在知乎回答:開著手電筒跑步能否使光傳播速度超過真空光速?

2020-12-13 HenryChenAtPhysics

回答問題,順便點評其它回答及評論。

先回答問題:

首先要明確一下這裡的光傳播速度是指什麼?是指光相對於什麼的速度呢?一般來說,一種波的傳播速度,是指這種波相對於均勻介質的速度。例如說聲波的傳播速度,在地面空氣中是多少,在水中是多少,在酒精中是多少等,都是這樣理解的。但是,目前在科學界,對於光傳播的介質,就沒有一個確定的說法,最主流的說法是,光傳播不需要介質,而有一些人則堅持光傳播需要介質,但還沒有確定這個介質究竟是什麼(包括我)。另一方面,相信除了一些中毒頗深的人,都仍然記得「速度是一個相對的概念,相對於不同的參考系,速度值不同」,也就是說,「要講速度,必須要明確參考系,不然沒有意義」。那麼,在這個問題裡面,光傳播速度究竟是什麼意思?請先保留這個問題,但是請帶著這個疑問繼續讀下文。

然後,到「真空光速」。我們知道有一個說法,「光在真空中的傳播速度恆定為C」。我們可以假定這個說法是正確的,但是這裡面有一個問題,那就是:這個C,是相對於什麼參考系?真空的意思就是沒有任何的物質的空間,那麼,真空中的光傳播速度C是相對於什麼參考系?有些人會說沒有真正意義上的真空,也就沒有實際意義上的參考系,所以真空中的光傳播速度就成了假命題。我也曾經拿這一點作為很重要的論據,但是後來有人提醒了,就算沒有長時間大範圍的真空,短時間小範圍的真空總是沒有辦法否認的,所以,如果我們仔細考慮這個問題,我們沒有必要去反對真空中的光傳播速度,問題仍然在於找到這個介質。真空中的光速可以有一個很好的提示,那就是「光的傳播介質可以不是物質」。我是非常支持這個觀點的。其基礎是「光傳播需要介質」以及「真空中沒有物質」而又有「光可以在真空中傳播」這個事實。(如果有人想要和我更深入地聊一下這個神秘的「光傳播介質」,可以私信聊,或者另外找地方聊,我就不在這個問題下面聊了。)

上面兩段主要是把一些概念理清一下,回到這個問題本身:真空光速C是大於空氣中光傳播相對於空氣的速度值的,那麼,這個問題就很簡單了,意思就是手電筒相對地面靜止時候發出的光相對於空氣的速度值是小於真空光速的,如果手電筒相對地面運動起來發出的光相對於空氣的速度值是否可以超過真空光速?這個問題這樣剖析出來,就是問「手電筒相對地面運動起來發出的光相對於空氣的速度值」與「手電筒相對地面靜止時候發出的光相對於空氣的速度值」是否一樣?如果「手電筒相對地面運動起來發出的光相對於空氣的速度值」是受「手電筒相對地面運動」的影響的,那麼,這兩個速度值就不一樣了。如果讀者知道「光傳播不依賴於光源運動狀態」,問題的答案就可以很明白了吧?

下面來選其它回答及評論中一些我認為比較典型的說法來點評一下(如果說得不是那麼到位,請指出來,我很願意探討。但請千萬不要介意我指出來一些錯誤的地方,因為在這裡就是為了交流和互相學習,知道自己錯誤了可以更快去修正,如果你不想別人指出錯誤,你不應該在這樣的公眾平臺發表自己的錯誤說法。):

「一百五十年前,麥克斯韋的時代,對光的理解就像上面對聲音的理解一樣。那時,人們認為,光波的傳播需要媒介。好比空氣是聲音的媒介,人們想像,「以太」是光的媒介。要是題主一百五十年前提這個問題,這就是標準答案。」點評:這個說法,是基於「光傳播不需要介質」的基礎上,那麼,「光傳播不需要介質」到底有沒有基礎?

