怎麼理解光速不變,爲什麼非得光速不變?

Stiger1


光速不變其實不難理解,我們經常說的光速不變不是指的“光在真空中傳播速度是30萬公里每秒”,而是在任何參照系中,真空中光的速度都是30萬公里每秒!這與牛頓的經典力學相違背,因為牛頓力學強調,任何速度都是相對的,參照系不同,速度就不同,但光速並不是這樣!

那麼為何光速非得不變?

事實情況是,沒有誰要求光速非得不變,它只是愛因斯坦為了協調解決牛頓經典力學與麥克斯韋方程組之間的矛盾而設定的一個假設,沒錯,就是愛因斯坦的一個假設!

牛頓經典力學表明速度是相對的,而麥克斯韋方程組暗示光速可以不存在參考系,在任何情況下都是恆定的。之後物理學界強迫提出了以太的概念,認為光速時相對於以太的速度,但之後我們都知道了,以太被證明不存在!

而愛因斯坦的偉大和聰明之初就在於他敏銳和獨特的思維方式:為什麼速度一定要是相對的呢?為何不能是絕對的,如果光速是絕對的(也就是光速不變),牛頓力學和麥克斯韋方程組便得到了完美的解決!

於是,愛因斯坦大膽假設光速不變原理。原則上,這個原理不能證明,只能“證偽”,也就是說科學家們只要在眾多現象中發現有一種“光速在變”的情況,就說明“光速不變”是錯誤的,但科學家們沒有發現!

所以,你也可以把愛因斯坦的“光速不變”假設當成一個公理。

什麼公理?就是不證自明的基本事實,不需要去證明的基本命題,是可以推導出其他命題的起點,而不能通過其他公理推導出來!

比如說,“兩點之間直線最短”就是最簡單的一個公理,我們不需要去證明它的真偽,也無需證明,如果你非要問為什麼,很簡單,你往遠處扔一骨頭,狗會沿著直線去追!狗都知道的事實你還不知道?還用證明!

這就是公理!

愛因斯坦的“光速不變”至今很多實驗所證明,但理論上這並不代表它一定正確,因為科學家們不可能證明所有的現象都能體現“光速不變”。

但這就是公理的特性,不需要去證明,除非你能找出比“光速不變”能更好地協調牛頓經典力學與麥克斯韋方程組之間的矛盾的更好辦法,否則就請接收“光速不變”。而且光速不變原理是如此簡單,而科學需要的就是簡單的東西,而不是複雜的概念!


宇宙探索


根據狹義相對論的光速不變原理,任何觀察者測得的真空中的光速(c)都沒有區別,無論觀察者相對於光源存在怎樣的運動。例如,假如一列火車以速度v向前做勻速直線運動,A在火車上以速度u向前拋出一個小球(PS:現實中不要去嘗試),B在火車上以速度b向前走動,C靜止在地面上,問小球相對於這三名觀察者的速度有多快?我們很容易會得出以下的結論:A測得小球的速度為u,B測得小球的速度為u-b,C測得的小球速度為v+u。然而,如果把小球換成光,那麼,三名觀察者測得這束光的速度都是c,無論火車的運動速度有多快,這個結果不會有任何的差別。這個原因在於如果速度趨於光速,速度疊加方法不能再用平行四邊形法則,而是需要用到狹義相對論的形式:

根據上式可知,無論觀察者相對於光源的速度有多快,最終測出的光速都是c。此外,觀察一下上式中的分母1+uv/c^2,對於低速的情況,1+uv/c^2≈1,上式就變成了我們平時都會用到的形式。因此,我們平時用平行四邊形法則計算合速度都只是實際情況的近似,只是這個誤差相當小,可以忽略不計。

至於“為什麼非得光速不變?”這個問題,如果非要說個原因的話,只能說這就是一個事實。聯立麥克斯韋方程組,能夠得到如下的關係式:

其中ε0是真空介電常數,μ0是真空磁導率,這兩者都是常數。所以光在真空中的傳播速度是一個定值,不同參照系中的觀察者測得的結果不會有任何的區別。後來,邁克爾遜和莫雷通過光的干涉實驗證實了光速不變原理。因此,狹義相對論的基石是非常牢固的,這也是為什麼這個理論能夠不斷地經受住考驗。


火星一號


首先明確一點,30萬公里/秒的空間光速是測量出來的,不是計算得到的。這一精確測量值是天文研究和光電磁量孑研究的基石。有了它,其它的天文及科學計算值才可信和有意義。光速不變來源於愛因斯坦的相對論,他說:光在空間裡總是以一個確定的速度v傳播,這個速度與發射體的運動狀態無關。然愛因斯坦又以無可辯駁的理論推導說服了大家。

