03.02 光速不变的原因是什么?

加拿大的一颗中国心


这个问题~问的“非常好”。

“光速”为什么不变。我简单的回答一下。

光速~不变不是“光速”本身的问题,是人类科技对于~光速“认知”的问题。

秒/300000公里是~光速的标配。难到没有一点的~误差吗?不会。“误差”~一定会有。

数学本身就没有~绝对值。如:兀~3.14……。

目前~光速单位的标配是 秒/300000公里。在实际科技应用是~还是有“调整”的。

“光速单位”是在人类科技应用中的~“参照”标配单位。

“光速”在宇宙自然界中~是有变化的。是光的能量“聚量”单位造成的。聚量大,聚量小。都会有变化。


侠客岛69176191


光速不变是我们宇宙的时空结构决定的。

光速:299792458 米/秒

这里面米是空间位移长度,秒是时间位移长度。空间位移是在三个维度上的总位移量,我们把这三个空间维定义为三个互相垂直的坐标轴:x、y、z,根据坐标关系可知,当空间位移长度固定为299792458米时,在x轴上位移越大,在y、z轴上的位移就会相对变小,这是很容易理解的。

而时间只有一个维度,所以时间位移长度就是在这一个维度上的位移量。我们知道相对论统一了四维时空,时间是垂直于所有空间维的一个额外维度。所以我们在前面的坐标系上增加一个坐标轴t,那么同样根据上面的推论,当我们在x、y、z上位移越大,在t轴上位移越小。由于空间三个维度是可以统一计算的,所以我们就得到在空间上位移越大,在时间上位移越小。而根据相对论得知,在光速下时间维度位移为0,所以我们就得到空间位移的一个定值,并且是一个极限值:299792458米。

你可能发现,这个计算有一个前提,就是在整体时空里,位移需要是一个定值,没错,这个定值就是光速,至于为什么是这个定值,不知道┐(´-`)┌只能说一切运动都是相对的,没有任何物体的运动可作为绝对参考,所以所有物体在时空里的运动(位移)都是相同的,不然我们就会找到一个速度最低的绝对参照。既然所有物质在时空里位移都相同,那么它就必然是一个定值,而我们所处的时空里,这个定值就是光速。而我们看到的不同物体不同的速度只是这个定值在时间和空间上的分量产生的比值不同。


星宇飘零2099


根据狭义相对论的光速不变原理,任何观察者测得的真空中的光速(c)都没有区别,无论观察者相对于光源存在怎样的运动。例如,假如一列火车以速度v向前做匀速直线运动,A在火车上以速度u向前抛出一个小球(PS:现实中不要去尝试),B在火车上以速度b向前走动,C静止在地面上,问小球相对于这三名观察者的速度有多快?我们很容易会得出以下的结论:A测得小球的速度为u,B测得小球的速度为u-b,C测得的小球速度为v+u。然而,如果把小球换成光,那么,三名观察者测得这束光的速度都是c,无论火车的运动速度有多快,这个结果不会有任何的差别。这个原因在于如果速度趋于光速,速度叠加方法不能再用平行四边形法则,而是需要用到狭义相对论的形式:

根据上式可知,无论观察者相对于光源的速度有多快,最终测出的光速都是c。此外,观察一下上式中的分母1+uv/c^2,对于低速的情况,1+uv/c^2≈1,上式就变成了我们平时都会用到的形式。因此,我们平时用平行四边形法则计算合速度都只是实际情况的近似,只是这个误差相当小,可以忽略不计。

至于“为什么非得光速不变?”这个问题,如果非要说个原因的话,只能说这就是一个事实。联立麦克斯韦方程组,能够得到如下的关系式:

其中ε0是真空介电常数,μ0是真空磁导率,这两者都是常数。所以光在真空中的传播速度是一个定值,不同参照系中的观察者测得的结果不会有任何的区别。后来,迈克尔逊和莫雷通过光的干涉实验证实了光速不变原理。因此,狭义相对论的基石是非常牢固的,这也是为什么这个理论能够不断地经受住考验。


火星一号


这个问题似乎触及了物理学的一些更深层次的内容了,答案在一定程度上可以认为这是我们的宇宙时空所特有的属性。


光速不变原理说的是——在真空中,光速对于任何观察者来说都相同的,它是一个常数,即299792458m/s。

这意味着光速不受限于参考系,它不满足牛顿力学里速度相加原理,即光速不会因为光源在运动,而运动方向上的光速会加上运动速度,这对于光来说不成立。

但光速为什么不变,在目前的物理学还不足以解释内在机制,这有点像在问为什么1+1=2一样。

我们可以给这样的问题各种哲学形式上的解释,但都只能说个大概,并不能准确回答。

这样一来,我们可以认为光速是无数实验的测量结果,它的结果没有原因。

或者说,我们现在还不知道原因。


解释一样东西,你必须依赖其他已经被认为对的东西,这些其他的东西在科学的底层我们形象地称为公理。


公里不需要证明,它看上去可以认为是我们的大胆假设,可以作为工具解释其他理论,而光速不变原理更像是一条这样的公理。

它可以解释其他东西,但没有其他理论可以解释它的本质。

或许有那么一天,我们能发现更底层的“公理”,这样就能解释光速不变的原因了,但至少现在没有哪条理论能解释的。

麦克斯韦方程组也只能解出这么一个答案,并不知道答案为什么这样。


科学新视野


如果我告诉你“光速不变原理”是一种假设,你信吗?

