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光速不变原理不是被发现的,爱因斯坦说

  上回说到以太说虽经多方改良但已很难维持局面,这时有人便乾脆提出一个全新的革命学说,此人就是爱因斯坦(1879-1955)。

物理学的概念都是基于“可测量物理量”而不是“定义”

问:光速不变原理是怎么被发现的?

在读《时空的未来》时,看到科学圈的大牛们经常收到“民科”郑重其事的来信否定相对论,我不禁莞尔,自己受到的委屈也未免太微乎其微了。每天逛知乎,也经常会在首页看到“两束光相对速度”、“汽车运行中开灯的速度”等月经贴,在相对论诞生100年后的今天,绝大多数人对相对论的理解,还停留在质疑光速不变上。

  1905年当物理学界正被天空出现的两朵乌云所困扰时,爱因斯坦正在瑞士伯尔尼专利局当一个三级小职员。他已经想清楚这个问题,提出了一个崭新的“相对论”。

时间、距离的可测值在低速满足速度叠加,接近光速不满足,本身是实验结论而不是逻辑推导。实证第一而不是逻辑第一

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其实,相对论并没有规定光速不变,而是科学家们首先发现了光速在任何参照系不变这个怪现象,才有了相对论去解释它,搞不清这一点的民科,实在可悲。

  各位读者,这相对论实在难懂,据说当时全世界只有三个人能弄懂它。爱因斯坦成名之后许多人慕名去听他的报告,但又常常听不懂,后来爱因斯坦也摸着这些听众的心理,总是在报告的前半部分讲些热情洋溢的话,然后宣布:“现在休息,那些对下面问题不感兴趣的女士、先生们可以退场了。”爱因斯坦很羡慕卓别林的电影拥有众多的知音。一次,他们见面了,爱因斯坦说:“卓别林先生,您真伟大,您演的电影全世界人人都能看懂。”那位幽默大师立即说:“您也很伟大,您的相对论全世界几乎没有几个人能够弄懂。”相对论如此难懂,我们就只好深理浅说,长话短叙,先简单交待几句再讲爱因斯坦的故事。

至于如何用一套有效的数学自洽的体系满足这些观测结果而不自相矛盾,请看相对论的具体内容

首先说一下什么光速不变原理,它并不是指光在真空中的速度是30万公里每秒,而是指光在任何参照系下的速度都是光速本身,光速是绝对的,不需要参照物,比如说你拿着手电筒以5米/秒的速度奔跑,静止的我看到手电筒发出的光的速度仍旧是光速,而不是光速 5米/秒!

一切要从1887年的“迈克尔逊--莫雷实验”开始。在牛顿爵士建立了精美的稳固的宇宙模型后,尽管有胡克这样的大师进行挑战,但也不过是在光到底是波还是粒子的小细节进行纠缠,并没有撼动他精心构筑的经典物理学大厦。即便是300年后科学家们终于用不可辩驳的实验证实了光是波,也想当然的在牛顿的物理学大厦里找一套理论来解释,于是他们虚拟了“以太”这种无处不在的介质。在所有的相对运动的远处,一定要有一个绝对的参照系,用上帝的视角来观察着一切,即便是在真空,也一定有一种当前技术探测不到的以太,来维系光波的传递。迈克尔逊和莫雷设计了一个巧妙的实验,试图来探测以太的存在。这个实验几乎就是高速行驶的汽车打开大灯的翻版,迈克尔逊和莫雷试图通过探测两个速度叠加来证实以太的存在,但事实是,这个实验证明了光速不受叠加的影响,在任何参照系下都保持不变。从1887年到1905年(狭义相对论1905年发表),这个实验被重复了许多次,结果在误差允许范围之内,一而再再而三证实了光速不受参照系的影响,在任何情况下都保持不变。于是,牛顿爵士的物理学大厦坍塌了。

