03.03 愛因斯坦定義光速不變的假設,是為了解決物理學的什麼問題?

宮粽


答:愛因斯坦當時,有很大的可能,是為了解決麥克斯韋方程組中的速度,而想到的“光速不變”!


狹義相對論解決了當時的很多問題,比例麥克斯韋方程組得到的速度、邁克爾遜-莫雷實驗等等。

但我曾經看過的一本《愛因斯坦傳》,書中強調了愛因斯坦1905提出狹義相對論後,表示過他之前並不知道邁克爾遜-莫雷實驗。

愛因斯坦對他得到狹義相對論,提到過一個追光實驗:愛因斯坦16歲時,就曾設想追逐一束光會發生什麼事,光會不會靜止?或者凍結?



也許,這就是愛因斯坦對光速不變的雛形!


其中不得不提的是麥克斯韋方程組,十九世紀末,大科學家麥克斯韋在前人的基礎上,提出了大名鼎鼎的電磁學方程組。



方程組的一個解給出了一個速度,經過計算,這個速度剛好等於光速,於是麥克斯韋大膽預言了光(可見光)是電磁波。



可這個速度有一個非常大的問題,就是得到的速度本身,沒有依賴於任何參考系,這個速度好像就是“天然的”,方程不需要藉助參考系就得到了一個速度,這對經典力學來說是不可思議的!


為了解釋這個速度,科學家們藉助了一個古老的概念——以太。加入以太學說後,這個速度的相對性問題得到了解決,因為以太學說中以太就是絕對參考系!

後來邁克爾遜-莫雷實驗,否定了以太的存在;直到1905年,愛因斯坦提出狹義相對論,以光速不變為基礎,才徹底解決了以上問題。



但是,就如愛因斯坦後來所說,他發表狹義相對論前,他並不知道邁克爾遜-莫雷實驗!


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艾伯史密斯


愛因斯坦的這組設定本身就是矛盾的,速度是單位時間的位移,因此光速不變和時間可變也就只能二選其一。也就是說只要承認光速不變,哪麼時間可變必然就是錯的;如果要承認時間可變,哪麼光速不變必然就是錯的。這個道理是再實在不過了。哪麼我們可以這樣假設,光每秒的速度是30萬公里,這是恆定不變的,如果我們反推導就會得到這樣的結論,光行駛30萬公里所用的時間就應該是一秒,哪麼這個一秒又怎麼還會有變化的可能?!顯然相對論在此已經錯了無疑!


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愛因斯坦當時假設光速不變原理,是因為以下這個原因:

1。解釋麥克爾遜——莫雷實驗的零結果

簡單地說,如果我們在地球上有一個相對地球靜止的鏡子,因為地球在公轉,所以這個鏡子跟著地球一起在運動,那麼地球的速度是30000公里/秒,所以鏡子的速度也是30000公里/秒。那麼問題來了,如果有一束光打在鏡子上,入射光線與反射光線的速度是不是一樣的?麥克爾遜——莫雷實驗結果告訴人們,入射光線與反射光線的速度是一樣的,都是光速,這就很奇怪了——類似於你在一個高速公路的汽車上跳車,居然與在平地上跳遠是一樣得遠。這個很反直觀,但對光來說確實是這樣的。於是,愛因斯坦提出了光速不變原理。

2。解釋電磁波的波動方程

在maxwell的電磁場方程組裡,我們稍微做一些數學推導就可以得到電磁波的波動方程。奇怪的是,電磁波的傳播速度是光速——這可以從電磁波的方程裡看出來。那麼,問題又來了,如果我們換一個慣性參考系,電磁波的方程的形式居然是不變的,而且電磁波傳播的速度還是光速,那麼問題來了,電磁波的傳播速度為什麼不跟著慣性參考系的變換而變換?而一直保持光速?愛因斯坦一狠心,就假設光速在任何慣性參考系中不變。這樣的話,這個問題就不需要再去解釋了。

有了以上兩個理由,分別從實驗與理論的高度要求愛因斯坦提出光速不變原理。也正因為有了這個原理,再加上相對性原理,愛因斯坦最後得到了他的成名之作——狹義相對論。


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1861至1862年,麥克斯韋整理了既有的電磁學定律,提出了「麥克斯韋方程組」,從場的角度描述了電磁場的動力學:

根據這個公式,就可以推出電磁波的波動方程。由於電場與磁場之間具有如上公式之中的相互轉化關係,可以自然的得到一個波動方程。而這個波動方程的解,即一個正弦波,有一個對應的速度:

這乍看起來沒有什麼問題。然而,仔細思考,就會問:這個速度是在哪一個參考系下得到的?在當時的認知中(即經典的伽利略時空觀,速度疊加服從線性疊加原則),光是在一種叫做「以太」的介質中傳播的,與經驗中的一般物質沒有什麼差別。那麼,既然得到了這樣的一個速度,很自然的就要問它是在哪個介質中傳播的,更進一步的,很多人會覺得,這樣簡潔的表達,很可能就是光相對以太的速度。

當時人們就設計了實驗,試圖用光來測量以太的存在。當時使用干涉的手段,以測量光在不同參考系中微小的速度差異。然而結果令當時的人非常費解:結果顯示光在兩個速度不同的參考系中,都顯示出了相同的速度。為了解釋這些現象,當時提出了很多解釋。在以太的框架中,洛倫茲提出了早期的洛倫茲方程。而愛因斯坦則跳出了以太的框架,直接從時空本身的角度去思考,提出了光速不變的思想,並重新詮釋了洛倫茲方程的含義,也就有了狹義相對論。


