《听众问答：26 答光速是近似值还是精确值》歌词

[00:00:00] 本字幕由腾讯音乐天琴实验室独家AI字幕技术生成

[00:00:02] 施政问答

[00:00:05] 听众

[00:00:05] 不知凡几

[00:00:06] 问了一个问题

[00:00:08] 他问光速到底是一个近似值还是一个精确值呢

[00:00:13] 我觉得通过回答这个问题可以引出很多深度的知识和观念非常值得深入回答

[00:00:19] 大多数普通人的第一感觉啊

[00:00:21] 可能会觉得这个问题很简单吗

[00:00:23] 光速应该是一个近视值啊

[00:00:26] 我们日常生活中说

[00:00:27] 某一个东西多少长某个车跑得多少块

[00:00:30] 那肯定是一个近似值吗

[00:00:33] 哪怕能够测量到小数点的后面第十位

[00:00:36] 那也不代表就没有小数点后面第11 位的值了吗

[00:00:39] 速度这东西怎么可能是一个百分百精确的值呢

[00:00:44] 这个想法是很正常的

[00:00:45] 我们在日常生活中

[00:00:47] 在任何场合下见到的对某一运动速度的数值

[00:00:51] 可以说啊

[00:00:51] 无一例外都是近似值

[00:00:54] 这是由测量必然产生误差的本质决定的

[00:00:58] 但是光速却是一个例外

[00:01:00] 如果你在某个地方看到光速写的是二十九万九千七百九十二点四五八千米每秒

[00:01:07] 那么这个数值就是一个10 0%的精确值

[00:01:12] 可能你会感到惊讶

[00:01:14] 科学家们凭什么说这个数值是10 0%的精确值呢

[00:01:19] 不是说任何测量都不可避免产生误差吗

[00:01:23] 要理解这个事情啊

[00:01:24] 我不得不先简单说一下人类对光速测量和认识的历史

[00:01:30] 第一个在实验室中测量出光速的人是法国人非所她用的方法就是非常著名的齿轮测量法

[00:01:38] 我在时间的形状

[00:01:39] 这本书中呢

[00:01:39] 有详细的描述

[00:01:41] 他当时测量出来的数值大约是三十一点五万千米

[00:01:45] 每秒速度的概念依赖于另外两个度量单位就是米和秒

[00:01:51] 在非所测光速的那个时代

[00:01:53] 科学家们对于一米是多长的共识是这样的一米就是经过巴黎的1/4 经线

[00:02:00] 也就是北极点到赤道总长度的1000万分之一

[00:02:05] 那根据这个定义啊

[00:02:06] 法国人用铂金做成了一个米原器

[00:02:10] 当然这个米原器的长度不可能刚好就是定义的长度

[00:02:14] 这就是说啊从定义到米原器就产生了第一次系统误差各个生产尺子的单位就会以这个米原器为基准来生产尺子

[00:02:25] 那当然也不可能长度完全一致吗

[00:02:27] 这里呢就会产生第二次系统误差

[00:02:30] 然后飞所在用尺子去测量眼睛到反射镜的距离

[00:02:35] 当然又会产生第三次测量误差

[00:02:38] 我们再来看看飞索那个时代对秒是怎么定义的

[00:02:42] 当时的定义是一秒就是一个平均太阳日的八万六千四百分之一所有生产计时器的厂家呢

[00:02:50] 都根据这个定义去生产自己的计时器

[00:02:53] 那当然也会产生大小不一的第一次系统误差在用这个已经有误差的计时器做各种测量自然呢

[00:03:02] 又会产生第二次测量误差

[00:03:05] 所以啊

[00:03:05] 在非所那个时代所谓的光速值当然是一个近似值

[00:03:11] 因此啊无论怎么设计精密的实验系统误差和测量误差理论上都是不可能完全消除的不过啊

[00:03:19] 时代在发展

[00:03:20] 人类的认识水平也在不断的发展

[00:03:23] 随着我们对光速的不断深入研究科学界终于在20 世纪达成了共识

[00:03:29] 光速是不变的

[00:03:31] 也就是说啊

[00:03:32] 光速是一个固定值

[00:03:34] 我们且不论这个值到底是多少

[00:03:36] 反正呢是一个永恒不变的固定值

[00:03:39] 而且还不依赖于任何参考系永恒不变就真的是绝对意义上的永恒不变

[00:03:46] 一旦建立了光速不变的科学共识后

[00:03:49] 科学家们就想啊

[00:03:50] 过去我们说光速都是依赖于米和秒的定义

[00:03:54] 那既然光速是一个固定值

[00:03:57] 那能不能反过来

[00:03:58] 让米的定义依赖于光束呢

[00:04:01] 这样啊