  迈克尔逊实验证明,无论顺着还是逆着地球运动的方向光速都是一样。爱因斯坦就紧紧抓住这一点把它固定下来,叫光速不变原理。就是说光源无论是向我们跑来、离去或静止都不能改变光速。这是因为光源的运动造成光的频率和波长的改变,它们互相补偿,所以光速保持不变。这是爱因斯坦理论中基本的一条,有它为前提才能讨论以后的问题。这好像很难懂,但我们用实际生活中的例子一比也就十分清楚了。比如你原地不动,对面有人向你扔过一个皮球来。你能看到他的头、脸、身、手和皮球,这当然是因为光从他身上反射到你的眼里。如果按照经典的速度合成原理,球一出手后就有一个向你而来的速度,这时球反射到你眼中的速度是光速加球速,比球未出手前要快(多出一个球速)。但是这一“快”就糟了,你就会先看到正在空中的球,后看到拿在手里的球。如果真是这样,我们怎么能看篮球比赛呢,生活中的一切动作岂不都要颠倒过来?所以无论光源如何动,光速总是不变的。经典理论的速度合成原理一碰到光速就不适用了。在天文观察中也能说明这一点,有一种“双星”是在轨道上互相绕着运行,就是说某星一会儿向地球飞来,一会儿又绕走了,离地球而去。如果按速度合成原理这麻烦就更多了,这星会以光速加星速、光速减星速(星速对地球来说又在不断变)等不同速度接连送到我们眼里。我们看到的就不是一颗星,而是一大堆星的幻影了。可是这种现象从没有发生,否则本来就够纷乱的星空就更是一锅粥了。当然,爱因斯坦还有许多具体的证明,我们这里不过是尽量从浅处说明罢了。

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再回到问题中来!准确地说,光速不变原理不是被发现的,是爱因斯坦做出的一个假设,然后在现实中被验证的!

科学家们急忙提出各种理论来修正经典力学,但总不能完美的解释这个现象,因为在两个运动的物体上发射光线,它的速度怎么可能不变?直到专利局的小职员--爱因斯坦抛出了狭义相对论,一个全新的大厦开始建立了。

  既然承认光速不变,我们就有了一个标准尺度,用这个尺度来量时间,这下可发现了一个大问题-原来时间却没有个固定标准,它是相对的,可变的。这就碰到了牛顿经典物理学最要害的地方。牛顿认为时间和空间都是绝对的,自从上帝将它创造好后就在那里安安静静地存在,独立地存在,与外界任何事物无关。现在爱因斯坦说:不,在两个作匀速直线运动的参照系中,一切自然规律都是相对的。在这个参照系里观察是静止的,在那个参照系观察就可能是运动的,不单力学实验,连光学实验,任何实验也测不出绝对运动和绝对时间。因为我们用眼睛看表,看到的是表发来的光信号,而光的传播需要时间,我们所处的位置不同,看到的时间表面上相同,实际已经不同了。从月球到地球,光约走1.25秒,地球上红光一闪,一颗炸弹爆炸,在月球上的宇航员和地球上的人都“同时”看到了这一闪,可是实际上月球上的宇航员比地球上的人要晚看到1.25秒。我们平时总觉得同时、同时,那是因为光速太快,这种误差根本觉不出来。所以爱因斯坦在给人讲相对论时常先在黑板上划一条白线,幽默地说:“请你们想像这是宇宙中的一条线,在这条线的每一个点上都挂着一块表”。他讲到高兴时常常过了点,便问前排的人现在几点,然后抱歉地说:“对不起,我给宇宙里的每一处都挂上一块钱,可是没有能给自己口袋里挂一块表。”

想理解光速不变这个问题,需要脑筋转一个弯,为了帮楼主转这个弯,我先谈点别的。

我们都知道,爱因斯坦相对论之前,牛顿的绝对时空观统治着物理学界,这种时空观人为,万事万物的速度都是相对的,都需要有参照物,光的速度也不例外。

除去繁杂的难以理解的数学公式,狭义相对论其实并不复杂。光速之所以不变,是因为时间是相对的,运动的越快的物体,它的时间越慢,而光速运动的物体,它的时间会静止,这样就完美的解释了光速在任何参照系都不变。