章彥博


施鬱(復旦大學物理學系)

這個問題可以從幾個角度來看。首先,光速不變假設可以看成對愛因斯坦的第一個假設,即相對性原理,在麥克斯韋電磁學上的貫徹,因為光速是麥克斯韋方程中的重要元素。 由此,愛因斯坦建立了一個新的時空觀,將這兩個假設和諧地結合起來。

光速不變假設與相對性原理結合起來,就解決了當時困擾物理學界的一系列以太(光傳播所依賴的媒介)漂移實驗的零結果。這包括當時愛因斯坦本人關注的恆星光行差、斐索關於流動水中的光速的實驗,以及他了解但沒有特別強調的邁克爾孫-莫雷實驗,因為前者顯示了關於相對速度的一階效應。從而,以太這個概念被拋棄。

從歷史發展的角度,愛因斯坦的假設取代了菲茲傑拉德和洛倫茲的在牛頓力學框架下的、真實的、與參照系無關的尺子收縮假設。

1905年,愛因斯坦考慮他的假設時,困擾於它似乎與傳統的速度相加法則相矛盾。洛倫茲並沒有推導出新的速度相加法則。愛因斯坦花費很多力氣解決了這個問題,終於發現了時間的相對性。與朋友貝索的討論起了幫助,因此愛因斯坦狹義相對論論文中唯一致謝的就是貝索。另外,早先,他和朋友們曾研讀過彭加勒的著作,其中有關於時間相對性的哲學討論。

最後,或許愛因斯坦本人並沒有意識到,因果性要求不同參照系中相同的速度要麼是無窮大,要麼是一個確定的有限速度,前者導致伽利略變換,後者導致洛倫茲變換。光速不變的假設指明瞭後者就是光速。


物理文化與施鬱世界線


從簡單而普通的速度公式v=s/t開始,用到光速上面也就是v=c。假設c不變,那麼s/t就不變,但是在此基礎之上,就可以有s與t協變,即c不變,s與t卻可以同比例變化,而仍然可以使得s/t不變。只要把這一點與愛因斯坦的其他有關時間和空間的邏輯相聯繫,我們不難發現相對論的邏輯路線。所以說是為了解決相對論的問題。


齊向東16107475


物質運動是受引力影響的 從而影響到運動速度 方向

如果光是有質量的 應該也是一樣受引力影響 只要有充足的影響條件

光近距離橫穿經過引力強度大的星球時 在一定距離外觀 會出現光彎曲移動 因光速快 引力影響可能是如同四兩撥千斤情況 放遠距離才有所偏差

將沒電的電池放到稱上 看看質量多少 充滿電後看看又是多少 點亮燈耗電時除了能量轉化外看看有沒有其他物質或能量轉化洩露

只要證明光有質量 它就不會是直線均速運動的

也許它的質量太小太小了 小到可以忽略不計 即使光速很快 但由於其質量實在太小了 其攜帶的動能自然就很小

宇宙萬物的變化是複雜多變的 今天世界上的一切都是前面的變化一步一步傳著下來的 這點毫無疑問

何時分道揚鑣 何時結合生變 就不太明朗了 因為變化能進能退

地球也不例外 以後有可能被星球撞擊切去一部分然後再長大 地球可能不會一直被隕石堆積長大下去 也有變數 侷限看前後有些相似 好像兩幅不同時間一樣的畫


用戶56560508789


在宇宙的時空中(電子+光子,綜合概念趨向到光電子。),但,光子,意識和事實上面,趨向到時空中,並不是看不到,摸不著,句號不了的代表無的一面傾向。

電子,自認為則是驅動力的時空紐帶的一個最大因素的點。已線(點,相重,相疊,相加等)趨向於時空中。

自認為:時空~科學的間接一面(光電子,兩者之間平衡趨向於),能量的聚集與能量的釋放(驅動力)。而,取之趨向為,平衡演繹。


金影者


定義光速的不變的假設,有利於對物質以後的論理有設定的介質的借鑑,有利於對光學研究上計算的一個看值。從理論的分析上光波與光能的不同存在有其速度的不同,但我們不能無休止地一味追求理論的“靜止”性的精確性,有不可能和不現實的問題所在,原因是物質不停地變化著,如果你認為“靜止”的瞬間觀察到的東西作為理論的一個部份,哪變化了的哪個部份呢?或許變化的週期性不同呢?各種的問題是無法有如願的精確的,所以說對於誇越的大範圍的求值只能是大概數,無法精確數,這也是邏輯性原理所在也。


適物


光速不變不是為了解決什麼已經發現的現象而假設的。光速不變是用邁克爾遜干涉儀尋找以太這個假想物質的實驗中得出的結果;物理學家不斷提高實驗精讀,放大實驗速度差,發現不管在哪個方向,在什麼運動的參考系之下光速都不變。然後愛因斯坦就假設光速相對於任何慣性系的觀察者都不變,發展出了狹義相對論,從而計算出來了鐘慢,尺縮效應,同時發現了著名的質能方程。最終這些推論都得到了實驗證實。

他再繼續通過思考加速度和萬有引力的本質的時候,發展出來了廣義相對論。推論之一引力透鏡在日食的時候得到了證實;還有一個著名推論是引力波,在去年才得以證實。


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