光速会受引力的影响吗?越过地球的时候,是否先快后慢?

这原本是一个悟空问答的题目,想想还是写一篇文章吧。

光速会受引力的影响吗?越过地球的时候,是否先快后慢?

其实这个话题是老生常谈的了,光速肯定是不会变的:不论这道光是越过地球还好,还有从黑洞的视界旁边越过也罢,它总是一直保持着约30万公里每秒。

光速会受引力的影响吗?越过地球的时候,是否先快后慢?

实际上这就是光速不变原理所要求的,这可能和我们平时的经验相悖(如果把光换做子弹,结果就不一样了)。

下面我们可以就此展开两点来说明:

第一点

对于光,我们不能用常识经验去看待。先说一个很常见的例子:

战斗机上会挂载导弹,当战斗机以两马赫的速度飞行时,这个速度是相对于地面静止观测者来说的。随后飞行员按下了发射按钮,导弹以5马赫的速度飞了出去,假设这个速度是飞行员测量到的,那么请问?地面观测者,测得导弹速度为多少? 很容易知道,是7马赫。

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现在我们把导弹换成激光炮,假设飞行员能测到激光,并且速度是正好是一个光速C,那么请问地面观测者得到的速值是多少?是C+2马赫吗?

答案并不是,地面观测者的结果也是C,并不会有任何变化。为什么会这样呢?这就是光速不变原理导致的。因为在相对静止和相对匀速直线的状态下,光速不会变化。

可能说到这,还有的朋友不明白。为什么匀速直线运动和静止可以不做区分呢?

设想,在一列匀速行驶的火车呢,在一节车厢中点位置,有一把双头枪(就是有两个枪膛),这时候,开火,两颗子弹同时发射出(对于枪而言),那么请问,两边的车厢壁会同时被击中吗?

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从我们地面上的观测者来说,两颗子弹会同时击中侧壁。这个可以简单计算一下,就能得出来。两颗子弹击中侧壁的时间是相同的。

那么车厢内的观测者呢?这个时候我们就不能用地面观测者的角度去思考了,因为地面观测者眼中,在开枪之前,两颗子弹是有方向相反的初速度。如果我们还认为子弹有初速度,那么在车厢内的观测者会得到沿着运动方向前面的侧壁会先被击中,但是这是不成立的,结果是和地面观测一致的,同时击中

伽利略在五六百年前,做过一个类似实验了,虽然不是用枪(而是在一个船上抛球),但最后的结论就是匀速和静止没有区别。这也是伽利略相对性原理(只针对力学体系),也就是狭义相对性原理的最初版本。

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如果按照上面的这个思路,将子弹换成激光,最终:无论车厢内观测或是地面观测都会得出相同的结论:两束光同时到达侧壁。(在地面观察者看来,两束光的速度是不一样,分别是加上和减去火车的速度

但是注意了:这个结论和光速不变定律有了冲突,因为光速不变要求无论光速无论在什么参考系速度都不变(所以在地面观察者看来,两束光不是同时到达侧壁的,这个大家稍微想一下就明白了)。所以那就得寻找一个“妥协”或者“折中”(但本质上光速不变和相对性原理没有抵触),结果就是著名的洛伦兹变换还有相应的推论,例如“尺缩钟慢”效应。

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第二点

多普勒效应,这里就长话短说。我们知道声音有多普勒效益,最常见的例子就是一列火车(怎么又是火车),向你疾驰而来的时候,火车行驶的噪音是越来越高,而从你面前开走后,声音又变低了。

光速会受引力的影响吗?越过地球的时候,是否先快后慢?

那么对于光来说是不是这样呢?因为光是波粒二象性,宏观上当做波来处理,非常恰当。所以光也有所谓的多普勒效应。 当光向我们冲来,就偏蓝光,远离就偏红光。当然了,蓝移的时候,光的能量会上升,红移的时候会下降。(

因为光速恒定,波长变长,频率就会降低,能量就下降)

光速会受引力的影响吗?越过地球的时候,是否先快后慢?

哈勃当时就是观测到了远处星系的红移,判断出宇宙在膨胀


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