為什麼非得光速不變?我想是因為光子是沒有質量的,物質無法將慣性力傳導給它所致。

因為光子沒有物質質量所以它的一些特性狀態與有質量的物質世界無關(除了阻擋它通過),只與同樣無質量的.空間.電.磁.引力等量子態有關。本來任何能量的變化都會對擁有者產生影響,使其有差異,但光速恆定與光孑自身所擁有的能量大小完全沒有關係,這就奇怪了。因此決定光速衡定的不是光子自身的能量,是空間能。由於空間能的大小是絕對固定的,而光子的能量級與空間能相比等同於完全沒有能量,所以光.電.磁的速度也是恆定的。

光速與空間的能量密度成正比,所以可以推導出,如果宇宙是爆炸出來的,空間是膨脹的,那麼宇宙早期的光速要遠遠大於現在的光速,現在的光將大於未來的光速。

由於光速有尺短鍾長的威力,即速度越快長度越短,時間越慢,到達光速後:長度將歸零,時間將停止(愛因斯坦說的,根我一點關係也沒有),因此30萬公里/每秒.的光速是當下宇宙空間的量子態現象,是物質速度的極限。超越這個速度就意味著超越空間和時間,假如真有平行空間的話,那就超吧。


孤煙45280942


光速不變是科學史上的大烏龍。

我們實驗觀測到的光速是量子速度,非單光子粒子速度,量子是宇宙的統一單位,其速度也是一致的。

愛因斯坦把這種量子速度引伸到一切物體運動中,真是大錯特錯,還發展出相對論,誤導科學達百年之久,真是科學的悲哀。

一切速度都是相對的,符合經典的速度疊加原理,量子速度是個特殊案例。

光速不變只能用能量球理論才能說清,量子是空心球發射出來的一群方向一致的光粒子,其速度是種整合速度,是整合了不同單光子速度的綜合速度。空心球的大小,性能,機制是一致的,其發射出的量子速度也是差不多的。

萬物由空心球組成,空心球不停吸收光子不停發射量子,量子能在物體中實現量子傳遞,可從物體這頭傳遞到物體那頭。

我們的實驗觀測只能檢測到量子,永遠也不可能檢測單個光子,所謂的光速是光量子的速度,非單光子粒子速度。

光速不變搞成了科學界的大烏龍,是時候該改變了?


布魯諾二


怎麼理解光速不變,就像理解1+1為什麼等於2一樣,它就是不變的。為什麼非得光速不變,因為事實上,光速就是不變的。

起初,大部分的物理學家都肯定以太概念的存在,由於那時候,物理學家對於光了解的還太少了,認為必然會存在一種能夠傳播光波的彈性物質——以太。

其實,以太就是傳說中存在的絕對靜止參考系,不過,不斷髮展的科學終於認識到以太並不存在,絕對靜止參考系也不存在,沒有絕對的靜止,只有相對的靜止。

當然,也有實驗證明了光速是不變的。

1887年,阿爾貝特·邁克爾遜與莫雷進行了一次實驗,後來被稱為邁克爾遜莫雷實驗,目的為了測量地球在“以太風”中的速度,但結果表明了無論在哪個位置上,還是在哪個方向上,光速都是不變的,並且由此否認了以太的存在。

人們對光的理解開始向上提了一個檔次,1905年,愛因斯坦依據光速不變公理以及狹義相對性原理及等效原理提出了狹義相對論。

由質速關係以及質能關係可知,物質的極限速度不能達到光速,只有像光子這種靜質量為0的基本粒子才可以達到光速,因為它生來便是光速。

所以,經過了這麼多年的科學發展,光速恆定、有效信息的傳遞不能達到光速已經成為了人們心中的公理。


一枚遊戲科幻迷


很多人用愛因斯坦來解釋,其實是因果倒置。光速不變,理論上是麥克斯韋方程組的一個推論結果,實驗上則是邁克爾遜.莫雷實驗結果。

麥克斯韋在總結前人電磁學理論基礎上,發現了麥克斯韋方程組。麥克斯韋方程組的一個推論就是預測電磁波的存在,而且光也是一種電磁波。這個推論隨後被赫茲證明了。

但是,奇怪的是,電磁波的速度居然是兩個電磁常數的數學結果。牛頓力學裡從來沒有絕對的速度,只有相對的速度,這是很令人震驚的結果(你們可以上網查這個公式)。電磁波速公式裡沒有t,x,y,z這個四維座標,意味著在飛機上的光速與在靜止地面的光速是一樣的。這就是光速不變的理論基礎。

