愛因斯坦發現了光速不變原理?其實在他之前早已有人證明!

2020-12-03 星辰大海路上的種花家

在大家的印象中光速不變的原理是隨著愛因斯坦1905年狹義相對論發表時,同時提出的兩條基本假設

狹義相對性原理:一切物理定律在所有慣性系中均有效

光速不變原理:光在真空中的速度c是一個常數,與光源的運動狀態無關。

前者說的是一切物理定律(除引力外)在洛侖茲變換下保持形式不變,不同的時間內進行的實驗得出的物理定律是一致的。

後者字面意思理解起來就更簡單:即無論你怎麼折騰,光速始終是一個常數,即:299792458米/秒。

當然愛因斯坦將其放在狹義相對論的基本假設中,也就是狹義相對論在這兩條假設之上,讓這個假設成了真設,隨著相對論的傳播,在大家的印象中就是愛因斯坦發現了光速不變原理,其實不然,在十九世紀末,至少有兩位科學家發現了光速不變原理。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋

比較了解科學的朋友都知道麥克斯韋是是在愛因斯坦之前僅次於牛頓的人物,都知道他是玩電的,而且前無古人後無來者,但對於麥克斯韋偉大成就的意義卻知之甚少

費曼如此評價麥克斯韋,我們就不廢話了,反正就是說他的影響力遠超美國內戰。要來定義麥克斯韋成就的意義,必須來了解他的四個著名方程組:

當然只有最後一項麥克斯韋獨立發現,這個意義非凡,因為變化的電場能產生磁場,變化的磁場又能產生電場,往復循環……這就是傳說中的電磁波,但當時並沒有發現電磁波,麥克斯韋僅僅從理論上推導出來了。

麥克斯韋根據他的方程組直接推導出了電磁波的速度,如下圖所示:

因為ε0和μ都是常數,因此計算出來的電磁波速度也是一個常數,當然那會還是電磁波速度,麥克斯韋僅僅是根據這個速度和當時已經測定的光速一致,判斷光就是電磁波的一種,但麥克斯韋並無實錘證明,不過兩者一致非常詭異啊。不過後來發現光是電磁波的一種也就釋然了,只不過它的頻率比較窄,只是電磁波中的可見光波段一小段。

麥可遜-莫雷實驗

這個實驗的起始要從牛頓時代開始說起,自牛頓發現萬有引力以來,他就一直為一件事苦惱,是什麼傳播了天體之間的引力?最終他選擇了借用亞里斯多德的「以太」來作為引力傳播的媒介,包括天體以及光都在以太中傳播!

1660年,胡克認為光在一種叫做發光以太的介質中傳播,並且波不受重力影響。1800年,託馬斯楊發現了光的幹涉以及偏振性,託馬斯楊用衍射實驗證明了光的波動性。光是一種波絕對是一種新玩意兒,但波大家都很熟悉,水波,聲波等,前者藉助水傳遞,而後者則依賴介質,比如空氣和或者其他物體等。那麼光藉助以太傳播,那麼可以測量光與以太之間的相對速度(伽利略變換)來證明以太是否存在。

1887年麥可遜和莫雷在美國克裡夫蘭的卡思應用科學學校進行了此次實驗,實驗原理當時看來實在非常巧妙,如下圖:

當時並沒有雷射器,用的是相干光源,通過分光鏡分成兩束,然後通過反射鏡反射回分光鏡,最終回合於檢測平面上,如果在「絕對靜止」的條件下,兩束光在檢測屏上不會留下幹涉條紋,但如果相對以太運動,那麼將會出現速度差而出現幹涉。這個實驗裝置非常巧妙,當然現在已經很常見了,包括LIGO檢測引力波用的也是這個原理。

麥可遜和莫雷實驗結果發現,相對於以太的速度遠小於地球公轉的速度30千米/秒,因為系統仍然存在誤差,當時並不敢判定以太到底是否存在,但實驗傳開後各方都投入了大量的紅拂驗證實驗。

