为什么光的真空速度是 299,792,458 米/秒？是什么决定了这个速度？ 第1页

地球通过巴黎的子午线全长的四千万分之一是一米，最开始由国际米原器定义，规定1米就是米原器在0摄氏度时两端的两条刻线间的距离，米原器的精度可以达到0.1 微米，1874年在巴黎铸成了重250kg成分均匀的PtIr10合金锭用以制作国际米和千克砝码的标准材料。

1960年，第11届国际计量大会废除旧的“米”的标准，规定了氪86同位素灯在规定条件下发出的橙黄色光在真空中的波长的1650763.73倍为1米，精确度可以达到0.004微米。

1983年10月，联合国度量组织在巴黎举行会议，规定了新的“米”的定义，即把光在真空中299792458 分之一秒所走的距离定为一个标准米。这意味着只要有一个激光比长仪，就可以在任意时间位置获得一个标准米。

而光速是一个速度单位，必然由米参与，而子午线的测量误差太大，最后被激光单位代替了。

因此现在的子午线长肯定不是四千万米这样一个整数了，因为子午线难测量，激光却很容易得到。让光速成为一个整数，是科技进步，还好光速（人为的）没有小数点。

此外，秒的定义也是一个整数，是铯133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9,192,631,770倍的时间。

因此真正的光速定义，是铯133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9,192,631,770倍的时间中（铯原子处在绝对零度时，所在的环境是零磁场），光在真空中行进的距离。

这个距离恰好约是地球通过巴黎的子午线长度的7.49481145倍。

这不是终极问题，这是人规定的。只要人类还把持着这个星球的话语权。

但是像圆周率的数值、自然对数的底、万有引力常数、真空电容率、普朗克常数、基本电荷、电子伏特、精细结构常数、阿伏伽德罗常数才是真正的“终极问题”，这些参数如果变化了一点，宇宙和你我就不是现在的样子。这又扯到人择原理上了……

好吧……我以为以下内容是常识（请不理解光速不变原理的人阅读）：

原提问者想知道这个光速数字是谁决定的，这很难解释（上帝、真主、佛祖、偶然、人择、平行宇宙），但是光速是一个恒定不变的量，这很容易解释：麦克斯韦电磁学方程组成立的条件是光速为一个恒定不变的数字。如果真空中光速可变，那么电磁学就没有理论依据了，所有依靠电磁学理论产生的工程都不能正常运转。而事实上电气设备都在正常运转，证明麦克斯韦是对的，证明光速是一个恒定不变的常数。当然克尔逊—莫雷实验也直观证明了光速不变。

物理学史上，洛伦兹提出了洛伦兹变换试图用以太论调和问题。而爱因斯坦博士彻底解决了这个问题，他发现按照牛顿经典力学，如果在一个接近光速飞行的宇宙飞船上向前发射一束激光，那么这束激光速度接近二倍光速，但按照麦克斯韦方程，光速是恒定的。二者必有一个是错的。爱因斯坦博士从光速不变原理出发，最终建立狭义相对论。这套理论经过原子钟飞行试验以及GPS定位卫星运转长期验证，认为在宏观高速下是正确的。

结论：光速不变是客观存在，人类在长期生产实践中认识到了这个客观存在。

再添加一个人择原理的解释：光速从宇宙大爆炸之初就没变（谁认为变过谁就去证明）。

宇宙大爆炸的时候，银河系和仙女座星系、室女座星系等一同被炸到同一个方向，且我们同这些星球、星系的距离很近，几百几千几万几十万几百万几千万几个亿几十亿光年也就走到了，近到光在地球40多亿年的寿命中还能跑过来，能让我们观测到。

且宇宙大爆炸发生于约137.5亿年前，比137.5亿光年还远的恒星我们理论上看不见，你问我，比137.5亿光年还远的恒星有么？有的，宇宙大爆炸炸向和我们相反方向的恒星，就可能距离我们超过137.5亿光年。事实上，我们还要考虑宇宙大爆炸后的相对论效应，因此实际上现在观测能观测到一些远比137.5亿光年遥远的天体，可观测宇宙的直径大约为280亿秒差距，大约930亿光年，可观测宇宙的半径大约有460到470亿光年之遥（宇宙时空由于膨胀而变得弯曲）。