「不幸的是,一認真,以太就輸了。19世紀末的一大爭論是,假設以太存在,那麼以太是跟著地球跑的,還是地球在以太中相對運動。恆星時差的觀察表明,以太不能跟著地球跑。而麥可遜莫雷實驗又表明,地球不能在以太中相對運動。」點評:跟著上一段,這個說法是用恆星的光行差(「恆星時差」,是寫錯了吧?)來說明作為光傳播介質的以太不與地球同步,又用MM實驗說明,作為光傳播介質的以太不與地球有相對運動,這就貌似互相矛盾,所以,就以這樣的事實作為證據去說明「光傳播不需要介質」。但這是很不嚴謹的。MM實驗說明,作為光傳播介質的以太在實驗設備範圍內(充其量在地面範圍內)不與地球有相對運動,而恆星的光行差說明作為光傳播介質的以太在地外空間中不與地球同步,這兩者是沒有衝突的。就如同在太平洋中,不同位置可以有不同方向的洋流,不同的深度有不同的方向、速度的水體流動一樣。所以,用恆星的光行差和MM實驗來證明「光傳播不需要介質」是徒勞的。關於這一點,我就先說到這裡吧。

「兩個光速的疊加也是光速,不會有超光速的情況發生」。點評:這還叫疊加嗎?還有就是,請隨時注意速度的參考系,請說明清楚。

「洛倫茲變換下的速度疊加公式」。點評:這個公式成立的基礎是什麼?在使用任何公式的時候,都必須要注意其成立的基礎。如果一個公式成立的基礎,與問題的設定是不符的,那麼,這個公式是不能使用的。

「光速在任意慣性系下都是不變的」。點評:請注意「速度的相對性」,「相對於不同的參考系,速度值不同」。

「利用光速不變,愛因斯坦推導出了狹義相對論,並利用廣義相對論解釋了空間和引力的關係。隨著相對論的逐漸證實,真空光速不變,也漸漸成了板上釘釘子的事情。但如果把相對論當作物理事實,我們會發現,並不是光速決定了相對論,恰恰相反,是因為相對論效應,決定了光速不變。」 點評:這裡大家可以看到很典型的循環論證。用光速不變推導出相對論,又用相對論證明光速不變。但是,這兩者,任何一個都沒有成立的基礎。

「首先光速不變是建立在實驗基礎上,科學家測量發現真空中光速總是一個恆定值。在大家都在糾結為什麼光速不變時,愛神根據實驗基礎大膽假設光速就是不變的,沒有任何物體的速度能超過光速。稱為光速不變原理。」 點評:建立在什麼實驗基礎上了?科學家測量發現真空中光速總是一個恆定值?請問是什麼實驗?這個所謂的「真空中光速」的「恆定值」是相對於什麼參考系的?是相對於任何參考系嗎?如果說的是實驗中發現「真空中光速相對於實驗設備所在參考系總是一個恆定值」,那是很簡單的事情,但是,「真空中光速相對於繞著實驗設備轉圈的自動攝像機所在參考系就不是一個恆定值」。這裡涉及兩個不同的概念。一個是「光傳播是相對於介質的速度總是恆定的」,這個是毋庸置疑的,也就是「光傳播是相對於介質所在的參考系的速度總是恆定的」,而另一個是「光傳播是相對於介質的速度總是恆定的,而且相對於其它參考系的速度值也等於相對於介質的速度值」,這就是扯淡了。

「隨後愛神很自然的有了和題主一樣的困擾:光速不變和伽利略速度疊加有著尖銳的衝突。所以兩者之間至少有一個是有問題的。光速不變是實驗得出的事實,那麼伽利略速度疊加有問題需要改進。」 點評:這裡的說法也是很典型很常見的,而且可以看出來,說這樣話的人感覺自豪。基於「光速不變是實驗得出的事實」這樣的錯誤認識,他們得出了「伽利略速度疊加有問題需要改進」這樣的錯誤想法。而且他們真的把伽利略速度疊加換上了所謂的「洛倫茲速度疊加」?

