光速不变的原因是什么?

加拿大的一颗中国心


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


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


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


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


今天给大家说下光速变与不变的根源在哪里?爱因斯坦对在什么地方?错又在什么地方?

首先产生光的原因是有型物质体内的基础粒子也就是电子发生了运动型态体几何造型体积变化,变化的过程构成了变化转移动态,说明白点就是:例如一粒电子它在那里以光速自旋,如果保持体积不增不减,四周的粒子就相安无事,如果煙灭或变大变小,那么四周粒子就会产生相应型变和位移,为什么要型变位移,因为任何物质中的粒子都处于多层次的天体运动环境中,受多层次的运动形为强迫,简称动态压强态。例如地球上的燃烧物爆炸物,它们受地球重力场影响,同时也受太阳系自旋,银河系自旋影响,因此不变不动是不行的,这种又型变又位移的过程运动态,就是能量运动态,光就是不同规模动态体及其群体的变化形为转移过程。例如水波它是水分子在地球重力压强下恢复水体平衡的自由落体位移形为,水波与光波本质相同。水波的波速不变只存在于重力加速度相同的水体区域区间,波速随重力加速度而改变,地球上的重力加速度不但有横向变化,纵向时刻不相同。所以爱因斯坦的光速不变是在不会变的环境中观测并作出的判定,不变的光速只存在于不变的环境条件下,所以光速不变这个结论不能放大外延,必须限定不变条件,事实上爱因斯坦是误判,光在任何惯性系统状态下都不变,如果对光精确定义,光时刻都在做非匀速运动,变是绝对的,不变是相对的与近似的。(本文原创,个人研究结论供参考)


宇宙谱


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


狭义相对论的两个前提是:

一、相对性原理;

二、光速不变原理。

相对性原理是对牛顿力学绝对空间与绝对时间的否定,洛伦兹变换取代了伽利略变换;光速不变是界定了相对论理论的适用范围,也就是引力场方程导出的宇宙半径范围,或者说是黎曼几何限定的边界范围,超出这个范围相对论会和牛顿力学一样失效。

光速在相对论中,就是一个恒定的宇宙常数;但这个宇宙只是黎曼几何所界定的宇宙,相对整个宇宙而言相对论的宇宙也是个无穷小的有限的宇宙。因此,光速不变也是有条件的,那就是所有的物理学定律相对洛伦兹变换来说都是不变的;但这会是可能的吗?未来新发现的物理定律,一定会和洛伦兹变换兼容吗?

光速不可能就是宇宙的极限,超越黎曼几何空间的物质如果超光速运动应该是很正常的。牛顿力学统治物理学有二百多年,相对论能统治物理学多久呢?时间也许会更长一些。


经济相对论580


如果我说,光速不变是我们的人为规定,你信吗?

显然,如你所说,光速不变是我们实际测量出来的,但请问,我们是怎么进行测量的?测量一个速度,这么简单的事情,谁不会?当然,这里指的是测量速度的原理,不谈具体的测量技术。要测量出一个物体的运动速度,首先用一个标准直尺测量一下运动的距离,再用一个标准时钟测量-下这段运动所用的时间,速度就出来了。我的问题是,你怎么知道你用的直尺和时钟就是标准的直尺和标准的时钟?与物理学界公认的标准直尺和标准时钟比较一下就知道了。那么请问,为什么说物理学界公认的那个标准直尺和时钟就是标准的呢?是因为除了我以外,大家都认为它是标准吗?

我知道,物理学上规定的标准直尺,原来是保存在大英皇家天文台一个恒温恒湿箱中的,用铂金制成的条状物体,它的长度就是标准的1m,物理学上规定的时钟,是铯原子的周期性振动,规定次数的振动所用的时间,就是标准的1s,我的问题是,为什么这么规定的就是标准?更换一下这个规定行不行?

例如,把标准直尺更换为我手里的一段铁棍,行不行?你说,铁棍的热胀冷缩比较严重,但请等一等,我们现在还在讨论标准直尺的规定,在标准直尺还没有规定好前,不能进行任何测量,既然还没有测量,凭什么说我的这根铁棍会热胀冷缩?

标准是人为规定的,我们规定它是标准,它就是标准,它就是最标准的,它就不会热胀冷缩,或者说,我们就不能再讨论标准的变化情况了,如果说它变化了,请问,是与谁比较的?

