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光学教学笔记之光速的奥秘 精选

已有 2544 次阅读 2019-10-5 15:45 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦


张华考上了北京大学;李萍进了中等技术学校;我在百货公司当售货员:我们都有光明的前途。

  

 

我:李萍,张华,你们过来,我跟你说件事儿。

李萍:啥事儿啊?神秘兮兮的。我还要复习物理呢。

我:一件大事儿!你知道吗,我们生活在计算机里!这就是最后的问题

张华:哪儿跟哪儿啊。你是不是又发烧啦?

我:去你的。我有证据,而且是物理学的证据。

李萍:什么证据?

我:物理学的证据!光速是多少,你知道吧。

李萍:每秒钟30万公里,怎么啦?

我:你说这个光速不多不少,恰好是每秒钟30万公里,世界上有这么巧的事情吗?

李萍:嗯?是有些巧啊。

张华:别听他瞎扯啦。光速并不是一个整整的数字,而是29.98万公里每秒钟。

我:2.998和3有区别吗?

张华:有啊,差不多千分之一呢,再说得严格些,就是万分之6.7。

我:严格就严格,咱们就严格地说吧:光速是299792458米每秒。整的不能再整的整数啦,连个小数点都没有。世界上哪里有这么巧的事情?所以说,我们生活在计算机里!

张华:你又瞎扯啦。光速的数值是整数,因为这根本就不是测量值,而是约定值。因为光速太重要了,1975年第十五届国际计量大会做出决议:真空中光速的准确值是c=299792458m/s。所以说,光速是个整数值,只是因为我们约定好了。如果我们真的生活在计算机里,这个值也应该是300000000,而不是299792458。

我:哈哈,这就是我要跟你们说的事情。我发现,光速应该是300000000,而不是299792458,因为我们以前都测错了。

李萍:嗯?你逗我玩呢?去去去,我要复习物理啦,没空跟你瞎扯。

张华:听听他怎么瞎扯呗,反正也不在乎这么一会儿时间

 

我:先简单地说一下。为了测量光速,我们需要定义1秒有多长,1米有多长。我发现,我们以前定义的1秒和1米都不太对。

李萍:等等,等等。1秒和1米不都是固定好的吗?

我:不管是1秒还是1米,都是基本的测量单位,都是我们为了方便,自己定义出来的——当然,并不是随便定义的,而是有道理的,这个道理……

张华:哦,我知道了——你是要修改定义,然后凑数据!

我:你听我说完,好吗?我说的都是有道理的。

张华:那就说说你的道理吧。

我:李萍,你知道1秒是怎么来的吗?

李萍:知道啊。一天24小时,1小时60分,1分钟60秒,所以,一天就是86400秒。

我:你这个一天是多长啊?

李萍:一天就是一天,有什么多长?

张华:一天就是从今天正午到明天正午,太阳两次正照在你的头顶上。这就是“太阳日”啊。

我:呵呵,一年365天,你应该用哪天的正午呢?

李萍:对啊,绕太阳的公转轨道是椭圆,每天的时长都不一样啊。

张华:啊哈,你的小心思在这里啊。既然每天的时长不一样,我们就用平均的太阳日好了。

我:张华啊张华,你这是太阳中心主义,早就应该扔进物理的垃圾堆里了。告诉你吧,我已经想清楚了,应该用“恒星日”——1秒的定义就是这么搞错的!

李萍:恒星日?什么是恒星日?

张华:恒星日是地球自转一周实际所需的时间(23小时56分4秒),也就是你看到同一片星空所需要的时间。

我:对啦!康德说过:“位我上者灿烂星空,道德律令在我心中!”把恒星日分为86400份,才是正确的1秒钟。以前的1秒钟都太长了。

张华:对你个头啊。照你这个做法,每天的正午都不是一个时间,过不了几个月,你就要晨昏颠倒了!