  在确定了光速不变,抛弃了牛顿的绝对时空观后,爱因斯坦得出这样几个重要结论。

为什么哥白尼的时代那么多人相信是太阳在绕着地球转?因为人都有惯性思维,更愿意相信自己的眼睛,人看到的就是地面不动而所有星星(包括太阳月亮)在动,所以在有人弄出能十分说服人的理论之前,大家更乐意相信自己自己的眼睛。

但爱因斯坦仔细研究了麦克斯韦方程组发现一个问题,方程组中光速是一个常数,也就是没有参照物。在绝对时空观思维的支配下,于是物理学家们开始寻找光速的参照物,以太应运而生。

当然,这样的解释会带来很多常识的坍塌,比如经典的“双生子佯谬”。如果双胞胎的一人,乘坐接近光速的飞船远行,等他回到地球,他的年龄几乎不变,而他的双胞胎哥哥已经苍老。这是绝大多数民科无法理解的,他们认为时间必须是客观、绝对的,双胞胎无论在哪里,他们的时间流逝都是一样的。因为双生子佯谬问题,一个自称有几十年天文观测经验的天文爱好者,跟我车轮大战般的讨论了一个多星期,始终无法理解,并给我扣上了读书读傻了的帽子。我叹了口气,其实双生子佯谬是实验已经证实了的,当然目前我们没有能力把活人加速到接近光速,我们可以探测到接近光速的μ子。

  第一,便是看来很不可信的“钟慢尺缩”。就是说在运动中的钟会比静止时走得慢,尺子也会缩短。我们平时处在低速运动中当然不可能觉察,但是如果以每秒26万公里的速度运动时,一米的尺子就会缩成半米,地上过了一小时,运动中的时钟却才走了半小时。一个人要是坐上光子火箭到宇宙里去旅行,当他归来时会奇怪地发现,儿子已白发苍苍,而自己却还那样年轻。这样的试验我们当然还不能做,但是同样道理的实验却完全可以证明运动中的钟确实会变慢。前几回我们讲到原子的放射性时,已经知道了什么叫“半衰期”。某一种基本粒子的半衰期是固定不变的,因此我们可以把它看成是一个“钟”。根据相对论,运动粒子比静止粒子的半衰期就应该长一些,实验结果,从粒子加速器里出来的以接近光速的速度运动的粒子比其他静止的粒子确是衰变得慢。

为什么你相信是地球自己在转?我敢说,你不是在弄懂了地球自己转这套理论之后才相信地球在自己转,而是在你弄懂这套理论之前,在你对世界充满了疑惑的时候,你的哥哥姐姐就说地球在转,你就象磁铁吸铁一样被地球吸引着,你的小学教材上写着“太阳大,地球小,地球围着太阳跑”,因而你在学懂之前先相信了地球在转,然后因为你相信了,所以你很容易就学懂了那套理论,并不是因为你比哥白尼时代的教主更聪明所以你能学懂他们学不懂的知识。

但之后物理学家们发现以太的存在会导致越来越多的问题和矛盾。爱因斯坦天才的大脑开始发挥作用,他就想,为什么以太一定要存在呢?以太本来就是假设的,如果以太不存在,光速不需要参照物,一切问题不就解决了吗?

完美解释了双生子佯谬的实验,是μ子观测试验。μ子是一种带有一个单位电荷、自旋为1/2的基本粒子,μ子的平均衰变时间是2.2微秒,这是一个非常短暂的时间,常规情况下,这点时间它只能走600多米,连穿过15千米的大气层的时间都不够,但是在地球上,我们能观测到的μ子非常多(约1000个/(平方米·分钟)),这是为什么呢?其实,这就是因为相对论预言的“慢钟效应”。μ子们就像双胞胎佯谬中的双胞胎,在太空中静止的那个,2.2微秒后就衰变了,而接近光速飞向地球穿过大气层抵达地面的那个,就是坐接近光速的飞船旅行回来的那个,经历过漫长的时间,他还活着,并不是因为他的寿命延长了,而是他的时间变慢了,因为他运行速度接近光速,他的2.2微秒迟迟没有用完。相对论给出了公式,可以计算时间与速度的关系。