「速度疊加不再是簡單的相加。於是愛神推導出新的速度疊加公式,發現居然和洛倫茲變換一樣。具體公式百度可以查到。題主提出的問題是跑動的人打開手電筒,求光的速度。套用這個新的速度疊加公式,你會發現人跑的速度和光的速度疊加的結果還是光速。但兩個較低速度(遠小於光速)疊加的結果近似與直接相加。

」 點評:這裡非常模糊的是速度的參考系。求光的速度,是指求光相對於什麼的速度呢?如果是求光相對於介質(在此假設是同空氣與地面所在參考系)的速度,那麼,自然,不管這個人跑多快,都沒用,這個人根本不在考慮的範疇。如果是求光相對於跑動的人的速度,那麼,很自然,是「光相對於介質(在此假設是同空氣與地面所在參考系)的速度 - 跑動的人相對於地面的速度」。「兩個較低速度(遠小於光速)疊加的結果近似與直接相加」,則是一個模糊概念正確與錯誤之間界線的說法,在某種程度上可以說近似,卻絕對不是。錯誤可以與正確很接近,卻絕對不是正確。

「我並不是說光沒有都卜勒效應,而是指光波與聲波的都卜勒效應不一樣。因為聲波是機械波傳播需要介質,光波是電磁波傳播不需要介質,所以不能拿聲波的波源運動不影響聲速來類比光速不變。」點評:這也是很典型的說法。這個與主流的理論有密切的聯繫。基礎是「光傳播不需要介質」,這個錯誤的基礎,使得現在科學界對天文學觀測中得到的光信號的解讀越來越遠離正確,走上謬誤。科學界需要正視這個問題,需要改正這個錯誤,需要明確光傳播的介質,了解其在宇宙空間中的變化規律及對光傳播的影響,才能夠正確地解讀天文學觀測中得到的光信號,才能夠徹底摒棄那些諸如「宇宙膨脹」「空間膨脹」「宇宙大爆炸」之類的錯誤。明確了光傳播的介質,相對論也就完全沒有了成立的基礎,被掃進歷史的垃圾堆。

「以太和光速不變都是假說,以太觀測不到,光速不變更是無法證實。只不過以太已經被證偽了。」 點評:以太觀測不到,這是說了現實的情況-以太還沒有確定,自然觀測不到。光速不變,得看它究竟什麼意思。參考以上就知道我想要說什麼了。以太被證偽的說法不確切,應該明確地說是以前的概念上的以太被證實是錯誤的,或者說以前的以太概念是錯誤的,不存在那樣的以太。

「這種經典思維方式在宏觀低速的情況下完全適用,但假如到達了高速領域,比如題中所述「光速」,這種經典理論就站不住腳了。」 點評:這裡有一個很明顯的誤區,就是以為「這樣的情況跟速度的高低有關,速度高低不同,處理問題就要用不同的物理原則。」 可以問的問題例如:高速與低速的界線在那裡?不可能有這樣的界線的。光的傳播與物體的運動是不同,那是因為光的傳播是波的傳播只與傳播介質有關不涉及力和慣性,物體的運動是物質隨著慣性運動以及被力改變速度。

「但是光子和石子不一樣。光子沒有質量,不表現出慣性。所以賦予它一百個單位的能量也可以讓它變成光速,賦予它一個單位的能量也可以讓它變成光速。沒有慣性,就不需要加速過程。你跑、你開車、你開飛機……無論你做什麼操作,它始終不會被你賦予初速度,它只有「不動」和「光速」這兩個選擇。你任何一個操作,其能量級數對光子而言,都可以達到光速。你唯一能做的只能是改變光子的能量級數(而且是極其微量的)。」 點評:這個說法已經很接近正確了。我甚至都不能說它不正確,但是這個說法的人,他仍然對光的速度的認識不夠深刻,或者說,仍然沒有意識到「光速也是有相對參考系的」。

