光速不变原理 什么是光速不变原理?

2019-02-06 - 光速

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。

光速不变原理

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。

光速不变原理

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。

光速不变原理

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。

光速不变原理

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(hu)白(tu)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。

--------------如果看完半懂不懂,有兴趣进一步了解相对论的朋友

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