各位可以發現麥可遜最早在1881年就已經獨立測試,那時誤差比較大,但後期其他科學家驗證越來越小,但仍然存在。當時仍然有部分科學家認為地球可能帶著以太一起跑了,不過這個很快就被天文觀測所打臉,因為如果存在地球帶著以太跑這個可能的話,天文觀測早就發現光線的異常傳播現象了。

當然這裡留一個小小的懸念,麥可遜-莫雷實驗中的誤差並非全部是誤差。

光速不變和狹義相對論

其實在愛因斯坦的狹義相對論之前,我們不得不提兩個人:

洛侖茲和龐加萊1904年,物理學家洛倫茲在論文《以任意小於光速的系統中的電磁現象》提出了著名的洛倫茲變換,用於解釋邁克耳孫-莫雷實驗的結果誤差。他認為運動物體的長度會收縮,並且這個收縮只發生運動方向上。

引入洛侖茲變換後,麥可遜-莫雷實驗中的「誤差」被成功解決。在著名的洛侖茲變換之前的1895年,洛侖茲就提出了長度收縮的假設,並且提出了「本地時」的概念來解釋光行差以及都卜勒頻移等,洛侖茲變換概念也於這一年被提出,在1899年修正和1904年再次修正後正式發表。1900年龐加萊認為洛倫茲的本地時是來自不同坐標系之間通過光速進行的時鐘同步,這就是後來愛因斯坦狹義相對論中同時性的相對性的概念。

當洛倫茲和龐加萊小心翼翼的在通往狹義相對論道路上摸索的時候,愛因斯坦大膽地提出了兩條光速不變和下一相對性原理為基本假設的狹義相對論,當然愛因斯坦並沒有獨佔狹義相對論的功勞,他將洛侖茲和龐加萊成為狹義相對論的先驅,愛因斯坦也是站在了巨人的肩膀上!