邁克爾遜和莫雷實驗原本是用來證明“以太”存在的,但是卻在實驗上證明了麥克斯韋理論的正確性——光速不變。因為當時物理學家要解釋牛頓時空觀中光的傳播媒介,引入了“以太”這種假說。那麼“以太”在我們的宇宙中相對地球的速度是多少,什麼方向?這是牛頓力學慣性體系中非常關心的問題。如果能夠測量出來,也就證明了“以太”的存在。1887年,邁克爾遜和莫雷在美國利用干涉儀測量垂直光速的光速差。實驗是這樣考慮的:地球在“以太”海洋裡運行,必然遇到“以太”風的影響,從而在迎風面和垂直面引起光速傳播的微小區別。但是實驗結果發現光在不同方向和不同慣性系傳播速度是一樣的。從而否定了“以太”的存在。後來洛倫茲提出來在“以太”中運行時時間和空間同時縮短/變長的洛倫茲變換公式,這樣光速就不變了,試圖同時解釋“以太”存在和光速不變的實驗結果。這也是在相對論提出以前,經典力學中洛倫茲公式中蘊藏的非靜止時空的一種思想。不過洛倫茲的解釋符合實驗結果,但是卻無法解釋原背後的原理。

愛因斯坦認為洛倫茲變換也沒有必要假設“以太”的存在。愛因斯坦先行一步,他將光速不變原理結論與相對性原理結合,推導出了狹義相對論。

需要指出的是,愛因斯坦並沒有用相對論解釋光速不變,而是基於光速不變來推導出相對論!相對論原文《論動體的電動力學》第二段就寫到“並且還要引進另一個在表面上看來同他不相容的公設:光在空虛空間裡總是以一確定速度C傳播著,這速度同發射體的運動狀態無關。由這兩條公設,根據靜體的麥克斯韋理論,就足以得到一個簡單而又不自相矛盾的動體電動力學。”


RaymondIT


光速不變理論上看似正確的,但是請問各位就正的懂得了速度不變的光嗎?不知全是從哪裡去撿了一些理論拼湊跟著鬧就真懂了你光叔?請問各位《光速不變》提出這個問題是否矛盾?(光速不變)這幾個字合在一起理解就是個錯。


18e9


答:每個人都有自己的理解方式,我對光速不變的理解是:光速是宇宙信息傳遞的最高速度。


這裡需要註明的是,信息指的有效信息;另外,物質和能量都是信息的一種。



如果接受宇宙存在最高速度,那麼考慮兩個以最高速度運行的粒子,兩者速度疊加必定也是最高速度,那麼洛侖茲變換就是最終的選擇。


根源在於,宇宙存在最高速度!



假設宇宙不存在最高速度,那麼相對論中的光速就是無窮大,洛侖茲變換退化為伽利略變換。


至於為什麼是光速,就不需要糾結了,只因光的運行速度,正好是最高速度而已。




我們完全可以把“光速”換一個名字,比如叫“引力波速度”,或者“極限速度”,本質上這個最高速度和光一點關係沒有。


至於為什麼存在最高速度,已經超出了這個問題的討論範圍。


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艾伯史密斯


這個是愛因斯坦廣義相對論的問題。先從簡單的講起。質能方程大家都知道了E=mc²。質量可以轉化為能量(現在的核能運用已經很成熟了),那麼能量也可以轉化為質量(雖然現在我們還沒法運用)。

這表示能量和質量應該是等價的。理解了這一點以後接下來就好理解了。

當物體的運動速度極快時,它的動能就越大,那麼它自身的質量就越大(基礎靜止質量+動能的質量)。這個時候需要加速它需要的力就越大了。

具體對應的數據是以10%光速運動的物體的質量比原來增加了0.5%,而以90%光速運動的物體質量變成了原來的兩倍多。這是一條向上的曲線,當物體接近光速時,它的質量就越來越大,直到無限大!所以一個有質量的物體永遠不可能達到光速,因為質量無限大的物體需要無限大的能量才能給它加速。

所以相對論得出只有沒有內稟質量的光或者波才能以光速運動。


宇宙狂想


圓周率兀=多少,你覺得在宇宙其它地方會變嗎?光速也是比值,是常數會變嗎?玩弄大眾,不學無數。


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