如何理解光速不變?從兩個著名實驗來理解!

2021-01-18 宇宙探索

有一個神秘的裝置。時而子彈全部穿過,表明這一裝置具有可穿透性;時而子彈又全部被反射了回來,使該裝置具有不可入性。

為什麼同一個裝置具有截然不同的特性呢?將這個問題套用到自然界,就是為什麼自然界呈現在我們面前的是大千世界,存在著各種性質迥異的不同事物呢?面對各種變化萬千的世界,我們應該如何認識並梳理這一雜亂無章的世界呢?

在經典力學時期,在天文觀測方面,人們就面對著兩個完全矛盾的實驗。它們是雙星實驗和麥可遜-莫雷實驗。

在宇宙中,與太陽系不同,普遍存在著雙星系統。這是因為星雲在收縮時,有兩個較大的中心點。於是,形成了兩個恆星系統。它們圍繞著共同的質量中心相互旋轉。如果兩個恆星的質量相差較大,則質量中心就會偏向質量大的那個恆星。於是,表現為質量小的恆星圍繞著質量大的恆星運動,就像地球圍繞著太陽進行公轉。兩者的區別在於,進行公轉的恆星是發光的,使我們有機會對該恆星進行觀測。甚至,位於中心位置的那顆質量較大的恆星是白矮星或黑洞,以至於我們看到的,只是一顆恆星在孤獨地自行轉圈。奇怪的是,這顆恆星的光譜,時而紅移,時而藍移。為什麼會這樣呢?

由於光具有運動頻移效應,星光頻率的周期性變化說明該恆星正在周期性地接近或遠離我們的地球,即該恆星正在圍繞著某一個中心進行公轉。

由於我們的宇宙是一個有機的整體,是由作為物理對象的物質和作為物理背景的空間共同構成的。因此,不存在絕對獨立和自由的物體。任何物體的能量都具有兩種不同的存在形式,其一是相對於自身的動能,由物理參量速度來度量;其二是相對於空間的勢能,由物理參量弛豫時間(頻率的倒數)來度量。

光子的特殊性在於,其質量非常小,以至於其能量的變化主要是相對於空間勢能的增減,由弛豫時間來反映。所以,光速只是光子維持其相對於空間勢能的速度,表現為相對於空間的不變性。

於是,當光子離開恆星時,光子有一個由相對於恆星以速度c運動,轉變為相對於空間以速度c運動的轉變過程。由此增加或減少的動能,會由光子的勢能予以調節,即表現為頻率的變化。這就是光譜運動頻移的原理。

所以,正是恆星有節奏地頻率變化,使我們推斷出該恆星正在圍繞著另一顆恆星運動。由此,證明了光速不變現象,即光速與光源無關,僅與空間相關。

與雙星實驗相對應的是麥可遜-莫雷實驗,如圖所示。

麥可遜-莫雷光的幹涉實驗

該實驗起初是為了驗證地球是否拖拽以太空間。以太被認為是與物質截然不同的物體,它是光線傳播的介質。如果在麥可遜-莫雷實驗中發現了周期性的幹涉條紋移動,就說明地球在以太空間進行絕對運動,即所謂的裸行;如果該實驗的結果為零,則說明地球拖著以太空間一起運行,兩者是同步的。

經過觀測,實驗的結果是沒有發現幹涉條紋的移動。然而,由此就證明了以太空間隨著地球一起運動了嗎?此時下結論,還為時尚早。由於地球不可能拖著整個空間運動,當離開地面時,以太空間會逐步脫離地球的控制,從而產生以太風。

於是,麥可遜和莫雷將實驗裝置搬到了高山上,期望因遠離地面而發現光的幹涉條紋的變動。然而,遺憾的是他們仍然沒有看到幹涉條紋的變化。於是,經典力學的以太觀陷入了絕境,以太空間既不隨地球運動,也沒有發現以太風的存在。於是,人們由麥可遜-莫雷實驗得出的結論是,光速僅與光源相關,而與空間無關。

於是,就像本文的開始提到的那個神秘裝置一樣,光速也呈現出了矛盾的現象。在雙星實驗中,光速與空間相關,與光源無關;在麥可遜-莫雷實驗中,則是光速與光源相關,與空間無關。同樣的宇宙,同樣的光線,為什麼會呈現出如此截然不同的現象呢?