标准是人为规定的,不能讨论它的变化,与标准等价的时空坐标系,也就不能讨论它的变化,说时空坐标系弯曲了,请问,是与谁比较的?广义相对论中的时空弯曲的说法,不符合逻辑。

显然,规定了不同的时间和空间测量标准,就会测量出不同的物理规律。用我手里的铁棍作为标准,热胀冷缩规律就要修改,至少,一些物质的热膨胀系数就要修改。物理规律与规定的时空测量标准有确定的一一对应关系,而标准是人为规定的,因此,也可以说,物理规律是人为规定的。

当然,并不是说所有的物理规律都可以人为的任意规定,只有与时空测量标准等价的那一个(或一组)物理规律才可以说是人为规定的,其它物理规律,还需我们老老实实的去实际测量和试验才能获得。

实际上,物理学家们已经抛弃了那段铂金条,将1m的长度更改规定为光线在规定的时间内所传输的距离。显然,用这种新规定的时空测量标准测量,光速必定不变,因为光速不变实际上就是我们人为的规定,我们用这种规定来作为了我们的长度测量标准。


董加耕


光速不变原理是一个已确定的理论,无论理论证明还是现实印证,都不止一个。

就以光速不变的“第五解”——相对论的时空解来说,物质在具有速度时都会出现“尺缩钟慢”的情况,光也不例外。

所谓尺缩



运动中的物质,其运动方向的长度会随着速度的逐渐提升而逐渐缩短。当速度很慢时,这种变化可以忽略不计;当速度接近光速时,这种变化会极其明显;当速度达到光速时,其运动方向的长度会缩短为0。

不过尺短现象跟光速不变的关系不大;跟光速不可超越的关系比较大。

所谓钟慢



时钟会由于速度的增加而走得更慢;速度越快,时间的流速就会越慢。同样,速度很慢时,流速变化可以忽略不计;速度极快时,流速变化会尤为明显。

以1秒为例,按照相对论公式计算出来的值为:

  • 速度达到每秒3万公里时≈1.01秒;
  • 速度达到每秒15万公里时≈1.15秒;
  • 速度达到每秒29.7万公里时≈7.1秒;
  • 速度达到每秒29.99万公里时≈50秒;
  • 速度达到光速时,1秒=无穷大。

时间无穷大则表示以光速运动是不消耗时间的。换言之,对于光而言,时间是静止的。在时间静止的情况下,物质的状态也是静止不变的,因此光速不变。



钟慢现象不仅仅只是理论,现实中也是切实存在的。

在现实中验证它的实验是带上飞机上溜达了一圈的原子钟,比放在地面的原子钟稍慢了一些,但由于飞机的速度太慢,其差异完全可以忽略不计。

在地球上确实找不到足够快的速度来实际体会这一现象,因此只能借助原子钟来比较出一个毫无意义的差异。

唯一受到实质影响的宏观物体是人造卫星。人造卫星为了实现绕地飞行,速度必须保持在每秒7.9万公里左右,在这个速度下,卫星时间的流速比地面慢“很多”,这会导致GPS时间与地面时间明显不同步,因此几乎所有人造卫星的时间校对装置中都植入了一套程序来自动消除这一误差。


科学矩阵


在狭义相对论中,无论在各种参考中观察,光在真空中传播的速度都是一个常数,并不会随着光源和观察者的相对运动而改变。


光速不变原理首先是由联立麦克斯韦方程组得到的,后来被迈克尔逊莫雷用实验证实,再后来爱因斯坦的狭义相对论引入了光速不变原理这一假设,如果光速是变化的话,那么相对论也就不能成立。

在广义相对论中,爱因斯坦更是引入了广义相对性原理,也就是物理原理在一切参考系中都是不变的,这也使得光速不变原理可以应用到所有的参考系中。这也就是说,无论在任何参考系中,光速都是恒定不变的。实际上由于地球自转的原因,如果按照经典物理学的思路来想,地球的不同位置的太阳光的光速应该是不同的,但是现实情况是无论在哪个位置,无论沿着哪个方向去测量,光速都是一个固定的值。

光速为什么不变很难说得清楚,只能说我们所处的这个宇宙,处处都是平等的。光的本质是电磁波,不像声波一样需要通过介质进行传播,光的传播不需要任何介质就可以进行,声波在真空中不可以传播,但是光在真空中也可以传播,可以说整个宇宙空间就是光传播的介质。

爱因斯坦年轻的时候曾经思考过一个问题:如果人的脚步赶上光的速度的话会怎么样呢?爱因斯坦知道麦克斯韦方程组不允许出现这种结果,于是他在1905年提出的狭义相对论里解决了这个问题,那就是对于恒定速度运行的观察者而言,无论他运动的速度是多少,物理原理以及光速都是一样的。光速不变原理已经被多项实验所证实了,理解光速不变不能凭借经典物理学知识,如果光速可以变的话,那么将会动摇相对论的根基。


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