相關焦點

  • 愛因斯坦提出了光速不變原理?不,他只是假設而已
    在大家的印象中光速不變的原理是隨著愛因斯坦1905年狹義相對論發表時,同時提出的兩條基本假設狹義相對性原理:一切物理定律在所有慣性系中均有效光速不變原理:光在真空中的速度c是一個常數,與光源的運動狀態無關。前者說的是一切物理定律(除引力外)在洛侖茲變換下保持形式不變,不同的時間內進行的實驗得出的物理定律是一致的。
  • 為什麼愛因斯坦會提出「光速不變原理」?
    相對論的兩條基本假設我們現在都知道,愛因斯坦相對論的基石有兩個分別是:其中,相對性原理其實是伽利略提出來的,因此,也被稱為伽利略變換
  • 愛因斯坦為什麼會提出「光速不變原理」
    而愛因斯坦創立狹義相對論也用到了兩條假設: 相對理性原理(也可以叫做伽利略變換) 光速不變原理 而其中最大的突破其實來自於後面這一條「光速不變原理」,那愛因斯坦為何會提出這條假設呢?
  • 中國科學家證明愛因斯坦光速不變假設不成立
    論光速不變的相對性這篇具有劃時代意義的論文以強大的科學邏輯證明了愛因斯坦的光速不變假設只是來源於狹隘的洛倫茲變換的一種狹隘推論的定義,雖然愛因斯坦反過來用這定義假性地推導出了洛倫茲變換而建立了狹義相對論,但在狹義相對論的邏輯框架內,實際上還存在著廣義的時間空間參數變換,即完全時空變換,因而隱含著眾多與狹義相對推論相對矛盾的推理,即狹義相對論完整的推論是完全相互否定的。
  • 光速不變原理的產生背景
    因為光速它不變!有人說光速不變有什麼奇怪的,物理學裡速度不變的東西多了去了,聲音在空氣裡的傳播速度也不變,鐘擺還一直規矩的搖擺呢。但是,實際上說的光速不變不是指這個,而是說光速相對不變!!!怎麼理解這句話成了理解狹義相對論的關鍵。還是上面的火車實驗,當實驗對象換成光的時候,這一切就變了。
  • 光速不變原理是怎麼被發現的?
    光速不變原理實際上是愛因斯坦相對論的基礎,相對論是建立在兩條基本假設至上的科學理論,這兩條基本假設,其中之一是光速不變原理,另外一個就是相對性原理。相對性原理實際上就是我們初高中所學的參考系的一些相關知識,在這裡就不贅述了。
  • 【物理探秘】愛因斯坦為什麼會提出「光速不變原理」
    他通過這五條公設創立了平面幾何學。而愛因斯坦創立狹義相對論也用到了兩條假設:而其中最大的突破其實來自於後面這一條「光速不變原理」,那愛因斯坦為何會提出這條假設呢?牛頓 vs 麥克斯韋其實這件事就要從牛頓開始說起,在牛頓之前,物理學並沒有發展出一整套集大成的理論。而牛頓改變了這一切,他提出了牛頓三大定律,以及萬有引力定律,讓我們知道天上和地上是遵循同一套物理規律的。
  • 「光速不變」的真正原因是什麼?其實很簡單!
    如果我告訴你「光速不變原理」是一種假設,你信嗎? 別不信,還真是假設! 首先說明一點,這裡的「光速不變」並不是指光速在真空中的傳播速度為30萬公裡每秒,而是指相對於任何慣性參考系,光速始終都是30萬公裡每秒!
  • 從測量光速到計算光速,光速不變原理是怎麼被發現的?
    光速不變原理是狹義相對論中的一個基本假設,並被大量實驗證實;光速不變原理的發現是一個曲折的過程,也有不少物理學家走了彎路。早在18世紀,科學家就利用光行差的原理來測量光速,但是由於測量精度有限,所以結果可以用牛頓的經典時空得到合理解釋,數值大概在每秒30萬公裡左右。
  • 愛因斯坦為什麼會提出「光速不變理論」?
    在愛因斯坦的相關理論中,「光速不變」可以說是我們最難接受的一個概念了,但就這個與常識相悖的理論,卻偏偏成為了現代物理學的公理。那麼這條公理到底是怎麼來的呢?在當時的科學界,對「地球圍繞太陽公轉」這個說法早已認同。顯而易見的,地球相對於「以太」是有一個速度的,如果真空中的光速是相對於「以太」這個參考系的,那麼根據速度疊加原理,從地球上發射出去的不同方向的光,它們的速度必定不會是相同的。
  • 光速不變的原理是怎麼被發現的?科學家給出了答案
    光速不變的原理是怎麼被發現的?科學家給出了答案隨著人類科技的不斷進步,我們現在知道了宇宙中有很多奧秘是我們還沒有解開的,而且在宇宙中有很多神秘的天體,人類從開始探索宇宙的奧秘開始就不斷地對宇宙進行研究和探索,曾經歷史上也是出現了很多偉大的科學家,比如說牛頓,愛因斯坦這些都是世界上著名的科學家,現在我們知道宇宙中最快的速度就是光速,而且光速不變的原理也是科學家發現的,那麼光速不變的原理是誰發現的呢?