别不信,还真是假设!

首先说明一点,这里的“光速不变”并不是指光速在真空中的传播速度为30万公里每秒,而是指相对于任何惯性参考系,光速始终都是30万公里每秒!

说白了,无论你是什么运动状态,无论发出光的光源是什么运动状态,光速都不变。比如说假如你能光速飞行离我二去,静止的我看到你身上发出的光速仍旧是光速,而不是2倍光速!

但是在爱因斯坦的狭义相对论之前,牛顿的经典力学告诉我们确实是2倍光速,不过如果是这样,又违反了麦克斯韦关于电磁波的描述,它指出电磁波始终是运动的!

当时很多人都百思不得其解,爱因斯坦同样如此。

而光也是一种电磁波,而波的传播需要介质(当时的观点),“以太”的概念便出现了。但之后迈克尔逊-!莫雷的实验证明光速始终稳定在一个固定值。

很多科学家试图用各种方法证明实验的错误,不过爱因斯坦的想法不同寻常。万事万物需要简易性(奥卡姆剃刀原理)让爱因斯坦联想到,既然没有任何实验证明“以太”的存在,我们干嘛非要证明迈克尔逊实验的错误呢?

用一种最简易的方式,爱因斯坦认为,之所以无法证明“以太”的存在,是因为以太根本就不存在!光的传播不需要任何介质!

但是如果不需要介质也能传播,麦克斯韦方程组告诉我们光速是30万公里每秒,如果没有参照系作为标准,这个速度是怎么来的呢?

爱因斯坦告诉我们,光速不需要任何参照系,相对任何物体光速都是不变的,都是光速!

正是基于光速不变,才会有爱因斯坦伟大的狭义相对论中关于时间和空间的变化!因为光速不变,必然有其他东西发生变化,它们就是时间和空间,时间和空间是相对的!

所以说,光速不变原理是一种假设,你也可以认为是公理,公理不需要证明,它可以推导出其他定律,比如狭义相对论!

就好比“两点之间直线最短”这个公理,不需要证明,你扔一根骨头,狗都知道沿着直线去追骨头,这就是最好的证明!


宇宙探索


猫先僧给你捋一捋吧。

小爱惊天地泣鬼神的相对论,大家都耳熟能详,就算文盲也能眉飞色舞的点点头,不就是质能方程式嘛!小学教室里面就见过这老头啦!
题主问的问题嘛,大大超出义务教育的程度的啊,是不是有偷偷补过课?很优秀!

相对论的起点就是来源于一个荒诞无比的假设“光速不变”!你没听错,光速不变,不是证明过的结论,只是小爱的一个假设!

就是这么任性。

既然光速绝对不变,那应该叫“绝对论”嘛,干嘛叫“相对论”咩?相对论是与绝对时空观相对应的,学术点说,一切物理定律在所有惯性参照系中具有相同的数学形式,学名“相对性原理”,这是相对论的第二个假设。先别懵逼啊,各位,还有呢~刚刚讲的假设都是匀速和静止为前提下讨论的,叫理想状态,所以称狭义相对论。那么上升到加速系和引力条件下呢,就是广义相对论啦,整公式你得吐,我一句话概括,品个味道吧~引力和加速度,使空间弯曲,使时间变慢。

无数人因此大骂小爱神棍,相对论瞎扯淡。就一个假设,时间,空间都折腾完了,还要不要脸?可是,一连串实打实的实验观测结果,把经典物理大厦直接拆了,小爱凭着相对论,加上同时身兼量子力学奠基人的身份,直接封神。不敢说后无来者,至少也是前无古人啦。

但相对论的应用确实少之又少,仅仅用来校准各种观察数据或实验设备,或预言一下引力波。也难怪仍有一群吃瓜群众,至今仍要围着小爱吃瓜,说要讨个公道。


猫先生内涵科普


我试着以我自己的理解回答一下这个"光速不变原理":