  相对论的第二个结论是揭示了质量和速度的关系,运动中的物体比静止时质量增加。第三个结论是讲质量和能量的关系,这就是那个极其著名的爱因斯坦方程:

我们日常中所见到的,除了光,都是低速,即使是每秒十来公里的火箭、卫星,对相对论来说,还是属于低速范围,只有在考虑非常精确的计算时才会考虑运动的相对论效应。因为你处于一个低速世界,你看到的全是可以用经典力学来描述的低速运动,所以就象哥白尼时代的人看到所有星星从东方升起西方落下因而很难接受地球在转这个事实,你很难理解为什么光速不变。

按照奥卡姆剃刀原理,爱因斯坦认为我们没必要刻意让科学走向复杂,假设光速不变,一切就变得如此简单。而麦克斯韦方程组中的光速也恰恰是一个常数!

其实类似的实验还有很多,比如铯原子钟的飞行试验,这种钟是目前人类设计的最精准的钟,但是经过环球飞行后的铯原子钟与地面上的钟时间却是不一致的。

  E=mc^2

光速不变原理不是被发现的,爱因斯坦说。爱因斯坦为什么会想到光速不变呢?在爱因斯坦之前,首先有麦克斯韦根据真空的电磁特性值(真空的电容率和磁导率)计算出了电磁波在真空中的速度,并预言光就是一种电磁波。麦克斯韦的计算不依赖任何特定的参照系,或者说是选择了相对自己静止的参照系,而这个参照系与别的参照系相比没有任何特别之处,而用来计算电磁波速度的这个理论看起来是很完美的。但麦克斯韦这个计算,却直接与经典力学相冲突,而经典力学在当时看来不但完美并且经过了很长时间的验证,于是很多科学家试图通过修改麦克斯韦的电磁理论来让电磁理论与经典力学完美结合,其中就包括试图给光速找一个特定的参照系——以太。可是,无论怎么修改麦克斯韦这个电磁理论,即使已经将一个简洁而优美的电磁理论改得复杂而丑陋了,都无法让电磁理论与经典力学完美结合,而更为令人惊奇的是迈克尔逊-莫雷实验试图测量地球在以太中的运动速度,却测了个相对运动速度为0的结果。虽然对于绝大多数人来说,迈克尔逊-莫雷实验是颠覆经典力学之作,但爱因斯坦更看重的是理论本身,因为麦克斯韦的电磁理论的简洁而优美,爱因斯坦对这个理论的正确性深信不疑,他认为迈克尔逊-莫雷实验是“本该如此”的一个无足轻重的实验,接下来就是要创立一个新理论来让电磁理论与经典力学完美结合——就象哥白尼要弄一个简洁的日心说去取代托勒密的复杂的地心说。而弄这个理论的前提,就是要先相信麦克斯韦的电磁波速计算不需要依赖特定的参照系,也就是在任何惯性系中,真空的电磁特性都是一样的,所以光速也是一样的——这就是光速不变。

于是,光速不变原理应运而生,它就是一个假设。这个假设得到了验证,比如说迈克尔逊莫雷的实验!

于是,民科们说,之所以这样,是因为观测手段的不足导致的。

  过去我们讲过质量守桓定律和能量守桓定律,而爱因斯坦现在却把两个定律统一在一个公式里了。E是能量,m是质量,c是光速。从公式中可以看出,每一点物质,只要它有质量(这是当然的),那怕是石块、木棍、尘埃都含有极大的能量,因为光速是一个很大的数字。比如1公斤煤,完全燃烧后只能放出3.35×10^4千焦的热,这只是它所蕴藏的极小的一部分能量,如果能把它的全部能量都释放出来就有9.04×10^14千焦。这相当于一个大城市几年消耗的电力。而每克物质所含的能量就有8.37×10^11千焦。可惜我们现在还没办法将它们全部释放出来。

而爱因斯坦的狭义相对论就是建立在光速不变原理基础上才出现的!光速不变的实质是时间和空间的相对性,牛顿的绝对时空观也因此土崩瓦解!