如果光速是无限的，那么我们瞬间就能看见所有的恒星，（不考虑暗物质）我们的夜空就会像白昼，我们的气温会变得不适合高等生物。

如果真空中光速是一个随时间地点变化的数值，那么我们会像三体的世界一样，毫无规律，永无宁日，难以产生高等智慧生物。

（人择原理的强答）

光在真空中的传播速度是299792km/s，理论上没有什么物体可以比光运动的更快。如果你可以光速飞行，那么你每秒足以绕地球7.5圈。

早期的科学家不能感知到光的运动，所以他们认为光的传播不需要时间。但是随着时间的推移，对光速的测量越来越精确。由于Albert Einstein和其他人的工作，我们认识到光速是物体运动的理论上限：光速c被认为是任何具有静止质量的物体都不可能达到的速度极限，原因我们会在下面的内容中解释。但这并没有阻止科幻作家们甚至一些正统的物理学家们构想在宇宙中进行超光速旅行。

光速理论的历史---

已知的第一个对光速进行描述的是古希腊哲学家亚里士多德，他不同意另外一位希腊科学家恩培多克勒的观点。恩培多克勒辩称因为光在移动所以它的移动一定需要时间。亚里士多德坚持相信光的运动不需要时间。

1667年，意大利天文学家Galileo Galilei让两个人分别站在相距不足一英里的两座小山上，每个人拿着一个带罩子的灯笼。一个人打开他的灯笼，当另外一个人看到闪光，他也打开自己的灯笼。通过测量第一个人多久才能看到第二个灯笼的闪光，Galileo认为自己可以计算出光速。不幸的是，Galileo所选的不到一英里的实验距离不足以测量到光速的具体值，所以他仅仅可以确定光速是声速的十倍以上。

Ole Römer测量光速的原理图:A是太阳B是木星，小圆是木卫一轨道，大圆是地球轨道。来源WIKI

17世纪70年代，丹麦物理学家Ole Römer利用木卫一的月食现象作为第一次测量光速的精确时钟。在历时数月的实验中，罗默发现木卫一被木星遮挡之后再次出现的时间比计算值要迟，尽管推迟的不是很多。罗默确定光从木卫一运动到地球需要一定的时间。

NASA称“观测结果给了Römer光在空间中以恒定速度飞行的令人信服的证据。”

他推断光需要10-11分钟从太阳抵达地球，这比实际的八分十九秒要长一些。所以他的计算结果给出的光速时200000km/s，但至少科学家有数据可以用了。

1728年，英国物理学家James Bradley 根据他对由于地球公转造成的恒星出现的位置的改变进行的计算，得出的光速是301000km/s,误差低于百分之一。

17世纪中期，两个尝试使得光速可以在地球上进行测量：法国物理学家Hippolyte Fizeau把一束光照射在高速旋转的齿轮上，并在5英里外用镜子把透过的光反射回齿轮。通过改变齿轮的转速，Fizeau 可以计算光要多长时间可以通过齿轮上的空洞抵达镜子上并在反射之后通过齿轮的孔。另外一位法国物理学家Leon Foucault利用旋转的镜子而不是齿轮。两种独立的方法测到的结果和今天测量得到的光速之间的误差都小于1000miles/s。

迈克尔逊-莫雷实验原理图 来源：wiki

在普鲁士出生在美国长大的Albert Michelson，尝试去复制1879年Foucault的方法，但他使用了更长的距离，同样使用高质量的镜子和镜头。他得到的结果是299910km/s,这个结果是之后四十年内光速测量最精确的结果。

