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光速不变原理怎么理解|光速不变是怎么发现的

要理解光速不变原理。首先要有抛弃固有的思维模式的思想准备,否则不容易理解。因为爱因斯坦这个理论有点离经叛道。

我们都知道,描叙一个运动,必须有参考系才有意义。说一列火车时速100公里,是相对地面这个参考系。如果测量者跟着火车跑,测得的火车相对速度会小于时速100公里。如果测量者是迎面过来,测得的火车相对速度就会大于时速100公里。这是一个经典力学中很基础的运动观,也切合我们的生活经验,十分容易理解。

那么,有没有什么运动与参考系无关呢?也就是说,不管你与被测量的火车有没有相对运动,都不会影响你的测量结果。你站在地面上,或者与火车并行,或者逆行,这三种情况测出来的速度,都会是同样的时速100公里。经典物理学认为这是不可能的。

想象一下,当你站在地面上,看到有两列火车A和B以同样速度并肩而行,你测得他们的时速是100公里。当你登上火车B,按照普通物理的常识,你应该看到火车A与你相对静止。是不?万一,如果你发现火车A还在以100公里的时速超越你。这时,恭喜你看到了宇宙奇迹:火车A的运动与参照系无关!

一个物体,不管你是静止不动还是跑得有多快,它都会以100公里的时速超过你。这就是“运动与参照系无关”。可是,这完全……你会摇摇头表示这种现象是完全不会存在的。

可是在麦克斯韦方程里,电磁波的速度就与参考系无关。也就是说,不管你以任何速度存在,你看到的光速永远是恒定的。

你会说:这方程有问题!——当年的物理学家们也是这样想的。他们于是动手做各种实验,想方设法证明麦克斯韦方程组的荒谬性。可是,不管怎么精妙的实验装置,如何仔细认真地测量,测量者在不同运动状态下测到的光速,哇擦还真是不变的!

越多的实验结果出来,不仅没有推翻,反而是验证了麦克斯韦方程组的正确性。物理学家们不得不承认,与参照系无关的运动是存在的,那就是光,也就是电磁波。

与参照系无关的运动,给经典物理大厦的基石带来的冲击,让物理学家十分头疼。因为,相对运动理论是物理学的基础,其他一切运动理论都建立在此之上。物理学这样宏大的理论体系,必须有坚如磐石的基础。当基础发生动摇,看上去尽善尽美的体系就会轰然倒塌。由于上百年来,大到太阳系银河系,小到尘埃灰烬,经典的相对运动理论从不出错。大家不相信相对运动理论有什么问题,只是绞尽脑汁如何用它来解释光速不变。

经典物理学家,还有我们普通的大多数人,都会把宇宙想成一个大大的“空箱子”。很多星系啊星云啊恒星啊行星啊黑洞啊,都散布在这个箱子里头不同的位置。这千千万万个星球中,有些星球是相对箱子静止的,有些星球则以各种速度往各种方向运动。我们脑子中这个“空箱子”,就是我们想象出来的宇宙空间。

这也就是所谓的宇宙“绝对空间”。为什么说是“绝对”呢?因为这个空间的存在并不依赖箱子里头的东西。箱子里的那些星系啊黑洞啊恒星啊什么的,就算是一个都不存在,这个箱子也是存在的,它是一个“空的宇宙”。就像我们画在纸上的坐标,没有那些点线面的存在,坐标依然会存在。

那么,哪些物体是相对宇宙空间静止的呢?如果找到这个“绝对静止”的物体,我们就找到了绝对空间。那么,以这个静止的物体为参考系,宇宙中所有的运动都将会得到确定,都有一个“绝对运动速度值”。

当时的物理学家们提出了一种神奇的物质——以太。他们想象以太是光传播的媒介,充满整个宇宙,以太具有不可思议的特性,例如完全透明、完全无质量、完全刚性等等。最关键的是,以太相对于宇宙绝对空间是静止的。

那么,如果有以太,地球在运动的时候,就会迎面吹来一阵“以太风”。就像我们开车的时候,车子穿过静止的空气形成的迎面风一样。我们通过测量以太风的速度,就可以知道地球穿过以太的速度,这就是地球在宇宙空间中的“绝对速度”了。于是很多科学家纷纷动手,设计了许多精妙的实验装置,通过测量光速的差异来寻找以太风。但是遗憾的是,无论多么努力,他们都没有能够测出以太风。以太理论似乎也陷入了僵局。

爱因斯坦就是在这种情形之下提出了相对性原理,那就是:任何惯性参考系都是相对而言的,宇宙的绝对参考系并没有,也不需要有。

这个理论一开始让很多经典物理学家不能接受。因为没有绝对参考系,我们甚至不知道地球在宇宙的哪个位置,地球往哪里去,去得有多快!承认对自身状态无知的感觉是多么沮丧啊!但是,当科学家们真正理解了爱因斯坦的思路以后,都立即接受并表示:这是一个划时代的新思想!

爱因斯坦之所以得到推崇,其牛逼之处就是,他不再用经典相对运动理论去解释光速不变。他宣称:各位,相对运动理论有缺陷,我来修补一下。他用来修补的,就是著名的洛伦兹变换。这个变换公式这里就不说了。就是在这个公式里,光速是一种极限,如何速度都无法超越光速。

光速与参考系无关,并且是绝对最大速度,这是爱因斯坦“不得不承认”的一种假设。但是这个假设的理由十分充足,如果不承认,就得承认绝对空间的存在,经典理论就无法修补。一百年多来,相对论这个假设,一直被实验所证实,科学家至今未发现相对论被证伪的事实。

经过爱因斯坦的修补,物理学的大厦终于避免了轰塌。科学家们终于长出一口气。从此,地球上渐渐有越来越多的人接受了这样一种观念(实际上也是一种事实):第一,没有绝对的宇宙空间,只有相对的位置和速度。第二,不管你是逆光运动,还是背光运动,还是与光成垂直交叉运动,测出来的光速都是一样的。

爱因斯坦说“任何参考系中光速不变”,也可以这样“通俗易懂”来说:光速会根据观察者的运动状态而改变,从而让观察者觉得它的速度不变。对于“同一束光”,你快它就更快,你慢它就变慢——光的速度是“自动适应观察者”的!这下你明白了没有?