對此,有兩種不同的認識方法。第一種方法是歸納法,從各種現象中找出具有共性的規律,並將該規律應用於整個宇宙。第二種方法是演繹法,即建立一個具體的物理機制,使各種不同的現象僅只是該機制在不同的極限情況下的不同表現。

就那個神秘裝置而言,如果用歸納法,我們可以提出一個原理,規定該裝置同時既具有可入性又具有不可入性。於是,矛盾被消除了。只是留下了一個更大的問題,使該裝置更具神秘的色彩,即為什麼該裝置同時具有截然相反的性質呢?

如果用演繹法,我們可以假設該裝置是一臺電扇,決定電扇性質的因素是子彈與扇葉的速度之比。該比值遠大於1時,電扇具有可入性;比值遠小於1時,則電扇具有不可入性。通過具體的物理機制,將不同的現象分隔在不同的情況。於是,在時間上阻斷了矛盾現象的出現,從而化解了矛盾。於是,理解了為什麼宇宙呈現在我們面前的是各種紛亂不一的世界,是因為同一個物理機制在不同的極限情況下具有的不同表現。於是,我們獲得了一個統一的認識,使現實的世界呈現出有機的統一性。

對此,當遇到矛盾的現象時,許多人都會說他們肯定會採用第二種方法來化解矛盾,只有傻子才會使用第一種方法,認為那只是一種掩耳盜鈴的愚蠢做法。然而,事實上不僅有人採用第一種方法,而且該方法的使用還是非常必要的。

因為,構建一個合適的物理機制,是一件很困難的事情。只有建築於獲取足夠信息的基礎上,構建適當的物理機制才是有可能實現的。因而,在採用演繹法之前,首先需要我們運用歸納法,找出不同現象之間的外在聯繫。

對於光速變化的矛盾現象,愛因斯坦就是採用歸納的方法予以解決的。他認為,既然光的矛盾現象是存在的,那麼我們就把這一矛盾的現象視作宇宙的基本規律,以此來消除矛盾。於是,愛因斯坦提出了光速不變原理,認為在任何參照系上觀測到的光速都是一樣的。然而,不同速度的觀察者,面對同一光束,如何會測量出相同的速度呢?於是,為了滿足光速不變原理,只好修改長度和時間的定義,以保證測量到的光速始終是光速c。這就好比是同一件事情,雖然可以用不同的語言講述,但他們表達的意思卻是不變的。

於是,愛因斯坦建立了狹義相對論,使我們有機會認識到物體在高速運動的情況下,其速度的增大會受到空間的限制,是不能超過光速的。狹義相對論是在高速領域關於空間效應的唯象型理論,建立了各種不同現象之間的外在聯繫。

當然,對於我們人類來說,只有這種唯象的理論是不夠的,我們仍然不知道為什麼光速是不變的,不利於更進一步地深入研究光子的特性。

隨著人類認識的進一步發展,由於普朗克常數h的普遍存在,由於各種微觀粒子都具有波動性,說明在我們的宇宙中存在著不可再分的最小粒子(由此命名為量子),說明我們的宇宙是由量子構成的。由此,形成了一個有機的量子宇宙觀:

離散的基態量子構成空間,受到激發的量子成為光子,由高能量子組成的封閉體系就是物質。

於是,根據量子的物理機制,運用演繹的方法,使我們理解了上述兩個關於光速實驗的矛盾結果。由於光速是光子維持其相對於空間勢能的速度,因此光速相對於量子空間具有不變性。

當量子受到激發成為光子時,其速度首先服從光源的內空間,相對於光源以速度c運動,屬於麥可遜-莫雷實驗的情況,即屬於短距離的極限情況;

當光子進入外部的量子空間時,光子通過與空間量子的碰撞,逐步改變其速度,以保持其相對於空間的速度不變性。由此引起的動能變化,會由光子的勢能予以補償,表現為光的運動頻移。由此,逐步地過渡到雙星實驗的結果,光速不再與光源相關,光子轉變為相對於空間以速度c運動。於是,藉助於量子的物理機制,由光子傳播的距離,將兩個矛盾的實驗分隔開來,從而避免了矛盾的出現。