关于迈克尔逊的实验有一个很有趣的故事：他的实验原本是想探测光传播的媒介-以太。然而，他的实验证实了以太不存在。

“这项实验是如此的具有革命性以至于他成为历史上唯一一位没有发现任何东西却得了诺贝尔奖的诺贝尔奖得主。”Ethan Siegal写到。“这个实验本身可以说是完全的失败，但是从中得到的信息大大加深人类对宇宙的理解。”

爱因斯坦和相对论---

1905年，爱因斯坦写成了他关于狭义相对论的第一篇论文。在这篇论文中，他提出无论观察者以什么样的速度运动，他测量到的光速都是固定值。即便用最精密的方法测量，观察者在地面测量到的光速和在喷气飞机上测到的数据完全一样。相似地，尽管地球绕着太阳飞行，太阳又在银河系中运动。但是无论观察者是处于银河系内还是银河系外，他测到的太阳发出的光的速度都是一样的。爱因斯坦推断出光速不随时间和地点的变化而改变。

加速膨胀的宇宙 来源：wiki

尽管光速经常被认为是宇宙中速度的上限，但事实上宇宙膨胀的更快。根据天文学家Paul Sutter的说法，宇宙扩张的速度大约是68km/s每秒差距，秒差距是326万光年。所以距离银河1秒差距的星系远离银河的速度是68km/s,相距2秒差距的星系远离速度是136km/s,以此类推。

“在某些点某些非常大的距离上，膨胀速度会超过光速，这是空间膨胀的自然结果”Sutter写到。

他继续解释道，尽管狭义相对论给出了绝对的速度极限，但广义相对论在更大的尺度上允许超光速的存在。

处于宇宙远端的星系？那是广义相对论支配的范畴，广义相对论会说：我不关心这些，星系想跑多快就跑多快，只要它离得够远！

狭义相对论不关心远处的星系是否超光速，你也不必关心。

什么是光年---

真空中的光在空间中传播一年走过的距离叫做光年。可以这么理解：光从月亮传到我们的眼睛大概需要一秒钟时间，我们可以说月亮距离我们1光秒。阳光需要八分钟的时间才能传入我们的眼睛，所以太阳距离我们8光分。光从离我们最近的恒星系统到达地球需要大概4.3年，所以这个星系距离我们4.3光年。

“我们可以通过地球的周长来获得对一光年的直观认识：先把地球的赤道拉直然后扩展至7.5倍（对应一光秒），然后用3160万个相同的线段首尾相接就是一光年的长度，”NASA's Glenn Research center写到，“大约就是6000000000000英里长。”

哈勃望远镜拍摄的半人马座，半人马座中的比邻星是距离太阳最近的恒星，距离4.2光年 来源：wiki

太阳系外的恒星和其他物体距离我们几光年至几十亿光年不等。事实上，当天文学家研究距离我们超过1光年的物体，他们看到的光并不是这是它发出的光。也就是说，我们看到的有关遥远宇宙的一切都是它们历史上的样子。

这条原则使得天文学家可以看到138亿年前的大爆炸后宇宙的样子。当我们观测距离我们100亿光年的物体时，我们看到的是它100亿年之前的样子，而不是它现在的样子，那时宇宙大爆炸刚刚发生不久。

光速真的是常数吗？---

光像声波一样以波的形式传播，光会被它传播路径上的介质减速。没有什么可以追赶上真空中的光。然而，如果一个区域内包含一些物质，哪怕是灰尘，光在通过这个区域时会因为和粒子之间的相互作用而发生转向，这使得光速降下来。

光在地球的大气层中的传播速度几乎和真空中相同，但是光在金刚石中的传播速度只有真空中的不到一半，即便这样也还有124000km/s。

我们可以比光运动的更快吗---

科幻小说热衷于设想超光速飞行，因为只有这样我们才能实现真正的星际旅行。尽管超光速飞行并没有被完全证明是不可能的，但是实现超光速飞行一定是非常非常困难的。

根据爱因斯坦的狭义相对论，当物体的速度变快，它的质量会增加，尽管它的长度会收缩。在达到光速时，物体的质量无穷大但长度是0，这是不可能的。事实上没有物体可以达到光速。