「光不是波,也不是粒子,不能套用波或者粒子的運動規律。你現在套用了粒子的運動規律,才有這個思想實驗。如果套用波的運動規律做思想實驗,你就會發現找不到光對應的介質。聲音在空氣中傳播,光能在真空中傳播。」 點評:其實,我現在也不那麼確定,「光不是波也不是粒子」的說法,究竟是否成立。有可能的是,到最後,光其實就是能量,所以,不是波,也不是粒子。但是我非常確定的是,「光傳播必須有一個參考系,相對於這個參考系,速度是恆定的」。

「有些假設是人們默許的,比如「一個參考系下觀察兩件事同時發生,另一個參考系必然也同時發生。」翻譯一下,我檢測到兩個爆竹同時爆炸,你也應該檢測到它們同時爆炸。根據經驗,就應該這樣對吧;但是要問為什麼,以及有沒有實驗支持,有沒有理論依據,答案是否定的。」 點評:這裡說的,應該就是相對論中的「同時的相對性」。這個錯誤出在哪裡?就出在「同時」的概念上。具體地說,「兩個爆竹同時爆炸」,說的究竟是「觀察者收到兩個爆竹開始爆炸的閃光的時點相同」?還是「兩個爆竹開始爆炸發出閃光的時點相同」?如果是「觀察者收到兩個爆竹開始爆炸的閃光的時點相同」,那說的究竟是「觀察者收到兩個爆竹開始爆炸的閃光」的同時?還是「兩個爆竹開始爆炸發出閃光」的同時?這麼說,相信就已經很明白了吧?

「19世紀末20世紀初,有很多實驗將光理解為波,如果光像聲波一樣,速度相對於真空不變,(其實當時認為真空中存在「以太」作為光傳播的介質)地球就像空氣中運行的飛機一樣,由此就可以測量地球相對於這一介質的速度,我們還可以猜想,以太所處的參考系是絕對靜止的,這就像地心說時期,認為地球是絕對靜止的一樣,這一類理論中的概念往往被冠以「絕對」二字,比如「絕對參考系」「絕對靜止」「絕對運動」。然而測量光速的實驗全部失敗了,並沒有任何實驗檢測到光速在不同方向上的變化。」 點評:這裡的說法,不能說有什麼錯誤。這裡說的以太的概念,是100多年前的概念,請注意,對概念的理解是必須要時刻一致的。

「然而測量光速的實驗全部失敗了,並沒有任何實驗檢測到光速在不同方向上的變化。這些實驗包括:測量星光光速 和 測量不同方向的光速差。既然這些實驗都沒有測量到光速不同,愛因斯坦就做出了一個假設,任何參考系下,測量到的光速都是不變的。」 點評:很自然地,這裡提到的實驗,也包括了MM實驗。但是,前面我已經有說過MM實驗能夠證明的只是當時的以太概念的錯誤,只是當時概念上的以太是不存在的。這樣的論斷,與「任何參考系下測量到的光速都是不變的」是完全不同的概念,兩者之間是根本沒有關係的。也就是說「任何參考系下測量到的光速都是不變的」是一個沒有任何基礎的假設,也可以說是一個完全錯誤的假設。

「想讓不同參考系下測量的光速相同,就要求兩個參考系的時鐘不一致,或者兩個參考系的尺子不一致。」點評:不知道說這話的人是否明白,這樣其實就等於說「不同參考系下測量的光速相同」就是一個謬論,一個笑話。

