光速不變,為何在水中的傳播速度會變慢?引力又為何與光速相等?

2021-01-09 科學信仰孫晨

光的運動速度為每秒299792458米,且恆定不變。

光速不變指的是光速不會因為參考系的不同而發生變化。舉例而言,如果我們坐在一列行駛的火車上打開手電筒,光的運動速度對於我們而言是每秒299792458米,而對於火車下一個旁觀者而言,光的運動速度依然是每秒299792458米,而並非光速加上列車的行駛速度。

之所以會出現這種現象,是因為火車上的時間變慢了。我們說光速不變,可光在不同傳播介質之中的傳播速度卻又是不一樣的,通常所說的每秒299792458米只不過是光在真空中的傳播速度罷了。

既然光速不變,為什麼光在不同傳播介質之中的傳播速度會不一樣呢?

其實這是一個有趣的誤會,光在任何傳播介質之中的運動速度其實都是不變的,都是每秒299792458米,而之所以最終的傳播速度測定不同,是因為在不同傳播介質之中的運動距離存在著變化。

真空之中什麼也沒有,所以無論經歷多少距離,光都會保持其本來的運動速度,也就是每秒299792458米。而當光在空氣或者水中進行傳播的時候,其所處的環境就不再是一個真空的環境,而是一個存在物質的環境,物質是什麼呢?我們可以將其細化到原子的級別。

光在存在物質的環境下運動,則必然會穿過這些物質,在這一過程之中,光子會被物質的原子核外電子吸收,吸收了光子的核外電子會處於一種激發態,之後便會再次釋放光子,被釋放的光子會繼續前進。

吸收、釋放,一進一出,光子的運動距離就增加了,所以最終測定的光的整體運動速度也就變慢了,而本質上並不是光速變慢了,而是光子被吸收和釋放的過程耽誤了時間。而光速依然是恆定不變的。光,代表了宇宙間最快的速度,而在宇宙間能夠達到光速的並不僅有光,還有引力、磁場和電場,它們也同樣以光速進行傳播。

起初牛頓發現萬有引力的時候,並沒有正確認識到引力的傳播速度。

牛頓力學認為引力是瞬時的,無論兩者距離多遠,引力都會瞬時發生作用,引力的傳播不需要耗費時間,而負責傳播引力的介質被稱為以太。以太是一種假象的介質,在19世紀,很多科學家都是以太學說的信奉者。

隨著廣義相對論的提出,人們對於引力的認知越來越趨近於本質,人們發現根本沒有必要假想出一種東西來作為引力的傳播介質,引力的本質就是時空的彎曲,物體之間的引力作用也並不是瞬時的,引力的傳播也具有一個速度,這個速度就是光速。

無論引力也好、電磁波也好,它們的運動速度都被牢牢束縛,它們等於光速,卻始終無法超越光速,這是為什麼呢?

光、引力、電場和磁場都具有一個共同的特點,那就是沒有靜止質量。有靜止質量的物體隨著運動速度的增加,其慣性質量也會增加,想要繼續加速就需要更多的能量,如果要將一個有靜止質量的物體加速到光速,那麼即使耗費掉已知宇宙中全部的能量也是無法做到的。