其实在1887年的时候,科学家们也普遍认为有个绝对参照系,有绝对静止的“以太”,直到爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论构筑了现代物理学的基石之后,仍有不少科学家还在试图完善经典物理学来解释光速不变。只是,再漂亮的大厦,失去了基石之后,也是不复存在的,不是吗?

  好,办不到的事我们先不去说它,但是自然界切实存在的事却可以来验证这个公式。很久以来人们一直不理解太阳为什么能如此长期地燃烧而不灭。开始人们解释说太阳就像一块大煤在持续燃烧,可是一算这块煤顶多够烧1500年,而太阳系已存在了几十亿年了。放射性发现后人们又猜测太阳是一块大铀在不断地衰变而放出能量,这样倒真可以持续几十亿年。但是,很可惜太阳不是铀构成的,正好相反它是氢、氮这类的轻元素构成的。到本世纪的二、三十年代,人们用爱因斯坦的公式来解释太阳聚变释放能量的过程才圆满地回答了这个问题。这样,爱因斯坦的这个质量等价定律使经典物理学中不能称重的能量也变成可以称一称了。现在我们已经可以算出一个10瓦的灯泡每分钟发射的光轻于7×10^-12克,但是每天太阳放出辐射能,其损失的质量将达4×10^11吨。电磁场也可以称量,一个1米直径的铜球充电到1000伏的电势时,它周围的场重2×10^-22克,一个普通实验室里的磁场重10^-15克。热能也可以称量,一公升水在100℃时比同样数量的冷水重10^-20克,一个两万吨级的原子弹所释放的总能量约重1克。

光速不变原理是爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论中的两条基本假设之一,它是相对论的框架基础,如果光速不变发生变化的话,那对于现如今的物理大厦将是毁灭性的,不过,这样的情况不会发生。

随着卫星、GPS等现代文明的普及,以及核武器、核电站的发展,相对论的应用也越来越广泛,在宏观世界要遵守爱因斯坦的规矩,已经成了现代文明的基本共识。以至于《阿凡达》、《安德的游戏》这类经典的科幻片也要在影片考虑相对论的“慢钟效应”,高速远行的飞船和地球的时间是不同步的,让其中的科学部分更加真实可信。

  各位读者,这个爱因斯坦真正是不简单,我们平时谁会想到光、热、电、磁是可以称出重量的呢?而他想到了,并且还找到了切切实实的换算办法。人们过去对能量守恒和质量守恒的研究,就如在一座大山的两头挖着隧洞,两条洞就要衔接了,可是彼此谁也不知道。这时爱因斯坦是来举起镐头轻轻这么一敲,两洞之间的隔壁就轰然倒塌,质能之间有了一条可以随意畅行的坦途。这就是科学研究的突破,这就是飞跃。凡科学伟人都是善于找见这个问题与那个问题,这个领域与那个领域之间的结合部、联系点,从而打出一个新的天地,或者将过去人们在向科学进军中建立的分散根据地沟通联成一片。科学成果的取得像我们政权的取得一样,也是这样由小到大,由分散到统一。我们回想一下前面讲过的几个科学伟人,牛顿对比了月亮、苹果之间的重力联系,创立了万有引力;法拉第找见了电磁间的联系,使磁变成了电;麦克斯韦弄清了电场磁场间的联系,创立了电磁场理论。现在爱因斯坦又找见了质能之间的联系,创立了相对论。人类在征服自然中就是这样步步登高,视野愈来愈宽阔。治学之大敌是甘做井底之蛙,只见头上的一眼蓝天而不知世界之大。

是爱因斯坦提出的光速不变原理吗?

在民科们用相对而行的两束光和一根刚性的大棍子超光速旋转这类可笑的思想实验质疑相对论的时候,科学早已走到他们可怜的智商无法理解的境地,如今的量子力学发展到了让顶级科学家都难以理解的程度:现在和未来会影响过去,宏观尺度相隔遥远的两个纠缠态粒子可以超距“感应”... ...