“如果柯克船长的航行速度和我们最快的火箭一样，即便是飞行到离我们最近的恒星系统也要花费几百年的时间，”Seth Shostak说，“所以科幻小说经常假设拥有超越光速壁垒的办法，这样故事可以推进的快一些。”

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世界和宇宙 我都想去看看！
公众号：我们盛装出行（ ID：shu2045）
（这是一个小众，安静，展示未知，探索旅行的公号！这里只有一位撰稿人）

包括光速在内的许多物理学常量为什么刚好是这么多，物理学家有个非常糊弄事儿的说法，叫“人择原理”。

因为事儿不好糊弄，又打了两个补丁，叫“强人择原理”和“弱人择原理”。

我的长处不在物理学，因为我大学物理实际上很烂，是靠着替物理老师处理一头宠物猪才得到的优秀，具体情况见下文：

而物理学家因为在这事儿上非常糊弄，他们文采还一般般，所以说得云遮雾罩的，不甚了了，我猜他们的意思是“我们先不要管这些常数为啥是这么多好不好？我们还有一些重要的事情需要处理，所以你随便信一信就好了啦。”这就导致人择原理说得玄而又玄，普通人很难懂。

那么，我文采比较好，为了对得起大学物理成绩单上那个“优秀”，冒昧斗胆来解释一下。

我们假设你有一个女朋友，你喜欢拥有一个“一生气就会爬到树上去”的女朋友，你觉得这样好萌好有型。而对于女人，在生气的时候当然有无数种选择，比如爬树，比如买包，比如打你，但是你弱水三千只取一瓢饮，就是喜欢并且只能接受爬树这一种。

这就像光速，真空光速当然有无数个可能，但是你只能接受299792458m/s这一个，否则原子无从存在，空间不是三维的，时间乱七八糟，宇宙没办法形成生命来问出题主你这个问题。

强人择原理的意思是，只有一个宇宙，它就是这个取值，它能够形成智慧生命来问出这个问题。要是不能形成智慧生命，那就不存在这个问题了。

就是说，天下就只有一个女人，她一生气就爬树。你以前没觉得这是什么问题，有一天突然就脑洞了，问出了“为什么女人生气就会爬树？”这个问题。其实呢，如果天下只有一个女人，她生气了会买包，你就会问“为什么女人生气了会买包？”这个问题。

弱人择原理的意思是，存在无数个宇宙，我们这个宇宙的真空光速是299792458m/s，所以我们会问这个问题。我们不知道别的宇宙是啥样，但是别的宇宙别的人类里面有个叫“纸糊”的网站，里面一样会有个题主问，“为什么真空光速是X？”

就好比，天下有无数个女人，只有你的女朋友生气了会爬树，而你不知道别人的女朋友生气了会干嘛。实际上别人也在问，特么为什么我女朋友生气了就会打我？

是不是云遮雾绕的？觉得也不是很清楚？

那么我们再简练一点。

不光是真空光速，还有重力常数，基本电荷，普朗克常数等等一大串，都非常特殊，非常精确，都是无理数。就是这些常数，搭建了我们这个宇宙的骨架，形成了基本粒子，形成了各种星体，形成了我们来问出这个问题。

就像一个女人，生气了爬树，高兴了嗷嗷叫，饿了吃香蕉，闲了晒太阳抓虱子。她是你女朋友，你爱她爱得山崩地裂海枯石烂，有一天你突然就问，为什么我女朋友生气了爬树，高兴了捶胸脯，饿了吃香蕉，闲了抓虱子？你挨个问，搞得自己好像很有哲学家的气质。