而沒有靜止質量的物體則必須要以光速運動,這是不具有靜止質量的粒子存在的必要條件。簡而言之,沒有靜止質量的粒子,要麼以光速運動,要麼無法存在。

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  • 相對論說光速不變,那如何解釋光在介質中速度變慢呢?
    這個問題其實是對相對論光速不變原理不了解,從而產生的疑惑!光速不變原理光速不變原理是指真空中的光速對任何觀察者來說都是相同的。相對論中是不允許有質量的物質運動速度超過光速,如果達到光速,質量便會加到無窮大,所以相對論不讓攜帶質量和信息的物質超光速。因此超光速不是不被允許,只要不攜帶信息和質量就可以。所以量子糾纏和宇宙膨脹都沒有違反相對論。真空中最快,為3*10^8米/秒. 其餘介質都比在真空中慢,最接近的是空氣,約為2.996*10^8米/秒。
  • 關於光速不變的澄清
    首先,我們必須對光速不變有一個準確與全面的認識。什麼是光速不變?它包含兩層意思,一層意思是說:對於觀察者而言,無論觀測者的運動狀態為何?他測量到的光速是不變的。第二層意思是相對於光源而言:即無論光源的運動狀態為何?光的傳播速度不變。人的眼睛是無法識別光速的。所謂的觀察者,是指測量儀器而言。我們將上述陳述做一個簡單的拓展:對於觀測者而言,無論觀測者的運動狀態為何?
  • 關於光速不變
    這個不能證明光速相對任意參考系速度不變,因為光行差說明速度矢量改變了方向,速度矢量改變了方向意味著速度已經改變。但是可以證明光速相對某個背景(或光的傳播媒介)是恆定值C。2) 恆星都是一個一個的小圓點。3) 恆星都靜止。這兩項其實也不能成為證據,但是也能證明不同光源不同頻率的光有著相同的傳播背景,沒有出現不同傳播速度的光。與慣性系無關。
  • 【微視頻】光速不變原理
    光速不變原理
  • 為何光速恆定為30萬千米每秒?
    光速為定值,如果哪天測出了其他數值,代表著什麼呢?這道題的本質不是光速為何是30萬公裡每秒,而是光速不變原理,如果測出其他值,那就是代表光速不變原理錯了,最直接影響的就是相對論。光速為何是某個定值(30萬,只是我們人類自己規定的,但本質上光仍然有個恆定的速度),這個我們無法解釋,這是宇宙的法則吧。要知道光速不變原理,規定了光速在任意慣性系中保持相同的數值,其實更準確的來說,應該叫做光速不疊加原理。很好理解,如果我在一列高鐵上,沿著運動的方向,射出一束雷射,那麼請問在地面的觀察者,測出的光速是多少呢?
  • 如果速度超過光速會有什麼後果?
    愛因斯坦以光速不變原理為基礎之一創立了狹義相對論,由此推導出真空中的光速是宇宙中最快的速度,任何物體或者信息的傳播速度都不會超光速。那麼,如果速度超過光速會發生什麼?為什麼光速是宇宙速度上限?雖然光速理論上不可超越,但在現實中確實有各種「超光速」現象,切倫科夫輻射就是一個例子。切倫科夫輻射光的傳播速度與介質有關,在真空中最快,而在其他介質中會變慢。例如,光在水中的傳播速度會下降25%,為真空光速的75%。在這種情況下,就有可能出現超光速的情況。
  • 光速的本質是什麼,光速為什麼不變?
    而麥可遜-莫雷的實驗也證實了光速不變原理!而愛因斯坦做出光速不變假設是在牛頓的絕對時空觀與愛因斯坦的相對時空觀的衝突中產生的,因為牛頓的絕對時空觀佔據了統治地位,但它與完美到極致的麥克斯韋方程組不相容!我們理解世界的方式永遠不要單一。看看下面的關於光速的論述,會讓你耳目一新。
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  • 光速:空間與時間流變轉化的比值常數,什麼情形時恆定不變
    狹廣義相對論認為光速不變,並且是宇宙中運動速度的極限,幾乎可以把光速當作我們這個時空恆定的一個常數,是關於空間距離與時間比值的恆定常數。物體質量與運動速度關係當物體運動速度越接近光速時,速度增加就越難,物體的質量也會隨著運動速度的增加而增加,質量與運動速度的關係可以用質速公式描述,運動方向上的時間會變慢,空間長度縮短,而垂直運動方向上的時間卻保持不變。
  • 引力速度與光速均為c,帶你揭秘二者速度大小真的差不多嗎?
    引力波在空間中的傳播速度為c,而光速在空間中傳播的速度也為c。引力在空間中的傳播速度至少是光速的10^18倍。這就是為什麼所有引力理論都用瞬間來描述引力的傳播速度。在萬有引力的理論中,若引力像光速一樣慢,而這樣的誤差或延遲,將會導致災難性的結果。
  • 引力的傳播速度是光速,我們是如何發現並測量的呢?
    20世紀初,愛因斯坦提出了狹義相對論,其中有兩條基本原理,其一是狹義相對論性原理,即物理規律在所有慣性參照系中都具有相同的表現形式,從而否定了以太假說;其二是光速不變原理,即在所有慣性參照系中,光在真空中的速度穩定保持一個數值,不會因慣性參照系的不同而發生改變。
  • 引力的傳播速度是光速,科學家是如何測量出來的?
    在愛因斯坦的相對論中,光速是恆定的,並且是不可超越的,但在宇宙間能夠達到光速的不僅僅只有光,還有引力、磁場和電場,同樣它們也能以光速進行傳播。按照牛頓的經典力學來說,引力是瞬間作用的,不過愛因斯坦卻認為引力波與光速一致,而後來終於有科學家們證實了引力波的速度,與光速達到了一致。
  • 光速真的不變嗎?稍微改變一下思路就變了
    背景是,光速是光在一種叫「以太」的介質中的速度,類似於聲音在空氣中傳播。這個光速一定是標量速度,因為一切在介質中傳播,相對介質的速度都是標量速度,與方向無關,或不計較方向。那時人們人認為以太是相對太陽靜止的,地球是在以太中穿梭,所以地球與以太有相對速度,所以光在地球表面不同方向上的相對地面傳播速度是不一樣的。
  • 真空中的「光速」是宇宙中最快速度嗎?什麼是「光速不變原理」?
    真空中的「光速」是宇宙中最快速度嗎?什麼是「光速不變原理」?要說「光速」,仿佛是這個宇宙給予我們生活的三維空間的一個可望而不可及的「天花板」。目前我們人類還無法讓任何的物體達到真空中的光速那樣的速度,也讓我們的許多科學實驗達到了瓶頸。
  • 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?
    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。
  • 如果光速會變,並不絕對,物理學會倒退多少年?
    如果現在有有利的證據證明光速並非是恆定不變的,光速是相對的,那麼科學會倒退回三四百年前,回到牛頓,甚至是伽利略之前。光速是人類對時間、空間、信息、能量理解的一把鑰匙,這把鑰匙的特殊性就是光速絕對的。以太密度也應該很低,因為我們根本感覺不到它,也應該很硬,因為光速很快,越硬的介質傳播速度越快,就像聲音水中快,空氣慢。很顯然,這兩者是相矛盾的。以太會摧毀400年物理學還有一個非常大的問題,如果以太充斥在整個宇宙中,與空間平權,那麼以太不就處於絕對靜止狀態了。換句話說:一切事物只要相對於以太靜止就是絕對靜止。如果是這樣的話,物理學從伽利略開始就崩盤了。
  • 四維時空:時間與空間的不變性,以及光速不變原理
    最後,還會從三個不同的角度層面,來論述理解——光速為何不變。由此得出的,就是狹相的結論,即:相對速度越快(空間速度越快),時間越慢(時間速度越慢),如果相對速度抵達光速(空間速度抵達光速),那麼時間靜止(時間速度為0),相反如果相對靜止(空間速度為0),那麼時間速度就會是光速。