  这个道理说来容易,但为什么总是只有少数伟人才能做到这点呢?自然那牛顿、法拉第、麦克斯韦各有其长,而爱因斯坦更有他的特殊之处。

是爱因斯坦提出的,但爱因斯坦的启发来自于麦克斯韦方程组,从麦克斯韦方程组中可以推导出来光速是一个定值,如下:

  爱因斯坦1879年3月14日生于德国南部的乌尔姆小镇。这个小镇就是当年笛卡儿在梦中发现坐标系的地方,而1879年又正是麦克斯韦完成了他在人世间的伟业后开始长眠之时。真是天将降大任于斯人而精心选择了此时此地。他并不像其他科学家那样小时候就聪慧早熟,四、五岁时还不大会说话,以至于父母真怕这孩子会痴傻,中学毕业时又没拿到毕业证。但是他却很喜欢抽象的思维,刚上中学时领到一本新几何课本,他立即被那里面严密地逻辑证明迷住了,以至于老师还没有正式开课,他早把这本书自学完了。他喜欢自己学习、思考,他讨厌学校那种强制性的教学法,他说:“依我看,学校若主要靠恫吓、威胁和人为的权威教学,那是最坏的。这种教学方法摧残了学生们的健康感情、诚恳正直和信心,培养出来的是唯唯诺诺的庸碌之辈。”爱因斯坦是一个天生不愿受任何约束的人,他大学毕业后在伯尼尔专利局当一名审查专利的小职员,这给他提供了一个自由的环境。他与其他三个青年人组织起来成立了自己的“奥林匹亚科学院”,经常东南西北地乱扯闲谈,从物理到哲学无所不包,而新思想就在这种碰撞中闪出了火花。大凡一种新科学思想的生成,一是要有充分的外部自由,没有什么旁加的干涉和硬派定的题目,纯出于研究者自觉的兴趣,自由地干他所想干的事,如牛顿在家乡躲瘟疫而发现万有引力,如孟德尔在修道院发现遗传规律,如卡文迪许把自己关在房里发现氧气。二是要敢想,如哥白尼敢把旧天文学倒转过来,如赫胥黎敢想像人是猴子变的,如普朗克敢把连续的辐射想像成不连续的能量子。爱因斯坦就具备了这两条。他还是一个16岁的中学生时,就想:要是人和光速一样快地运动,会是什么样子。他26岁时在专利局作着小职员,听到了迈克尔逊的一系列实验和洛伦兹修修补补的解释,便大笔一挥连续写了三篇论文,提出了上面我们谈到的那些别人无论如何也不敢想的问题。就是那个为相对论扫清了道路的迈克尔逊,至死也不敢相信相对论的原理。1931年,当他79岁第一次见到爱因斯坦时,这位老前辈遗憾地说,“我真没想到,我的实验反倒促成了相对论这样一个怪物的诞生。”

从方程组中计算得来这算是一个启发,迈克尔逊-莫雷实验算是另外一个启发。迈克尔逊-莫雷实验是一项于1887年在美国的克利夫兰由莫雷与迈克尔逊两人做的用迈克尔逊干涉仪测量两条垂直光线速度差值的一项著名的物理实验,从实验的结果来看,光速的大小与所选择的参考系无关,简而言之就是,无论在什么样的参考系中,光速都是定值。

  这个“怪物”是在1905年诞生的。爱因斯坦天马行空般的思维,捕捉到了这种绝妙的构思,于是一挥而就,给当时的权威杂志《物理学纪年》写去一篇只有三页的论文。论文中他没有引用任何一个权威人物的结论,全是自己的语言,自己的思想。这篇东西在当时并未引起多大反响,因为它实在太怪了,爱因斯坦自己也说:“推断非常诱人,然而上帝是否在笑我,在骗我,当前还不得而知。”但是以后随着实验的不断验证,这篇论文却变得价值连城。后来,1936年,美国一支志愿军要出发去支持西班牙的反法西斯战争,但是苦于没有军费。他们就派代表去会见爱因斯坦。爱因斯坦说:“我能给你们帮什么忙呢?”

