entfernung vom Äquator zum Nordpol – durch Paris – wie Luboš oben erklärte.

Dies wurde von einigen Typen in der Französischen Revolution mit der Idee erdacht, dass physikalische Einheiten nur vom Universum (oder zumindest von Paris - was so ziemlich dasselbe ist) abhängen sollten und nicht von historischen Details wie der Armlänge eines Königs oder Fuß.

Dies bedeutete auch, dass Sie unabhängig zu Ihrer eigenen unparteiischen Messung des Geräts kommen konnten - es gab kein Mastermeter in einem Tresor. So werden alle Menschen und ihre Maße gleich.

Wie viele der Ideen der Französischen Revolution funktionierte dies nicht ganz so wie geplant - die Umfrage war aus - und bald bedeuteten die Forderungen der Industrie, dass das einzige ausreichend genaue Normal ein Master-Meter irgendwo in einem Tresor war.

Durch die Neudefinition des Messgeräts in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit – die universell ist (sogar außerhalb von Paris) – kehren wir zu diesem ursprünglichen edlen Prinzip zurück.

Extra Hinweis: Sie müssen nicht zum Nordpol gehen. Es ist einfach, den Breitengrad (Winkel Nord/Süd des Äquators) eines Ortes mit nur einem Teleskop zu messen, Sie können dann die Entfernung auf dem Boden zwischen zwei Orten nördlich/südlich voneinander messen und eine Definition des Meters erhalten. Dies führte zu der Entdeckung, dass die Erde keine Kugel ist, also nicht wirklich funktioniert, aber zu einer ganz neuen Wissenschaft der Vermessung der Erde führte.

Aus historischen Gründen. Vor der aktuellen Definition wurde ein Meter als die Länge eines Materialstücks, des Prototyps eines Meterstabs, definiert. Dann wurde die Lichtgeschwindigkeit basierend auf dieser Länge gemessen, was sich als 299792458 Längen des Balkens pro Sekunde herausstellte. Dies wurde dann verwendet, um das Messgerät auf die Entfernung neu zu definieren, die Licht im Vakuum in 1/299792458 Sekunden zurücklegt, damit die alte und die neue Definition so genau wie möglich übereinstimmen.

Zwischen dem Prototypen eines Meterstabs (eigentlich drei davon, zuerst ein provisorischer Messing-Prototypstab aus dem Jahr 1795, dann der erste offizielle Platin-Prototypstab aus dem Jahr 1799 und schließlich ein verbesserter Platin-Iridium-Prototypstab aus dem Jahr 1889) gab es ein Zeitraum von 23 Jahren (1960 bis 1983), in dem das Messgerät als eine bestimmte Anzahl von Wellenlängen einer bestimmten Lichtfrequenz definiert wurde.

Natürlich wären Berechnungen einfacher, wenn wir das hätten c = d e f 3 × 10 8 m s − 1 und andere physikalische Konstanten wären geeignete Werte: die elektrische Konstante im freien Raum wäre 1 36 π × 10 − 9 F m − 1 und die Freiraumwellenimpedanz wäre 120 π Ω .

Ein vorrangiges Ziel bei der Überarbeitung von Metrologienormen ist es jedoch, die bisherige Praxis so gering wie möglich zu stören, wenn Änderungen vorgenommen werden. Überarbeitete Messsysteme müssen möglichst abwärtskompatibel sein. Es gab bereits eine Definition des Meters, und die kam letztendlich aus dem physischen Meterbalken, wie in Noahs Antwort beschrieben . Eine Änderung des Zählers zur Verschiebung 299792458 m s − 1 zu 300 000 000 m s − 1 wäre eine Änderung von etwa 700 Teilen pro Million ( 7 × 10 − 4 ), und das würde zu erheblichen Störungen der derzeitigen Praktiken in Wissenschaft, Industrie und so ziemlich jedem menschlichen Unterfangen führen.

Wir sollten es einfach tun, bevor es noch schlimmer wird.

Das Meter wurde (durch einen physischen Platinbarren in Paris) vor 200 Jahren, 8 Generationen, definiert, bevor sich herausstellte, dass die Lichtgeschwindigkeit eine gute universelle Konstante ist. Die Länge eines Meters wurde im Handel, in der Blechindustrie, im Bekleidungsstoffinventar usw. verwendet. Als wir also entdeckten, dass die Lichtgeschwindigkeit eine gute universelle Konstante ist, wollten wir die Länge, die das Licht in 1 Sekunde zurücklegt, mit a in Beziehung setzen Meter, aber wir wollten die ursprüngliche Definition eines Meters nicht zu sehr ändern. Und die Zahl 2.99792458 ist ein guter Kompromiss.

Warum ist die Lichtgeschwindigkeit mit 299792458 m/s definiert?
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