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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。
麥克斯韋放出大瓜
19世紀,麥克斯韋創造了繼牛頓之後又一神作,統一了電磁學,他用簡單又漂亮的四個方程描述了所有電與磁的現象,何為電磁?變化的電會生磁,變化的磁會生電,然後它們就相互相生到永遠,這個東西就稱為電磁波,可見光屬於電磁波。
電磁波的一切,方程皆可解,一解不要緊,竟然出現了一個大瓜:電磁波的波速竟然是個常數,只與兩個常數(介電常數和磁常數)有關,就是下面這樣。
為何這是個大瓜?你可以仔細回憶一下,一般情況我們求速度,要麼會有時間、路程,要麼會有速度A、速度B、加速度,一頓加減乘除,然後得到另一個速度。在這兩種情況中,路程其實就代表著相對(馬路、空間中的兩點等等)運動,要不就是相對於A人(速度A),或者B車(速度B),總之就是伽利略告訴我們的速度都是相對的,就像我在火星上看地球躺在床的你速度很快,不是你快而是地球公轉速度快,所以你看起來快。而相對於你母親,她會認為你癱在床上一動不動,視角不同,速度就不同。理解了這點,大瓜就出來了。
問:光速是相對於誰的?
你會發現光速沒有以上那些參照條件,只有電與磁在空間中的性質,真空光速299792458m/s。科學家一看這是新題型呀,不會做怎麼辦?科學的方法先假設(猜),然後實驗論證,實際上能猜的方向並不多,靠譜的只有兩個。
最容易想到的是光源,比如手電筒一按按鈕,光相對於手電筒以光速飛出。這個方案很快就被打臉,最簡單的例子就是宇宙中現成的雙星系統,兩顆恆星互相旋轉(星光)跳躍,我不停歇!
假設兩顆恆星速度為u,那麼A星走到離我們最近的點時速度為(c+u),B星離我們最遠的時候遠去的速度是(c-u)。當雙星系統離我們足夠遠,即使u不是很大,不同星光到達地球會出現滯後,由於太過遙遠雙星系統會呈現模糊的一團光,然而科學家對著天空一頓找,發現所有的雙星系統都不管距離多遠都是清清楚楚的兩顆星。光速相對於光源就被pass了,那麼答案會是另外一個嗎?要是那麼簡單就不是瓜了,也沒愛因斯坦什麼事。
波必須有介質嗎?
一說到波,我們最先能想到的就是水波,科學家也是這麼想的,這就是第二條路子。我們思考兩件事,蜻蜓點水會泛起漣漪,由中心逐漸向外擴散,水面是上下起伏振動,層層把波傳遞出去,就像潮起潮落,並非是太平洋中心的海水,橫跨半個太平洋,就為了跑過來拍在沙灘上。被拍在沙灘上的水,只是沙灘邊上被「擠」出來的水。水對於水波來說只是傳輸的介質,並非傳播的物質,實際上波傳播的是潮汐能,介質只是在上下振動。
再說例子,你在操場對面,衝著我喊一嗓子,我接收到了你的信息,這是聲波通過空氣振動傳播,而非你一嗓子把你那邊的空氣吹到我這邊來,空氣本身並不會因為聲波而移動,它也只是介質。
於是,科學家想當然認為光波傳遞必然有介質。傳播的介質先叫「以太」(源於古希臘哲學家亞里斯多德,這裡不贅述了),以太就是光波的參照物。
我們能看見滿天星光,因此以太應該充斥著整個宇宙。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。
勻速直線運動的船上有個房間沒有窗戶,岸邊也有相同的房間。你一覺醒來發現自己在這樣房間中,即使給你一切工具,只要看不到外界,哪怕是朝各個方向扔小球,你也無法辨別自己到底是處於船上,還是岸邊的房間中。
再比如:如果沒有太陽、月亮、一切星光,你能確信地球在動嗎?
伽利略的相對論意思就是靜止和勻速是一回事,除非你能感受到外界事物,產生相對性。
回到上面,如果相對於以太靜止就是絕對靜止,那麼靜止和勻速運動就不是一回事了。因為你可以在房間內向各處射出幾道燈光,如果光相對於以太運動,船也在相對於以太運動,那麼光與船就會出現相對速度,一旦發現船中各個方向光速不一,那麼就可以證明你在船上,不在岸邊房間中,那麼伽利略的相對論就廢了,後面人類400年的科學發展,從牛頓到楊振寧都廢了,諾貝爾獎就是個笑話。
就在大家一籌莫展、還在尋找以太的時候,愛因斯坦跳出來了說:為什麼非要給光速找對象,如果光速是絕對的,不需要介質,那麼一切問題迎刃而解,而且更多難以解決的問題,也能解決了。
當然,愛因斯坦是有所依據的,那就是麥可遜莫雷實驗證實了以太不存在,原理和船上開手電筒是一個原理,無論船如何運動,光速始終都是一致的,下面就是實驗原理:
愛因斯坦基於光速不變原理發表了《狹義相對論》,質能方程,《廣義相對論》,還有《光電效應》開啟了量子力學,並且得到了大量實驗的驗證,更加堅定了光速恆定不變。2012年量子力學才真正正面回答了光速為何不變的原因。
光速不變的真正原因
萬物都由比質子、中子更小的粒子構成,例如電子、夸克、膠子等等,物理學稱之為基本粒子。
這些粒子之間會產生相互作用,從而形成原子核、原子、分子、物質。用量子場來描述相互作用:物質的一切質量都源於在不同「場」中獲得的能量。
一開始科學家認為所有基本粒子是沒有質量的,只是因為相互作用才有了組合形態夏的整體質量,後來通過質能方程(E=mc^2)計算發現有些粒子的質量與能量不符,並且不是質量少了,而是質量多了。也就是說多餘的質量並非來自於相互作用,部分粒子本身具有質量。
2012年,歐洲核子研究中心,發現了質量之源希格斯玻色子,宇宙各處充斥著希格斯場,粒子在場中運動獲得了「自身的質量」,而光子並不與希格斯場發生作用。可以說相互作用束縛了粒子,作用的能量越大,產生的質量就越大,例如原子核中膠子與夸克的強相互作用,使夸克佔據了原子的主要質量,而電子的電磁作用較弱,因此電子的質量相對於原子核幾乎可以忽略不計。而夸克和電子都與希格斯場作用也獲得了部分自身質量。
光子不受場的束縛,因此擁有宇宙空間中真空傳遞能量、信息的最快速度,也是絕對速度,只因它在真空中不受場的賦予它能量(質量)使其減速,也使得光子的靜止質量為零 ,這就是光速恆定不變的原因。