  • 「相對性原理」和「光速不變原理」該如何理解?它們為何相牴觸?
    要想真正理解愛因斯坦提出的狹義相對論,前提是必須理解愛因斯坦在狹義相對論中所提出的兩條基本假設:「狹義相對性原理」和「光速不變原理」,因為狹義相對論就是以這兩條基本假設為出發點通過洛倫茲變換推導出來的!而「狹義相對性原理」又是在「相對性原理」的基礎之上延伸出來的。所以,理解「相對性原理」和「光速不變原理」就顯得尤為重要。
  • 光速並不是宇宙中最快的速度,光速不變原理的限定是什麼?
    現在人們都知道光速不變原理,都知道不管在任何情況下測定光速,它都是恆定不變的。但是在麥可遜-莫雷實驗之前卻並不是這樣認為的。那時的物理學家們普遍都認為光是在一種名為「以太」的介質中傳播的,還曾費盡心思地去尋找以太在宇宙中存在的證據,但是都無功而返了。
  • 哲學與科學的對決——破解「光速不變」
    在廣義相對論中,由於所謂慣性參照系不再存在,愛因斯坦引入了廣義相對性原理,即物理定律的形式在一切參考系都是不變的。這也使得光速不變原理可以應用到所有參考系中。就是說,光速是物質現象的一種,其實也是相對的,《相對論》僅僅是一種現象規律、相對真理,需要發展。這一點,愛因斯坦也承認,稱之為「規律決不會是精確的,因為我們是藉助於概念來表達規律的,而即使概念會發展,在將來仍然會被證明是不充分的」。
  • 【相對論介紹四】光速不變原理講的是什麼?
    在前面的三期我們已經介紹了狹義相對論、廣義相對論以及相對性原理講的是什麼。這期我們將來重點介紹光速不變原理。經過不均勻介質,光速減慢愛因斯坦曾經高度評價自己的「光速不變原理」,他認為,自己的的相對論與牛頓經典物理學的分水嶺就是「光速不變原理」。
  • 光速恆定不變,這是怎麼被發現的?源於一次大膽的假設
    光速為299792458m/s,且恆定不變。光速不變是怎麼一回事呢?光速是宇宙系統內部運動的最快速度,任何有質量的物體都無法超越光速,且光速相對於任何參考系而言都是恆定不變的。這是不是有些不好理解?那就讓我們從牛頓說起。
  • 什麼是光速不變?什麼是鍾慢尺縮?愛因斯坦為什麼要提出相對論?
    光速不變原理是相對論的基本原理。這句話被很多人誤認為光速不變是相對論的假定,有的甚至誤認為是相對論的結論。那就是,光速不變不是相對論規定的和假定的,也不是從相對論公式裡推導出來的,而是測量出來的。當我們測量光速,不論用什麼方法,怎樣測量,得到的結果都是一樣的。所以光速不變是實驗結果,至今也沒有發現光速會變和相對運動下光速會變的測量結果。光速不變這一事實,無法用牛頓力學和電動力學(麥克斯韋電磁學)來解釋,因為根據牛頓力學和電動力學推導出來的速度都是相對的,都是可變的。
  • 四維時空:時間與空間的不變性,以及光速不變原理
    而愛因斯坦思維的飛躍性就在於:他認為在四維時空裡,宇宙的一切事物都以一個固定的速度在運動,即光速。因此,他把這個想法稱之為——光速不變性,即反映光速不變的特性。愛因斯坦曾今,一度想把相對論命名為——「不變論」。
  • 每一張星空照片都能證明光速不變,愛因斯坦的相對論是正確的
    愛因斯坦的相對論已經發表了100多年,現在它已經成為科學界公認的現代物理學的兩大支柱之一。然而,許多人仍然對相對論的正確性提出質疑,其中人們質疑最多的是光速不變原理。本文利用光學像差分析證明了真空中光速是恆定的。我們之所以要採用反證法,是因為目前的光速測量實驗是採用雙向光速來回測量法,這一點受到很多人的批評。
  • 為什麼光速無法被超越?根本原因是光速不變原理哦!
    光速無法被超越的根本原因是光速不變原理,而至於為什麼光速會有不變性,目前還不清楚。麥克斯韋先是從電磁場方程組中推導出光速不隨參照系的變化而變化,此後麥可遜和莫雷所做的光幹涉實驗證實了這一現象,再後來愛因斯坦把這種現象總結為光速不變原理,並由此創立狹義相對論,最後推導出任何東西都無法超光速。但遺憾的是,我們現在還不知道光速不變原理背後隱藏著什麼深刻的原因。