麦克斯韦方程组

  “我们只要您1905年的那篇论文手稿。”

在爱因斯坦没有在狭义相对论中以光速不变原理做假设之前,大多数的物理学家依然停留在牛顿时代的绝对时空观念之中,认为以太是一个绝对的参考系。爱因斯坦以其洞察的智慧,果断的抛弃了以太的观念,否定绝对时空,由来自于麦克斯韦方程组以及迈克尔逊-莫雷实验的启发,爱因斯坦打破成规,提出了光速不变原理。

  “这对战斗有什么用呢?”

什么是光速不变原理呢?

举个简单的例子,夜间,一辆开着前照灯的疾驰的火车(速度v),小明安然的坐在椅子上,小芳在火车里朝着火车运行的方向走去(速度为u),小月在火车道旁边站着目睹火车从不远处的火车道上飞奔离去。于是,小明测得的前照灯光的速度是c,小芳测得的速度不是c-u,而也是c,小月测得的速度不是c v,而也是c,也就是说,不管你处于什么样的参考系中,光速依然是c,定值,不变。

个人浅见,欢迎评论,我是科幻船坞,感谢大家的阅读与关注!

本文图片来自于网络,侵删

只要是一束光,那么不管它相对于什么惯性参考系,它的传播速度都是一样的。在爱因斯坦的相关理论中,“光速不变”可以说是我们最难接受的一个概念了,但就这个与常识相悖的理论,却偏偏成为了现代物理学的公理。

那么这条公理到底是怎么来的呢?这事要从大名鼎鼎的英国物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell)的电磁学基础方程组讲起,这组方程不光统一了电磁领域,而且还计算出了电磁波在真空中的传播速度与光速一致,从而预言了光也是电磁波,这个预言随后被实验物理学家所证实。

于是一个问题就摆在科学家们的面前,那就是所谓的速度都是相对某个参考系的,那光在真空中的速度又是以什么为参考系呢?对于这个问题,当时的主流理论认为宇宙中存在着一个无处不在的、绝对静止的参考系-“以太”。

在当时的科学界,对“地球围绕太阳公转”这个说法早已认同。显而易见的,地球相对于“以太”是有一个速度的,如果真空中的光速是相对于“以太”这个参考系的,那么根据速度叠加原理,从地球上发射出去的不同方向的光,它们的速度必定不会是相同的。

为了验证这个理论,美国物理学家阿尔伯特.迈克尔逊(Albert Abrahan Michelson)和爱德华.莫雷(Edward Morley)于1887年利用迈克尔逊干涉仪做了一个著名的实验,即迈克尔逊-莫雷实验。这次实验的结果是,光速在不同惯性参考系以及不同的方向都是不变的。

这个实验结果在当时可谓是石破天惊,因为它似乎撼动了当时整个物理学的根基,于是科学家纷纷进行了相似的实验,实验的精度也大幅的提升,然而这众多实验的结果都是惊人的一致!顺便提一下,阿尔伯特.迈克尔逊也因此成为了美国历史上第一个获得诺贝尔物理学奖的人。

科学家们不得不面对这一事实,即经典运动学是对的,麦克斯韦方程组也是对的,但为什么把它们放在一起就不对了呢?于是他们提出了各种理论来试图解释这个现象,但这些理论都不能做到完美的程度。

这个时候爱因斯坦大胆地指出,既然事实就是这样的,那么在宇宙中“以太”就不应该存在,而“光速不变”就应该做为一条物理学中的定律。

在此基础上,爱因斯坦提出了著名的“狭义相对论”,假设光速对于任何惯性参考系都是不变的。为了支持“光速不变”,时间和空间就不应该是绝对的了,这就是“钟慢尺缩效应”。

当一个物体在低速运动的情况下,因为时间和空间的变化程度极其细微,所以经典运动学可以给出近似的解释,而当这个物体的速度越接近光速,时间和空间就改变得越明显,这个时候就只能用相对论来解释了。

爱因斯坦就这样把这个问题解决了,我们也可以看出,“光速不变”这条定律,是爱因斯坦基于观测到的自然现象提出的一个合理的假设,通俗地讲,就是猜的……如果有一天,你发现了真空中的光速其实是可变的,那么整个世界将因你而改变!