——很离谱是吧?所以尽管相对论提出已经100年了,一直让很多人无法理解。

无法理解相对论的人,大多是没能抛弃经典相对运动理论中绝对空间的概念。或者是一部分用了相对论的概念,一部分则套用经典理论,从而“推导”出时空旅行平行宇宙等等神奇玩意儿。甚至还说时空穿越是相对论的成就,这就歪曲了相对论,谬之千里了。

光速不变原理是怎么被发现的?

光速不变原理实际上是爱因斯坦相对论的基础,相对论是建立在两条基本假设至上的科学理论,这两条基本假设,其中之一是光速不变原理,另外一个就是相对性原理。

相对性原理实际上就是我们初高中所学的参考系的一些相关知识,在这里就不赘述了。今天,我们来详细聊一聊:

光速不变原理是咋来的?

关于光速的论战

关于“光到底跑多快”这个问题,自古以来就有很多的猜想和实践,第一个提出测光速并且真的去做这个实验的人是伽利略。伽利略找了两座山,然后一边点亮手里的灯,另一边看到后,立马点亮自己手里的灯,通过这样一来一回,我们可以计时,两座山之间的距离除以时间,再乘以2,就可以得到结果。

如今我们来看伽利略这个实验,可能会觉得这个实验想当然了,毕竟光速可是3*10^8m/s,一秒钟可以绕地球7圈半。事实也是如此,伽利略并没有成功地测出光速来。

不过科学家并没有放弃测量光速,除了测量光速,科学家们也一直在探讨光到底是什么?

最早,牛顿就提出了自己的观念,他除了《自然哲学的数学原理》这本巨著之外,还有一本光学的奠基之作《光学》,在这本著作中,牛顿提出光是一种粒子。

牛顿当时在学术圈是绝对的霸主地位,没有人敢来挑战他的权威,因此,当时的主流学术观点就是:

光是一种粒子

。当然,当时也有像惠更斯和胡克这样的学者认为:

光是一种波。

事情的转折发生在牛顿之后的150年左右,当时有个人叫做托马斯杨,他做了一个杨氏双缝干涉实验。

这个实验实际上是很神奇的,它指引着人类创建了量子力学,不过这都是后话了。杨氏双缝干涉实验,在那个时代是“光是一种波”的强有力证据。这是在实验上,但从理论上,科学家也搞出了一套理论,这就是大名鼎鼎的麦克斯韦方程。

麦克斯韦通过这个理论,统一了电和磁,让我们知道电和磁其实是一个东西。同时,麦克斯韦预言了电磁波的存在,以及光是一种电磁波。

随后,赫兹通过是按证明了麦克斯韦的观点,应该说,截止于目前为止,光的波动说完全占据了上风。

牛顿vs麦克斯韦

当然,这个新鲜出炉的理论,解决了几乎所有的电磁学现象,但却和牛顿力学发生了矛盾。这是因为麦克斯韦方程可以推导出光速的表达式:

1/ε0μ0

。其中ε0是真空介电常数,μ0是真空磁导率,它们都是常数项,也就是说,光速也应该是一个常数。

可我们要知道的是,根据牛顿力学,任何物体的运动其实取决于选取的参考系,不同的参考系下,运动状态都有可能是不同的。

可麦克斯韦的理论似乎预示着光速是超越参考系而存在的,它在任意惯性参考系的速度都应该是一致的。当时的学者也懵了,毕竟两个理论都是极其准确的。于是,他们就在想,如果光是一种波,那它的传播应该像水波那样需要介质的存在,水波的介质就是水。

当时的学者就把光波传递的介质叫做

以太

。不过,这是纯粹地科学假设,到底存在不存在还得依靠观测实验。于是,许多科学家投身于验证“以太是存在”的实验中。结果出乎了所有人的意料,他们的实验纷纷指向了一个结果:

以太不存在。

26岁的少年当这个结果出来后,当时大多数的物理学家都是不想放弃现有的理论,还在想各种办法来补救。此时有个专利局的三级专利员在1905年陆续发表了多篇论文,其中有两篇被称为狭义相对论。

这个专利员就是26岁的爱因斯坦。

这两篇论文中,爱因斯坦放弃了“以太假说”,并且提出了“光速不变原理”,也就是遵照着麦克斯韦理论推导的结果,光速在任何惯性参考系下都不变。加上相对性原理,就推导出了狭义相对论。

因此,光速不变原理的提出,在某种程度上说是为了调和两个理论体系(牛顿力学和麦克斯韦电磁学理论)的矛盾。

只是在调和的过程中,爱因斯坦以此为基础,直接提出了一套全新的理论,而且适用面要比牛顿理论更广。

当然,爱因斯坦通过光速原理推导得到了物质、信息、能量的传递速度不能超过光速。这其实也是爱因斯坦留给其他科学家来证伪相对论的一个角度。但是100多年来,无数人挑战了这个假设,至今没有人可以证伪相对论。因此,至少从目前来看,光速不变原理还是很坚实的科学假设。



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