這就是我們用電扇的物理機制化解神秘裝置的做法。作為引申,我們可以將宇宙中的各種不同的現象,都可以歸結為量子及其不同狀態的變化,歸結為量子空間的破缺(不對稱碰撞)。

總之,雖然雙星實驗和麥可遜-莫雷實驗呈現出來的是矛盾的現象,但是我們可以以此為契機,構建一個具體的物理機制,將矛盾的現象分隔在不同的極限情況。由此,我們運用演繹的方法,將獲得的物理機制應用於宇宙的方方面面,使我們獲得一個統一的認識。

結合量子力學的發展,我們有理由相信,可以通過量子的物理機制來認識我們的宇宙。

相關焦點

  • 你真的理解了光速不變原理?
    這就要追溯到著名的麥可遜-莫雷幹涉實驗,這裡不再詳細研究其實驗原理,提供一個百度搜索而來的示意圖如下:這樣的光路理所當然的不會產生幹涉條紋偏移,是不是應該選取相對於實驗儀器具有各種不同相對速度甚至加速度的光源,比如利用地球的自轉採集早晚的陽光進行實驗,才能確定光速變還是不變?才能確定光速與光源的運動狀態有沒有關係?即我們能否測試來自真正意義上的移動光源射來的光?
  • 「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。
  • 光速不變,一直理解不了,怎麼解釋?
    光速不變原理指的是光的單向速度相對於任何慣性系中的觀察者來說都是不變的,與光源的運動狀態無關,也就是說不存在優越的參考系。並以此來證明光速不變原理的錯誤。但1887年的邁克耳遜――莫雷幹涉實驗卻證明了空間中沒有「以太」,可是十九世紀末和二十世紀初的大多數科學家們並不願接受這個結果。只有少數科學家承認了這個結果,但也只是由絕對空間觀轉變為相對空間觀,仍然認為相對性原理並不適用於電動力學,因為光速不變原理不符合速度相加定理。說到底還是沒法證明光速不變。
  • 怎麼理解光速是恆定的
    光的速度相對於任何參照系都是恆定且相同的,這是狹義相對論的兩大理論基礎之一,它又稱為光速不變原理。
  • 怎麼理解光速是恆定的,跟參照系選擇無關?
    光的速度相對於任何參照系都是恆定且相同的,這是狹義相對論的兩大理論基礎之一,它又稱為光速不變原理。至於如何理解光速不變原理,可以通過一個簡單的例子來了解一下。那麼,甲測得光相對於他的運動速度為c,乙測得的光速不是c-u而仍然是c,丙測得的光速不是c+v而仍然是c。因此,無論觀測者具有怎樣的運動狀態,他們測得光相對於他們的運動速度都是保持恆定的c。換句話說,光速與任何大小的速度疊加之後既不會大於光速也不會小於光速,而是仍然等於光速。
  • 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。
  • 兩個小故事能否增加你對狹義相對論的簡單理解
    狹義相對論的兩個基本假設1.愛因斯坦相對性原理:在不同的參考系中,一切物理規律都是相同的。2.光速不變原理:真空中的光速在不同的參考系中都是相同的。為了說明相對論,有兩個故事來說明:故事11905年10月,德國《物理年鑑
  • 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?
  • 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。
  • 光速不變原理的產生背景
    光速不變原理是說光(在真空中)的速度C是恆定的,它不依賴於發光物體的運動速度。光速不會和任何速度發生疊加,包括當兩束光相對遠離的時候,其中一束光相對於另外一束的速度都是C,而不會像我們平常一樣,當兩個物體都以V的速度相對遠離的時候,它們相互之間遠離的速度是2V。
  • 研究發現光速應被理解成一種極限 並非恆定不變
    參考消息網1月19日報導 外媒稱,光並不總是以光速傳播。一項新的實驗揭示出,操控光脈衝的結構會減慢其傳播速度,甚至在真空條件下也是如此。這篇已被刊登的論文記述了從實驗中得出的證據,即物理學領域裡其中一個最重要的常數——光速應被理解成是一種極限,而不是光在真空中傳播時恆定不變的速度。紐約羅切斯特大學的光學物理學家羅伯特·博伊德說:「這項研究給人印象非常深刻。它其實顯而易見,你會想知道自己最開始為何沒有認識到這一點。」