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光速不变的原理因为光是电磁波。凡是波在同一介质中传播速度都是不变的。电磁波,声波,引力波,磁波,电波,水波都是如此。为什么呢?这是波的特性。笫一个波形成后就脱离了波源,独立于波源,不管波源如何运动都改变不了己经发出去的波。波的传播速度由介质决定。波源的运动只改变开始波生成的频率,完整一个波后离开波源,波源就就设有办法改变波的频率了,这就是多普勒效应的本质原理。我们在远处看见闪电,很久才听到雷声,其实是同时发生的,因为声波传播速度比光的传播速度慢许多。当我们听到雷声时,闪电的地方雷声已经消失了。回声,也说明了,波一旦离开波源就独立存在了。速度只与传播介质有关。我不明白光速不变会得出相对论。声速性质也一样,得出什么论?

这个话题只有一个用处,就是让我们再次重温爱因斯坦的伟大,仅此而已。

  “先生,您的这篇手稿现在可以拍卖400万美元,这正是当前我们最缺少的东西。”

光速不变原理是一个假设,完全是爱因斯坦自己想出来的

1905年,爱因斯坦在瑞士专利局担任3级审查员,在那个小房子的窗口下,他一口气于这一年中,完成和发表了5篇论文,其中三篇完全配得上诺奖,当然还包含现代科学之柱之一的狭义相对论和那个文盲都识得E=mc2。

根据他传记作者CP.斯诺记载:爱因斯坦“全凭思索,独自一人,没有听取别人的意见就得出了结论。在很大程度上,情况就是这样。”

  “噢,原来是这样。可惜手稿早已散失,不过我可以找来杂志重抄一份。”

光速不变对当时科学界的意义

这个简单的假设以及其简单的推论E=mc2;解释了恒星为什么可以燃烧几十亿年而又不把燃料用尽。一下子使得地质学家和天文学家的视界开阔了几十亿年。一下子解决了宇宙性质的核心部分。

同时,该理论也解决了光以太的问题,说明它并不存在,牛顿的绝对静止的经典宇宙统治时间结束了,现代科学进入到爱因斯坦相对论统治宇宙的时间。

  爱因斯坦找来那本《纪年》,花了一个晚上将论文重抄了一份,真的靠它武装了一支军队。不但是论文手稿,后来只要爱因斯坦到一个地方讲学,他写过公式的那块黑板,也常常是听课人的必争之物,他们视为最珍贵的纪念。这是后话。

相对论的理解至今仍旧困扰大多数人

相对论中的光速不变,实际内容就是空间和时间不是绝对的,一切都可以为了光速不变而让步以及做出改变。我们本能的把时间看做永恒的,绝对的,不可改变的。相信什么也改变不了它的步伐。但爱因斯坦认为,时间是可以改变的,不断变化的。时间甚至还有形状,一份时间和三份空间结合在一起。不可思议的形成一份“时空”。

  再说,当1905年载有爱因斯坦的《论运动物体的电动力学》一文的黄色封面的《纪年》送到普朗克教授手里时,他正躺在柏林医院里治病。这篇文章就像一支强心针一样使他猛然起身下床,大喊一声:“一个新的哥白尼出现了!”然后立即喊家人拿纸笔来给爱因斯坦写信,“先生,您的这篇文章将会在世界上引起一场什么样的战斗啊!您知道吗?这只有为哥白尼世界观的传播而进行的斗争才能与之相比。可惜我们未曾晤面,我也是第一次拜读大作。请告诉我,您现在哪其工作,我能为您做点什么?”

结语

我还是用CP.斯诺的话来结尾吧:狭义相对论是一项深刻而重要的成就,但是爱因斯坦没有想到,别人也会想到,很可能在5年之内,这是一件在等着发生的事情。但是,广义相对论完全是另外一回事,没有爱因斯坦,我们今天有可能还在等待那个理论!

感谢爱因斯坦,一牛二爱三麦,绝对实至名归!

我是猫先生,感谢阅读。

光速不变的原理是怎样被发现的!哈哈

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