因为你女朋友是一只猴子啊！

要是你女朋友是一只狮尾狒狒，你就会问，为什么我女朋友头上会蹲着一只鸟？

所以呢，人择原理的精要就在于：它就是这么多，就是这个取值，只有这样取值才会有我们来问这个问题。

我也觉得这个解释很糊弄事儿。

四川话叫做，坟山坝坝烧报纸，你哄鬼！

但是它是正确的。要知道一个问题的答案，你要先搞清楚问题是什么意思。

《银河系漫游指南》里面提到过一个更终极的问题，“宇宙，生命以及一切”的答案是什么？有个很聪明的物种建造了一台很牛逼的电脑来计算这个问题。这台很牛逼的电脑算了整整750万年，算出一个答案：

42。

宇宙生命以及一切的答案是，42。

大家对这个答案很不满意，很愤怒，很想砸了这个破电脑。就跟你吃鸡的时候卡住了那样的愤怒。

破电脑为了保命，说：

答案无比正确，但是你们知道问题是什么意思吗？

所以，人类面对宇宙，唯一有效的理论武器就是幽默感，除此之外你无能为力。

人择原理就是物理学家保命的说法而已，否则会被愤怒的人群绑在十字架上面烧死的。

两天收了4k赞，感谢各位大佬喜欢这个回答。

我只是生物狗，日常科研需要写点代码处理实验数据什么的，答案里提及的数学物理计算机其实都只知道有这回事，拿来瞎比比开心一下而已，不是真懂这么多。

评论里有网友猜答案里说的程序员的原型是作者自己。是的，我初中的时候瞎几把写了个三体问题模拟器，后来学到新的编程或者数学知识就改进一下代码，回答里直到k-d tree空间分割碰撞判定都是实现过的。

感谢评论里做计算机图形学流体模拟的大佬 @洋葱头 指出的n-body问题两两计算作用力求解，时间复杂度是O(n^2)，而不是指数上升，回答已改正。

知乎用户里真的有很多专业人士，发个娱乐向的回答也能感受到同行评议般的学术氛围，这种严谨的考究精神是极好的。

//下面是原来的回答，修改了一个错误

先说结论：因为这个世界很有可能是一台计算机模拟出来的。

在牛顿看来，两个物体的相互作用是瞬间发生的，不需要时间，可以认为作用的传播速度是无穷大。

但后来很多实验发现光速是有限的，而且这个速度是宇宙中物质运动速度的上限。以及，各种相互作用也是光速传播的。

唯有量子纠缠引起的概率变化传播得比这个速度快，这导致后来著名的EPR实验，这是后话。

那么，这些现象给我们什么提示呢？

假如，现在有一个程序员，老板提出一个需求，在计算机里模拟一个宇宙。

首先，程序员决定先实现万有引力。

程序员充满干劲地去找数学老师，老师扔给程序员两本高等数学，上下册。

于是程序员自学了高等数学，发现，可以很简单地计算出两个物体之间的相互作用，微分方程一解，任意时刻的位置和速度都能直接求得，也就是说，两个物体之间的引力相互作用存在解析解。

当加入第三个物体后，微分方程居然解不出来了，程序员去问数学老师，老师丢给程序员一本数值分析。

于是程序员自学了数值分析，发现可以对微分方程进行数值计算，即使得不到解析解的情况下，可以用迭代的方法，解出微分方程在任意精度的数值解。

但这样就引入了一个新的问题，那就是时间的最小单位。如果迭代步长太大(或者使用了低阶的迭代方程)，很有可能方程就不收敛，或者说累积误差就会增大，以至于计算结果和真值差太远，甚至会引起计算结果变为无穷大，导致程序报错。

