如果光速並非恆定不變,並非絕對的,物理學將一夜回到400年前

2020-11-25 科學美少男

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

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。

相關焦點

  • 如果光速會變,並不絕對,物理學將一夜回到400年前
    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。
  • 愛因斯坦理論面臨挑戰:光速並非恆定不變!
    這次檢測有可能打破由愛因斯坦提出的理論:光速在真空中是恆定不變的,為每秒30萬米。據美聯社報導:物理學界的科學家們為之震驚。但是他們也十分高興,因為最新提出的一項關於宇宙在次原子狀態下運作方式的假設可能是正確的。澳大利亞雪梨市新南威爾斯大學的約翰·韋伯教授是這個觀測小組的負責人。他說:「這將對物理學的基礎有巨大的影響。」
  • 光速並非恆定 而是越來越慢?
    他們認為,光速並非恆定不變:在早期宇宙,光速比現在要快。自提出之日起,光速可變理論一直存在爭議。而根據發表在《物理學評論D》的一篇論文,在不久的將來,這一理論將有望得到檢驗。如果實驗結果支持光速可變理論,那就意味著自然界的法則並非如我們今天所理解的那樣永恆不變,我們也需要重新審視愛因斯坦的引力理論。
  • 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。
  • 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。」
  • 如時間和距離都非恆定,光速為何恆定?光速可變理論有沒有前途?
    我們知道,在物理學上有很多常數,根據定義,常數就是指那些永不變化的數,它們包括了物理學定律中的一些最基本的參數,如電子的電荷等。最著名的、最眾所周知的常數應當是光速,真空中的光速為c=299792458米/秒,這是一個國際公認值。
  • 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。
  • 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。
  • 「光速不變」是什麼意思,是什麼限制了超光速現象?
    大家應該在日常生活中應該都聽到過這樣一句話「光速在真空中是恆定的」,但是如果對愛因斯坦的相對論沒有了解的話,就會產生很多誤解。比如在回答問題時總能遇到以下幾種問法:把雷射燈對著天空,雷射的另一端的線速度不就超光速了?
  • 墨西哥火山上挑戰相對論極端實驗:光速依然是恆定的
    來源:新浪科技新浪科技訊 北京時間4月9日消息,光速是宇宙中已知最高的速度,而在墨西哥一座死火山的頂部附近,科學家通過一項實現對一種極端情況進行測量,試圖找到光速有可能並非恆定不變的證據。現有的物理學理論可以很好地解釋大部分的宇宙,但當涉及到某些極端情況,比如物質在黑洞表面如何相互作用,或大爆炸之後的物質相互作用時,這些理論就失效了。測試愛因斯坦理論的極限並發展出一個更廣泛的理論,從而將這些極端情況納入其中,已經成為一個全新的物理學領域。但是,並非每一次測試都能證明現代的物理學理論是正確的。這項新的實驗可能就是物理學家們迄今面臨的最大挑戰。
  • 光速不變的真正原因是什麼?
    光相對於觀察者的速率恆定不變,這是一種自然現象。然而人們並不知道這種自然現象的本質究竟是什麼。
  • 光速不變原理:既然光速恆定,為何在不同介質中,速度存在差異?
    光速不變原理:既然光速恆定,為何在不同介質中,速度存在差異?我們知道愛因斯坦相對論的一個重要理論基礎,那就是「光速不變原理」,所謂光速不變原理,也就是說對於宇宙當中的任何一個參考系,光速都是恆定不變的299792458米每秒。
  • 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。光速不變也可以理解為我們這個四維時空中「空間與時間流變轉化的比值恆定常數」。
  • 為什麼光速是恆定的,不會因任何運動形式而改變?
    為什麼光的速度是恆定的?簡單說,物理公式和我們觀察的結果都證實了這一點。光速不變原理的出現是近現代物理學上的一個重大變革,這個原理是狹義相對論的基礎,也是科學家們在研究探索以外的過程中提成來的,被愛因斯坦提出來的,過程比較複雜,這裡就長話短說!
  • 真空光速並非極限:宇宙中這3種「速度」,其實比光速更快
    真空光速並非極限:宇宙中這3種「速度」,其實比光速更快目前人類發現的速度最快的物質,就是真空中的光。光在真空中的傳播速度大概是30萬公裡每秒,而且根據愛因斯坦的「光速不變原理」,相對於宇宙中的任何一個參考系,光速都是恆定的。
  • 【相對論介紹四】光速不變原理講的是什麼?
    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」。光速不變原理的意思是:光的運動速度與光源相對於觀察者的運動無關。
  • 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。
  • 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?
    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。
  • 從理論上來講,物理學允許我們穿越時空回到古代嗎?
    一不小心就穿越時空回到古代,然後利用自己的現代知識在遙遠的過去出盡風頭,這樣的情節相信大家早就已經司空見慣。雖然我們都知道這些全部都是虛構的,但是也不免會產生好奇,從理論上來講,物理學允許我們穿越時空回到古代嗎?像這樣的事情,是僅限於人類的幻想,還是真的可以實現呢?下面我們從物理學的角度來分析一下。