[00:04:01] 各个厂家在生产尺子的时候就不用依赖于那个国际美元气了米原器的缺点

[00:04:07] 实在是太多了

[00:04:08] 连热胀冷缩都无法避免

[00:04:11] 所以到了1983 年国际计量大会就讨论决定把一米的定义修改为光

[00:04:17] 在1/29979245 8秒内走过的距离那么这样一来啊

[00:04:24] 光速也就成了一个定义出来的值也就是299792458 米每秒

[00:04:31] 而在此前的196 7年国际计量大会已经把秒的定义改为了色

[00:04:37] 133 原子基态的两个超精细能借间跃迁对应辐射的919263 1 770 个周期的持续时间

[00:04:46] 这个定义中提到的铯原子必须在绝对零度时是静止的

[00:04:51] 而且在地面上的环境是零磁场

[00:04:54] 这样一来啊

[00:04:55] 全世界的任何厂家在生产尺子的时候

[00:04:58] 或者要生产标准长度的零件的时候就可以借助这种自然现象中稳定的天然标准来生产了

[00:05:06] 不再需要像以前一样依赖某个人为制作的元气了

[00:05:10] 讲到这里啊

[00:05:11] 我不知道你是否理解了为什么说光速是一个10 0%的精确值

[00:05:17] 但是我们的回答呢

[00:05:18] 还没有结束

[00:05:20] 关于科学活动中用到的各种计量单位

[00:05:23] 我们深入了解一些其中的冷知识啊

[00:05:25] 会对于我们理解科学到底是什么

[00:05:28] 有很大的帮助

[00:05:29] 在生活中我们会遇到各种单位

[00:05:32] 比如米秒千克

[00:05:34] 还比如用来描述食物有多少热量的千焦耳大卡

[00:05:39] 还有描述灯泡功率的瓦等等

[00:05:42] 实际上啊虽然都是常见单位

[00:05:45] 但是在科学中

[00:05:46] 他们的地位是有差别的

[00:05:48] 有一些单位比另一些单位更加基本

[00:05:51] 比如说焦耳就是物理学中表示

[00:05:54] 能量功或者热量的单位在经典力学中呢

[00:05:58] 一焦耳的定义就等于施加一牛顿作用力经过一米距离所需要的能量

[00:06:05] 所以在经典力学中多少焦耳也可以看成是多少

[00:06:09] 牛顿米就是牛顿和米之间啊

[00:06:12] 有一个表示乘号的小圆点表示

[00:06:14] 牛顿乘以米那一牛顿又是怎么定义的呢

[00:06:18] 她等于要使质量1 000克的物体的加速度为一米每秒平方时所需要的力

[00:06:25] 所以啊

[00:06:25] 牛顿的单位又可以写成千克米每秒平方

[00:06:30] 那么我们把牛顿的定义带入到刚才焦耳的单位中就可以看到焦耳也可以看成是千克米平方每秒平方好了

[00:06:40] 到了这一步啊

[00:06:41] 用到的单位就全部都是最最基本的单位了

[00:06:45] 不可能再往下拆分了

[00:06:47] 我上面所说的这些啊

[00:06:48] 在物理学中有一个很高大上的名称叫做量纲分析

[00:06:53] 所谓的量纲呢

[00:06:54] 指的就是一个物理量是由哪些其他更基本的物理量组成的情况

[00:06:59] 通俗的讲啊

[00:07:00] 就是像我刚才说的那样

[00:07:02] 有一些单位可以转化成其他单位的组合一95 4年有六个最基本的单位197 1年增加了一个摩尔

[00:07:11] 所以从197 1年到现在最最基本的物理量就一共只有七个这七个基本物理量统称为国际单位有哪些呢

[00:07:20] 有表示长度的米表示质量的千克表示时间的秒表示

[00:07:26] 电流强度的安培表示温度的凯尔文表示

[00:07:30] 发光强度的坎德拉和表示物质量的摩尔就是这么七个基本单位啊

[00:07:36] 而其他我们在日常生活中所见到的所有单位都可以转换成这七个最基本单位的算术组合

[00:07:43] 如果不能转换的话就只能说明啊

[00:07:46] 那个单位还不是科学体系中的一员

[00:07:49] 那将来有没有可能增加新的国际单位呢

[00:07:52] 这个可能性当然是有的

[00:07:54] 但几乎可以肯定的说国际单位的增加意味着重大的科学进展

[00:07:58] 绝对不是小事儿

[00:08:00] 另外

[00:08:00] 我想补充说明的是

[00:08:02] 这七个国际单位除了千克依然在用10 0多年前的国际千克原器外

[00:08:08] 其他六个单位都已经用不依赖于任何人造物的基本自然现象来定义了而千克也将在今年也就是2018 年11月的国际计量大会上宣布最新定义届时呢会把千克的定义

