光速c无法由量子力学确定

这是一个非常深刻且触及物理学根本的问题。简单来说,答案是:不能。

质能公式 E=mc² 中的光速 c ,其数值不能通过薛定谔-海森堡体系(即非相对论量子力学)来确定。原因如下:

1.理论框架不同

  • 质能公式 (E=mc²) 来源于爱因斯坦的狭义相对论 。这个公式揭示了质量与能量之间的等价关系,其核心是光速c在所有惯性参考系中保持不变 这一基本假设。光速c在这里是一个基本物理常数,是时空结构本身的属性。
  • 薛定谔方程和海森堡方程非相对论量子力学 的基石。它们描述的是在低速(远低于光速)情况下微观粒子的行为。在这些方程中,时间与空间是不对等的 (时间是参数,空间是算符),且没有包含光速c作为内在标度

2. 光速c的角色

  • 在薛定谔-海森堡体系中,ħ(约化普朗克常数) 是核心常数,它设定了量子效应的尺度。
  • 光速c在这个体系中不出现 ,或者说,它被隐含地视为无穷大 (因为非相对论近似忽略了信号传递的有限速度)。因此,从这个体系本身,无法推导或确定光速c的数值

3. 如何确定光速c?

光速c的数值是通过精密的物理实验 独立测量出来的,例如:

*使用激光干涉仪测量光在真空中的飞行时间。

  • 通过测量电磁波在已知电容和电感电路中的共振频率来计算。
  • 现代国际单位制(SI)中,光速的数值已被定义为精确值c = 299,792,458 m/s。米的定义反过来由光速和秒的定义共同确定。

4. 两者的交汇点:相对论性量子力学

虽然非相对论量子力学无法给出光速,但物理学的发展要求将量子力学与狭义相对论结合。这导致了:

  • 克莱因-戈尔登方程狄拉克方程 :这些是相对论性的量子波动方程,自然包含了光速c。狄拉克方程预言了反物质的存在。
  • 量子电动力学量子场论 :在这些更高级的理论中,光速c和约化普朗克常数ħ同时作为基本常数出现,共同描述了高速、高能的微观粒子世界。

总结一下:

  • 光速c相对论时空的基本常数,由实验定义和测量。
  • 薛定谔-海森堡体系非相对论量子力学 的框架,其核心常数是ħ
  • 要在一个理论中同时包含质能等价量子行为 ,必须超越薛定谔-海森堡体系,进入相对论性量子力学量子场论的领域。在那里,光速c和约化普朗克常数ħ将共同作为理论的基石。

所以,您的提问恰恰指出了一个关键:完整的物理理论需要将相对论与量子力学统一起来,而这正是现代物理学前沿(如量子引力、弦理论)试图解决的终极问题之一。