首先我先颠覆一下大家对光速的认知,只要大家把光速真正理解了,这个光速不变原理就是浮云。我也是最近才跟相对论杠上,尤其这个光速不变原理一开始真没理解,经过一个星期的思考,突然灵光一现:光,我们都知道是一种电磁波,是一环套一环生成传播的,生成传播的速度是30万千米/秒。在我的理解思路里,这就是重点,也不需要那么多什么复杂的反推论证过程。我们把上面那句话再圈一下重点,深入理解下:1.光是电磁波,不是我们日常生活中摸得着的实体物质;2.光速是光这种电磁波的生成速度,而不是它的运动速度,也就是打开光源,1秒钟就能生成到30万千米这么长,光束就好比孙悟空的金箍棒1秒可以变30万千米这么长,在我的理解中,光速是指的光的生成传播效率,而不是简单的物理运动速度。理解了以上两点,我估计已经有部分人已经理解了我的思路和光速不变原理了,不过我还是举一下那个经典的在飞船中打开手电的例子吧,看看这个例子在我的思路框架下怎么来理解。

我们呆在一艘以光速行驶的飞船,在飞船上我们打开手电筒,我们把手电筒往各个方向照,先说左右吧,大家肯定容易理解一些,光一定是以它30万千米/秒的速度射出。再看看往前照吧,我们再把这个射光的手电筒比喻成金箍棒,拿在手里以光速向前运动,而且在不停的以30千米/秒 长长,所以这就是我用自己的方式理解的光速不变原理,光速不是它的运动速度,而是它的生成效率。所以它是恒定的。

望批评指正,共同探讨。


靖晏


自然界是一个有机的系统,不存在绝对自由和绝对独立的物体。又由于所有的微观粒子都具有波动性,而且普遍存在着普朗克常数h,该常数的量纲是粒子的角动量,说明在我们的宇宙中,存在着由不可再分的最小粒子构成的物理背景,即量子空间。

所以,任何物体的外在能量都具有两种不同的存在形式。其一,是相对于自身的动能;其二,是相对于空间的势能。

从极限的角度来看,低速宏观物质受到空间的影响最小,其效应可以忽略不计。所以,低速宏观物质的能量主要是相对于自身的动能,其变化由物理参量速度来描述,表现为速度可变。

反之,另一个极端的情况是光子。由于光子的质量非常小,以至于其动能远小于势能,即空间的影响远大于个体的作用。所以,光子的能量变化,主要是其势能的变化,由物理参量弛豫时间来描述,表现为速度不变。这就是光速不变的原因。

介于这两个极限之间的情况,是微观粒子。由于微观粒子的速度和质量介于两者之间,使微观粒子同时具有可观的两种不同形式的能量,即动能和势能能,所以任何的微观粒子都具有波粒二象性。

需要注意的是,狭义相对论中的光速不变是假设的原理,具有绝对性,与光子的能量和空间密度无关。

反之,根据有机的量子景观,光速是光子维持其相对于空间势能的速度。因此,类似赤脚划水运动,维持人体的速度与人体的重量和水的比重相关。前者成正比关系,后者成反比关系。光速的大小也与光子的能量和量子空间的密度相关,能量越大或空间密度越小则光子的速度就越大。

只是相对于人类的时间尺度和实际接触到的能量范围,不同光子的速度差虽然大于零,但是其与光速的比值却近似为零,从而在表现为光速不变。

如果能量差距很大,且光子传播的距离很长,就有机会使我们观察到不同能量的光子的速度差。

比如,遥远的超新星爆发,其同时产生各种不同能量的光子。根据能量的大小,它们依次为中微子、伽马射线、x射线、可见光和电磁波。于是,我们观测超新星爆发的信号,应该按照上述的顺序依次接收。

总之,光速不变是由于量子空间的存在。由于光子的质量极小,使量子空间主宰了光子的行为。于是,光子对其速度的影响是微乎其微的,使光速具有相对的不变性。


淡漠乾坤


光速不变:这已是狭义相对论的公理!公理是不需要证明的!光速不变原理最初是由迈克尔逊——莫雷的‘’以太漂移实验‘’得出的,只是他们当时无法正确解释实验现象,才由爱因斯坦独具慧眼而发现!时间的相对性(因参照系而异)是因为‘’同时‘’概念的相对性而产生和发展出来的;时间膨胀变长(不同参照系的时间流逝不一样),这是由光速不变原理和相对性原理(或公理)共同要求、共同规范下得出的具体结论。


蓝色基调9


在牛顿的经典力学中,速度是能相加的,比如在一个以速度v向前运动的车上,抛出一个石子速度v',以静止的地面为参照,石子的速度是v+v',同理,把石子换成光,那光的速度应该是v+c。爱因斯坦推翻了这个理论,证明光无论在运动或静止参照系下,速度不变,不会相加,即使相向而行的两束光,相对另一束,一束的速度仍是c,不是2c。爱因斯坦首次提出质能关系,通过质能等式E=mc2得出(E是能量,m为质量,c是光速),任何有质量的物质都不能达到光速,要达到光速需要无限大的能量,而光子没有质量,在真空中的速度是不变的,约为30万千米每秒。在狭义相对论中,光速为物质的最大速度,因为能量不会凭空消失,光在太空会一直传播下去。当然,爱因斯坦发现狭义相对论并不能说明所有情况,十年后又写出了百年后的今天还在验证的广义相对论。


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