[00:08:22] 基于普朗克常数来定义明年啊

[00:08:25] 国际间频率咨询委员会还将讨论对秒的重新定义问题

[00:08:30] 量纲分析

[00:08:31] 在科学研究中是非常有用的

[00:08:34] 能够帮助科学家判断一个理论是否自洽

[00:08:37] 我记得以前看过一个视频

[00:08:39] 在一个学术报告中呢

[00:08:40] 现场问答的时候有一位听众就站起来大讲特讲自己的理论

[00:08:45] 然后台上的人啊

[00:08:46] 就问了一句

[00:08:47] 请问您刚才说的那个概念的量纲是什么

[00:08:50] 然后啊

[00:08:51] 台下的人就当场愣住了

[00:08:53] 因为啊

[00:08:53] 他根本不知道什么叫量纲分析

[00:08:55] 那像这样的观众啊

[00:08:57] 基本上可以判定为没有受过最基础的科学训练

[00:09:01] 所以啊

[00:09:01] 也就不太可能做出什么有价值的科学发现任何一个理论

[00:09:06] 如果想让大家承认是一个科学理论

[00:09:09] 那么在这个理论中提出的所有概念都必须是可测量的不但是可测量的还必须可以用最基本的七个国际单位或者它们的组合来表示

[00:09:21] 这是一个区分科学理论和非科学理论的标准比去讨论可证伪性要更加具备操作性概念

[00:09:29] 也很清晰

[00:09:30] 难怪啊

[00:09:30] 著名的凯尔文勋爵说过一段很武断的话

[00:09:33] 他说啊

[00:09:34] 如果你不能用测量数据说话

[00:09:36] 就请闭上你的嘴

[00:09:38] 因为你没有资格称自己是科学

[00:09:41] 因此呢

[00:09:42] 大家可以用这个标准来看待一下

[00:09:44] 生活中经常会遇到的一些理论

[00:09:46] 那我就不再举例了

[00:09:48] 以免又引起某些虫

[00:09:49] 古人是的不乐啊

[00:09:50] 那我只想说一句话

[00:09:52] 一切无法测量的理论都是非科学

[00:09:55] 但是话讲到这里呢

[00:09:56] 今天的问答还没有结束

[00:09:58] 有测量问题

[00:09:59] 还可以引出一个更深层次的观念问题

[00:10:02] 哲学家经常会讨论客观

[00:10:04] 实在这个问题唯心主义学派认为

[00:10:07] 世间万物无非新生佛说相由心生

[00:10:11] 就是这个道理

[00:10:11] 如果把这些哲学理论套上一些现代科学的术语就可以说我们所能感知到的一切都是我们大脑和神经系统的反应

[00:10:21] 所以啊

[00:10:22] 客观世界并不存在

[00:10:24] 我把哲学家对世界的思考

[00:10:26] 称为抽象和思辨式的思考

[00:10:29] 在现代科学发展起来之前也是非常有深度和知识含量的

[00:10:34] 如果没有学习过现代科学知识和科学思维的人

[00:10:37] 第一次听到哲学的各种流派和观点也一定会觉得非常高明

[00:10:42] 非常智慧的是的

[00:10:44] 我也承认

[00:10:45] 他们是高明和智慧的

[00:10:46] 但这种高明和智慧是相对而言的

[00:10:49] 在智慧之上

[00:10:50] 还有更智慧的

[00:10:52] 那么我下面要讲的就是以测量为基础来谈现代科学对客观世界的认识

[00:10:58] 我个人的浅见呢

[00:10:59] 是觉得他的智慧在哲学之上

[00:11:02] 首先我先介绍一下在测量科学中的三个概念

[00:11:06] 第一个叫客观增值

[00:11:08] 比如说啊

[00:11:09] 一个球

[00:11:10] 它有一个不依赖于测量而存在的实际质量体积等等这个呢就叫客观增值

[00:11:17] 第二个概念叫测量真值

[00:11:20] 我们用一个天平去测量一个小球的质量理想状况下会有一个无限精确的读数

[00:11:26] 那么这个无限精确的值

[00:11:28] 我们就叫做测量增值

[00:11:31] 你可以理解为微积分中那个可以被无限趋近的极值

[00:11:35] 第三个概念啊

[00:11:36] 就是测量值

[00:11:37] 他是我们实际测量出来的毒素

[00:11:40] 那么这三个概念之间是什么样的关系呢

[00:11:43] 在量子力学发展起来之前

[00:11:45] 我们称为经典力学的时代

[00:11:47] 当时的科学家坚信一点客观增值与测量增值是一致的

[00:11:53] 或者说啊