我:没关系,我已经准备好了,每两周加个“闰时”就可以了。

李萍:这样好像很麻烦啊。

我:不麻烦,不麻烦。关键是这样就能得到正确的光速。

张华:什么正确的光速?就算做了这个修正,你的光速只会变为300613578.42……米每“秒”,跟30万公里每秒的差别比原来的还大呢。

$299792458\times (86400/86164) =300613578.42\ldots$】

 

我:别着急啊。正所谓“欲速则不达”,我还没告诉你“米”的定义怎么出错呢。

李萍:1米的定义没问题啊。起初是习惯,后来固定为“米原器”了啊。

张华:他可能说的是,有了时间的基准,就可以用单摆的周期来确定单摆的长度。伽利略最早注意到这一点。

【单摆周期$T=2\pi\sqrt{L/g}$,其中$L$是单摆的长度,$g$是地球的重力加速度】

我:对啦,张华这样才有些学物理的样子,李萍呀李萍,你学的是地理吧?

张华:你又瞎扯了吧。单摆公式里还有重力加速度,各个地方的数值不一样,那么你怎么选长度?以谁为标准?巴黎还是北京?哪里有什么特别的地方?

我:刚夸了你,就骄傲啦。地球上确实有个特别的地方,准确地说是两个,南极和北极,因为那里是地球自转轴的位置,你在那里就不会感受到地球自转带来的离心力的作用。

李萍:好像是有这么回事情啊。地球的重力加速度依赖于纬度,其数值在赤道最小(9.780米每秒平方),在两极最大(9.832米每秒平方)。

张华:听他瞎扯淡。两极的重力加速度是9.832米每秒平方,跟$\pi^2=9.870$还差一些呢。我们通常采用的平均值是9.80,差得就更远了。

我:唉,张华你怎么不开窍呢?正是你说的这个差别,才说明了以前关于米的定义是错的。你之所以用$g=9.832$而不是$g=\pi^2$,是因为没有考虑到空气阻力的影响,所以1米就被定义得短啦。你应该在真空里做实验,还要让单摆的周期正好是2秒,这时候你的重力加速度就正好是$g=\pi^2$,单摆的长度就是1米啦。

李萍:为什么周期是2秒?为什么选定$g=\pi^2$?

我:很简单啊,长度是基本单位,重力加速度是导出单位,我们先把长度定个最合适的值。周期如果是2秒,单摆通过最低点的时间间隔就正好是1秒。

张华:这样就能得到整数啦?

我:对啊,你看,只要采用这个“米”的定义,再加上刚才的“秒”,就可以得到光速是300040344.61“米”每“秒”。你看,是不是更靠近30万公里每秒啦。告诉你吧,只要再把单摆摆绳的质量考虑进来,就可以正好得到3后面8个0的结果啦。

$299792458\times (86400/86164)\times \sqrt{9.832/\pi^2} =300040344.61\ldots$】

李萍:你干嘛要纠结8个零啊?

我:这就是东方神秘主义的伟大之处呀!你看,一天24小时,24等于2×3×4,1小时60分,1分钟等于60秒,60等于3×4×5。每个都是三个简单数字的乘法呀。光速等于每秒钟30万公里,那就更美妙啦!3×108米每秒,也就是3×(2×(2+3))2+2×3,这里面有有0有1,正所谓无极而太极,还有2、4、8,正所谓太极生两仪,两仪生四象,四象生八卦。

张华:停停停。你这不就是拼凑数据吗?我就问你,你这些测量值怎么可能达到万分之一的精度?更别说什么8个0啦。

我:说你不懂你还真不懂啊。你听我说完,这里面还有10,所谓十全十美,更重要的是,这个美妙的3啊:道生一,一生二,二生三,三生万物。

李萍:这都哪儿跟哪儿啊!

我:只要我选择合适的定义,就可以得到这个十全十美的世界……

 

张华:别听他瞎扯啦。李萍,快,咱俩赶快把他拖走,送到安定医院。

【张华和李萍一起上前,作拖人状。】

我:不,李萍,你不能这样。我们生活在计算机里!这就是最后的问题!张华,你这是嫉妒。我为物理流过泪,我为学报投过稿,你们不能这样。

【李雷和韩梅梅拖我下】

我:不,你们不能这样。我要见牛人,我要见爱豆……我们生活在计算机里!这就是最后的问题

 

李萍(对张华):牛人是谁,爱豆又是谁?他是不是真的疯了?

张华(对李萍):牛顿和爱因斯坦?我看他是真疯了。出租车,哎,出租车!安定医院,赶紧的!


 

  



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