「本質上,聲速的參考系是介質,你在飛機裡說話,聲音相對地面走的速度確實是聲速加飛機速度,因為聲速相對飛機中的空氣是340m/s。你在地球上說話,相對太陽也會疊加地球公轉自轉的速度。同理你在風中站著不動,風速10m/s,你順風的聲速就是350m/s,逆風就是330m/s。」 點評:這裡說的,也說不上有什麼錯誤。只是稍微有一點會有誤導人的地方,那就是:前面說「聲速的參考系是介質」,後面跟著說的「聲音相對地面走的速度確實是聲速加飛機速度,因為聲速相對飛機中的空氣是340m/s」,這是沒有問題的,很明白地說了聲速這個時候指的是「相對飛機中的空氣」的速度,而「你在風中站著不動,風速10m/s,你順風的聲速就是350m/s,逆風就是330m/s」,卻沒有指出這個時候的聲速不同,是因為說的是「相對於地面的速度」,而不是「相對於風(流動的空氣)的速度」。

「超音速飛機也不能讓音速相對介質的速度變快,超音速飛機向前飛,永遠是飛機和音速同時到達。」點評:這裡,前面說的是沒有問題的。但是,後半部分,「超音速飛機向前飛,永遠是飛機和音速同時到達」,可能誤導人。比如超音速飛機在空中時按順序發出了聲波A、B、C、D,這飛機與這些聲波到達空中更前方某點的先後順序是飛機、D、C、B、A。這樣說,才真正明白地表明了超音速飛機的超音速特點。

「光速是動量傳遞速度,不管光源怎樣動,光子脫離光源後都是動作傳遞向前,其速度取決於空間物質的傳遞速度,與光源無關,聲音也是如此。」 點評:我覺得這個人主要是想說光的傳播與光源無關,聲音也是如此,這樣是對的。但是,這裡說的「光速是動量傳遞速度」、「光子脫離光源後都是動作傳遞向前,其速度取決於空間物質的傳遞速度」,沒有什麼基礎支持。例如,考慮「真空」中傳播的光,其中沒有物質,如何傳播?

「假如你以接近光速奔跑,然後開手電筒,在外人看來,你緊跟在光的屁股後面,光並沒有比你快多少,但在你自己看來,光卻依舊是比你快出一個光速,因為你自己的時間流逝變慢了」 點評:這個說法,也是典型的,如果從另一個參考系看到的現象是正常的,那麼,肯定從這個手電筒的參考系看到的是錯誤的,然後「因為你自己的時間流逝變慢了」是一個很搞笑的解釋,「時間流逝的快慢」成了一個隨意的東西。如果從這個手電筒的參考系看到的是正確的,(這裡不理會那個「時間流逝快慢」了,)那麼從另一個參考系看到的現象就是錯誤的。 如果有人想和我討論這個,也請私信,或者另外找地方聊。

「所謂光速不變,就是任何慣性系對同一光源發出的光,會測量到同樣的速率。光源再快,發出的光也是同樣的速度」。點評:這裡說的,應該是「在任何慣性系對不同速度的同一光源發出的光,會測量到同樣的速率。」這意思是「光的傳播不依賴於光源的運動狀態」。並不是「光的速度相對於任何參考系均恆定」。是不同的概念。

「「光速不變原理」理解起來非常簡單,但要「接受」卻很困難,只要願意接受光速不變原理,你的問題會變得很簡單,網絡上關於狹義相對論的文章不少,科普的、入門的、專業的。但一些作者也可能水平不夠,容易誤導讀者,如看到以下字眼基本可以不用看了:物質轉化為能量、超光速時間倒流、狹義相對論只適用於慣性系……」 點評:的確是非常簡單,但是你在這裡的理解,卻並不是相對論中的「光速不變原理」,或者說,相對論中的「光速不變原理」本身的含義卻是非常模糊不清而且在不同的時候採用互相矛盾的解釋。

「光速恆定的意思是,你以任意速度運行,光都是以光速超越你,因此當你達到光速了,光仍然是以光速超越你(反向思維就是光速時,你的時間靜止了)」點評:這樣的說法,基礎在哪裡?

「時空彎曲」、「洛倫茲收縮」、「慢鍾效應」、「時空扭曲,長度收縮的同時,時間變慢」 點評:這些,都是沒有任何支持的錯誤的概念。

對於其它回答和評論中看到的文字,我就先點評這麼多。

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