[00:11:54] 是完全有可能一致的

[00:11:56] 一个小球的质量和体积它的客观增值就摆在那里

[00:12:00] 随着技术水平的不断提高

[00:12:02] 测量增值可以无限趋近于客观增值

[00:12:05] 而测量值呢

[00:12:07] 又是可以无限趋近于测量增值的

[00:12:10] 因此啊

[00:12:11] 这个世界是客观存在的人类可以不断的逼近

[00:12:15] 客观真相

[00:12:16] 因为经典力学研究的都是宏观物体

[00:12:18] 因此这么理解呢

[00:12:20] 也是对的

[00:12:21] 但是啊

[00:12:21] 随着我们测量的物体越来越小

[00:12:24] 进入到量子世界后我们发现了很多观念就被打破了

[00:12:29] 我们发现了测不准原理

[00:12:31] 有些成对物理量是无法同时测准的

[00:12:35] 例如位置和速度

[00:12:37] 而有些物理量在没有测量之前处在叠加态中

[00:12:41] 比如量子的自旋态

[00:12:43] 在量子力学中呢

[00:12:44] 有一句经典的话讨论量子在被测量之前是什么状态

[00:12:49] 没有意义

[00:12:50] 这句话经常会被曲解成量子在被测量之前是不存在的很多哲学家在了解了一些量子力学的概念和名词后就如获至宝

[00:13:01] 他们觉得找到了用科学解释自己理论的依据

[00:13:05] 实际上有些学说总是借用科学理论中的概念来佐证自己也从侧面反映了他们还是把科学当作是最有说服力的理论

[00:13:15] 如果用测量的概念来理解量子力学的不确定性

[00:13:18] 原理是这样的

[00:13:20] 我们不能把量子在被测量之前的状态当作是客观增值

[00:13:25] 在经典力学中测量增值可以无限趋近于客观增值

[00:13:30] 但是在量子的世界中

[00:13:32] 两者有本质的区别

[00:13:34] 什么意思呢

[00:13:36] 科学家们啊

[00:13:37] 现在已经认识到在量子世界中已经不存在客观真实的概念了

[00:13:42] 任何有关量子的物理量

[00:13:44] 它只有测量增值

[00:13:46] 没有客观增值

[00:13:48] 而测量增值是与测量方式相关的用什么样的测量方式

[00:13:53] 就决定了什么样的测量增值不同的测量方式有不同的测量增值

[00:13:59] 我们的测量主体与量子本身构成了一个整体测量主体决定了测量结果

[00:14:06] 所以量子在没有被测量之前依然有测量增值的存在

[00:14:11] 而不是像有些哲学家以为的那样

[00:14:14] 他就不存在了

[00:14:16] 在我看来啊

[00:14:17] 这种认识比哲学或者佛学就更具有智慧

[00:14:20] 而且每一个概念都是清晰准确的每一个结论也都有具体的实验基础

[00:14:27] 并且也是可以被证伪的

[00:14:29] 所以呢

[00:14:30] 它是可以被理解的

[00:14:31] 而不是只能去相信的

[00:14:34] 科学对世界的认识是受到测量能力的局限的在测量的量程范围之外就是科学所能认识的边界

[00:14:42] 但是啊科学却可以不断的扩展这个边界

[00:14:45] 如果我们坚持科学对良辰的扩展是无限的

[00:14:49] 那么我们也就可以坚持科学对世界的认识能力也是无限扩展的

[00:14:55] 假如良辰是不能无限扩展的

[00:14:57] 那么我们也只能承认科学对世界的认识是有一个极值的那到底有没有这个极值呢

[00:15:04] 用更酷一点的说法

[00:15:06] 就是人类的测量能力到底是一个数学中的无穷发散级数呢

[00:15:11] 还是一个无穷收敛级数呢

[00:15:14] 对不起啊

[00:15:15] 这个问题我也还没有答案

[00:15:17] 不知道你对此的观点是什么

[00:15:19] 欢迎留言告诉我

[00:15:21] 在讨论人的认识到底是有限还是无限这个问题

[00:15:25] 我觉得用抽象和思辨的方式去谈论是没有意义的也并不会得出什么有价值的结果

[00:15:32] 只有回归到科学精神上才有讨论的意义

[00:15:35] 这就是本期的听众问答在此呢

[00:15:38] 特别对学者汪涛先生表示一下感谢本期内容受到了汪涛先生的很多帮助

[00:15:44] 有一些观点来自于他的学术专著实验测量与科学50 万字的大部头

[00:15:51] 我看了一个月还没看完呢

[00:15:52] 好欢迎您继续提问

[00:15:54] 我们下期再见