光速會受引力的影響嗎?越過地球的時候,是否先快後慢?

這原本是一個悟空問答的題目,想想還是寫一篇文章吧。

光速會受引力的影響嗎?越過地球的時候,是否先快後慢?

其實這個話題是老生常談的了,光速肯定是不會變的:不論這道光是越過地球還好,還有從黑洞的視界旁邊越過也罷,它總是一直保持著約30萬公里每秒。

光速會受引力的影響嗎?越過地球的時候,是否先快後慢?

實際上這就是光速不變原理所要求的,這可能和我們平時的經驗相悖(如果把光換做子彈,結果就不一樣了)。

下面我們可以就此展開兩點來說明:

第一點

對於光,我們不能用常識經驗去看待。先說一個很常見的例子:

戰鬥機上會掛載導彈,當戰鬥機以兩馬赫的速度飛行時,這個速度是相對於地面靜止觀測者來說的。隨後飛行員按下了發射按鈕,導彈以5馬赫的速度飛了出去,假設這個速度是飛行員測量到的,那麼請問?地面觀測者,測得導彈速度為多少? 很容易知道,是7馬赫。

光速會受引力的影響嗎?越過地球的時候,是否先快後慢?

現在我們把導彈換成激光炮,假設飛行員能測到激光,並且速度是正好是一個光速C,那麼請問地面觀測者得到的速值是多少?是C+2馬赫嗎?

答案並不是,地面觀測者的結果也是C,並不會有任何變化。為什麼會這樣呢?這就是光速不變原理導致的。因為在相對靜止和相對勻速直線的狀態下,光速不會變化。

可能說到這,還有的朋友不明白。為什麼勻速直線運動和靜止可以不做區分呢?

設想,在一列勻速行駛的火車呢,在一節車廂中點位置,有一把雙頭槍(就是有兩個槍膛),這時候,開火,兩顆子彈同時發射出(對於槍而言),那麼請問,兩邊的車廂壁會同時被擊中嗎?

光速會受引力的影響嗎?越過地球的時候,是否先快後慢?

從我們地面上的觀測者來說,兩顆子彈會同時擊中側壁。這個可以簡單計算一下,就能得出來。兩顆子彈擊中側壁的時間是相同的。

那麼車廂內的觀測者呢?這個時候我們就不能用地面觀測者的角度去思考了,因為地面觀測者眼中,在開槍之前,兩顆子彈是有方向相反的初速度。如果我們還認為子彈有初速度,那麼在車廂內的觀測者會得到沿著運動方向前面的側壁會先被擊中,但是這是不成立的,結果是和地面觀測一致的,同時擊中

伽利略在五六百年前,做過一個類似實驗了,雖然不是用槍(而是在一個船上拋球),但最後的結論就是勻速和靜止沒有區別。這也是伽利略相對性原理(只針對力學體系),也就是狹義相對性原理的最初版本。

光速會受引力的影響嗎?越過地球的時候,是否先快後慢?

如果按照上面的這個思路,將子彈換成激光,最終:無論車廂內觀測或是地面觀測都會得出相同的結論:兩束光同時到達側壁。(在地面觀察者看來,兩束光的速度是不一樣,分別是加上和減去火車的速度

但是注意了:這個結論和光速不變定律有了衝突,因為光速不變要求無論光速無論在什麼參考系速度都不變(所以在地面觀察者看來,兩束光不是同時到達側壁的,這個大家稍微想一下就明白了)。所以那就得尋找一個“妥協”或者“折中”(但本質上光速不變和相對性原理沒有牴觸),結果就是著名的洛倫茲變換還有相應的推論,例如“尺縮鐘慢”效應。

光速會受引力的影響嗎?越過地球的時候,是否先快後慢?

第二點

多普勒效應,這裡就長話短說。我們知道聲音有多普勒效益,最常見的例子就是一列火車(怎麼又是火車),向你疾馳而來的時候,火車行駛的噪音是越來越高,而從你面前開走後,聲音又變低了。

光速會受引力的影響嗎?越過地球的時候,是否先快後慢?

那麼對於光來說是不是這樣呢?因為光是波粒二象性,宏觀上當做波來處理,非常恰當。所以光也有所謂的多普勒效應。 當光向我們衝來,就偏藍光,遠離就偏紅光。當然了,藍移的時候,光的能量會上升,紅移的時候會下降。(

因為光速恆定,波長變長,頻率就會降低,能量就下降)

光速會受引力的影響嗎?越過地球的時候,是否先快後慢?

哈勃當時就是觀測到了遠處星系的紅移,判斷出宇宙在膨脹


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