所以，选择一个很小的步长来推演整个体系，并使用更高阶的迭代方程，能让数值解更接近真实解，并让微分方程代表的体系稳定持续地运行。

程序员很高兴，以为问题都解决了。于是程序员上传了万有引力0.1版。两天后，程序员在issues里接到反馈，称体系的粒子数增加到一千亿之后，系统卡了。

这只是一个星系的恒星数量，什么破电脑，这都跑不动。程序员一路抱怨着，再去问数学老师，怎么优化代码。数学老师扔给程序员一本有限元分析。

程序员自学完有限元分析，发现，一个多体系统里，如果计算每个粒子与其他所有粒子的相互作用，其计算量随着粒子数量的二次方增加，最后导致计算机难以处理大量粒子的相互作用，导致不能实时运行，引起卡顿。而解决这个问题的思路在于，可以将空间分割为网格，使得每个格子里最多存在一个粒子，粒子与粒子之间直接的相互作用计算，转变为粒子与其所在格子的相互作用。格子只与其相邻格子进行插值计算从而更新状态。这样下来，终于能在时间复杂度O(nlogn)下完成粒子相互作用计算了。程序员提交了万有引力0.2版。

这个版本引入了场的概念，让粒子之间直接相互作用，变成粒子和场的相互作用，场是格子和临近格子之间的梯度，梯度驱动着粒子的运动。通过简单的二次插值，就能得到精度很高的结果。但引入场概念是有代价的，那就是对于粒子系统来说，原本瞬间能完成的相互作用，变成要通过场将这个作用传播出去，而由于计算量问题，每一次迭代计算对场的更新只能更新有限的范围，这导致了场的传播有一个速度上限，这个速度跟计算机计算能力有关。但是，在小范围内，这个效应并不明显，并不妨碍这个版本的应用。

一周过去了。0.2版反响不错，老板告诉程序员，用户呼吁为粒子系统加入体积和碰撞的设定。

程序员这次没有去找数学老师，自己琢磨出了将空间按k-d tree分割处理后，单独处理每个碰撞判定的方法，这样避免了重新对所有粒子两两进行距离计算，防止系统重新变为O(n^2）复杂度。

程序员提交了万有引力0.3 体积与碰撞。

没两天，用户又发现了程序的问题。那就是在一个迭代周期内，本来应该进入同一个网格，触发碰撞判定的两个粒子，因为速度太大，直接跳过了该网格而进入了下一个不发生碰撞的网格。导致两个粒子穿过了彼此，而不是发生碰撞。

程序员只好硬着头皮去找数学老师。数学老师丢给程序员一本书，洛伦兹变换。

程序员自学了洛伦兹变换，领悟到，只要将粒子的速度和质量联系起来，使得粒子在一个迭代周期里，运动距离不能超过一个格子，这样就避免了碰撞穿透的问题。

程序员提交了万有引力0.31版，修复了碰撞穿透的问题。

这个版本受到了用户的一致好评。到此，一个模拟天体运动的模拟器基本完成。场和物质的运动速度的上限存在是因为，数值求解微分方程存在时间(迭代步长)最小单位，粒子数和计算量之间需要用有限元方法来妥协，导致最后在一个时间单位内，物质和场运动不能超过一个空间网格。这就是后来老板让更新的电磁作用模型遵守的时空结构，也就是为什么光速是这么一个值。

后来，老板提出要加入基本粒子模型，原子和原子核，电磁相互作用，而且必须兼容之前的架构，导致模拟器到现在还有一些问题还没来得及完善，这都是后话。

从数学的角度来说，本宇宙不过是一组特定解而已。而物理，是对这一组特定解的阐述和解释。

在这一组特定解里面，本宇宙的常数是这一组数值——引力常数、普朗克常数、光速、真空介电常数等等。由于本宇宙是自发对称性破缺的，所以没有完全化为光，多余的正物质在特定的宇宙常数下，形成了目前的宇宙。

宇宙是有限的，数学是无限的。如果说不同的宇宙，不同的位面，有什么相似的规律，那就是数学。

至于为什么本宇宙的光速是299792458 米/秒，只是特定解正好是这个数字。为什么这个特定解恰好这么大，我们可以反证。首先，光速不可能是无穷大的，否则宇宙将充满光和能量，也就不可能有智慧生物问这个问题。其次，光速也不可能比较小，否则相对论效应会严重干扰粒子化学反应的进行。目前的光速恰好是一个不大不小的合适的值，所以宇宙才会有诞生智慧生物的条件——这就又回到人择原理上面去了。