  • 關於光速不變
    4) 太陽光麥可遜——莫雷實驗。這個莫雷實驗,只能證明光速C=頻率*波長是正確的,並不能證明光速與慣性系速度的關係,因為,即使依據光速恆定於背景為常數C,也可以推導得到莫雷實驗的結果。所以,終於可以理解,為什麼不考慮地球,僅僅相對速度的雙生子佯謬會出現悖論,為什麼不考慮地球的火車與隧道的尺縮鍾慢也會出現悖論,因為,只能是某一個速度發生變化,才會導致不同結果,這兩個比喻中的「地球」,已經被默認成為了「靜止背景」。所以,在動能額外增加「附加質量」上沒有問題,因為這個理論與「頻率和波長」沒有關係。
  • 光速不變理論是如何被推導出來的?愛因斯坦說的都是對的嗎
    而在科學界,有一個著名的理論,叫做「光速不變」理論,這個理論是由愛因斯坦所提出的,那麼,他究竟是如何推導出來這個理論的呢?先讓我們看一下「光速不變」理論的概念,簡單來說,愛因斯坦的《狹義相對論》,就是在這個基礎上創立出來的,即沒有物體可以超越光速存在。
  • 光速不變理論遭質疑(組圖)
    劍橋大學麥可·墨菲等學者的這項研究再次將我們的目光引向了一些最基本的問題:光速是恆定的嗎?我們理解的基本常數是穩定不變的嗎?  在普通人看來,光速不變理論有很多難以理解之處。以這幅示意圖為例,不論前面的車速比後面的快多少,從前車駕駛員看來,後車前燈發出的光的速度並不會有絲毫減慢。
  • 光速恆定實驗測量的真理,近代物理快速發展是從對光的理解開始!
    這是歷史上非常著名的測量光速的掩燈方案,但由於光速實在太快了,地面測量很難捕捉到,因斯實驗並沒有成功。17世紀人類首次測量出光速數值由於宇宙廣闊的空間為測量光速提供了足夠大的距離,因此,光速的測量首先在天文學上取得了成功。
  • 光速不變的真正原因是什麼?
    想要知道光速為什麼不變,我們必須先弄清什麼是光以及什麼是相對速率。 很多人或許會說:「光的本質是電磁波。相對速率就是兩個物體之間的微分距離變量 ds 與微分時間變量 dt 的比值,即 v=ds/dt 。」其實這兩個觀點都是有問題的。 用麥克斯韋方程組去解波動方程,可以得到電磁波的傳播速度,而這個速度恰好是光速。
  • 通俗理解狹義相對論的兩個基本原理
    然而,當人們設法測量地球相對以太的運動速度時(這個測量就是著名的邁克耳遜-莫雷的「以太漂移」實驗),卻得到相互矛盾的結果。這些結果與傳統觀念尖銳對立,各種調和這些矛盾的企圖都歸於失敗。這就使人們想到,在力學實驗中無法觀察到的絕對坐標,在電磁試驗中也是無法觀察到的。德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦首先認識到這一點。
  • 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。那麼,要理解四維時空的光速不變性,就要從時間與空間兩個角度分別來看,然後再合起來看兩者的關聯,最後才能感知光速不變性的意義。麥可孫-莫雷實驗的結果——光速不變,但又讓以太存可以在。
  • 洛倫茲收縮與光速不變
    荷蘭物理學家,著名的電磁學權威洛倫茲反覆研究了邁克耳孫實驗與光行差現象的矛盾。他認為,很可能存在一種以前不知道的物理效應:當一根長為l0的尺子在以太中以速度v運動的時候,會沿運動方向有一個縮短效應,長度縮短為l(圖1)。而與運動方向相垂直的尺,不產生這一效應。
  • 你對光速不變原理有疑問嗎?
    你怎麼理解光速不變原理以前,我認為光速不變原理只是愛因斯坦先生做的一個假設,他的狹義相對論是建立在光速不變原理之上。光速不變原理是真空中的光速對任何觀察者來說都是相同的,不隨光源或觀察者的相對運動而改變,大約是每秒30萬公裡。比如我在行駛火車上車頭方向走,我此時的速度是火車的速度加上我走的速度,再比如我在火車上拿著手電筒向前照,那麼在我們的印象中此時手電筒的光速度不就是光速加上火車的速度嗎?光速不變原理還成立嗎?