光速恆定不變,這是怎麼被發現的?源於一次大膽的假設

2020-12-05 科學信仰

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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。在牛頓所建立的經典力學之中,任何物體的運動速度都是相對的,根據所選擇的參考系的不同,物體的運動速度自然也不一樣。

假設一輛汽車從我們的面前以每小時60公裡的速度疾馳而過,那麼以站立不動的我們作為參考系,這輛汽車的速度就是每小時60公裡。此時,如果我們也駕駛一輛汽車,與這輛車並排行駛,且速度一致,同為每小時60公裡,那麼此時那輛車相對於我們而言就是靜止的。這就是選取的參考系不同,物體的運動速度也不同。

光速不變指的是光不會因為參考系的變化而發生速度的變化。

還是剛才的那個例子,時間換到晚上,打開車燈,當我們駕車與另一輛汽車同向同速行駛的時候,那輛車的車燈所發出的光相對於我們而言是299792458m/s,如果我們不駕車,站立不動,那輛車從我們面前疾馳而過,此時那輛車車燈所發出的光相對於站立不動的我們而言,依然是299792458m/s,而並不是299792458加上汽車行駛的速度。

為什麼會發生這種現象呢?因為那輛汽車的時間流逝速度在相對論效應下變慢了。當然了,這是後話,牛頓力學理論與光速不變的矛盾最初體現在了麥克斯韋方程上。麥克斯韋是與牛頓以及愛因斯坦比肩的偉大物理學家,僅憑一己之力就完成了一整套理論的建立,他將電和磁統一在了一起。

就是這個可以描述所有電和磁現象的麥克斯韋方程與牛頓力學理論出現了矛盾。

在牛頓的理論體系下,一切物體的速度都取決於所選擇的參考系,而在麥克斯韋方程中,光速被如此描述c=1/ε0μ0,其中c是光速,ε0是真空介電常數,μ是真空磁導率,真空磁導率也是個常數,由兩個常數所得出的光速c自然也就是一個常數了。

常數是固定的,不需要參考系,這與牛頓理論體系中一切物體的運動速度都取決於參考系產生了不可調和的矛盾。為了給這種矛盾找到一個突破口,科學家們開始假設了,一種叫做以太的傳播介質被假設了出來。就如同水波需要依靠水作為介質來傳導一樣,光也需要藉助以太來進行傳導,而以太遍布於各處。

以太的假設的確可以解決牛頓與麥克斯韋的矛盾,但問題的關鍵在於它只是一個假設,一個未能成功證明的假設。

14世界英格蘭邏輯學家奧卡姆曾經提出過一個原理叫做奧卡姆剃刀,又稱簡單有效原理,該原理核心就是「如無必要,勿增實體」。按照這個原理,平白無故增加一個「以太」出來只會讓問題變得越來越複雜,事實上的確如此,自從以太出現之後,一個個新的難題接踵而至。

此時,愛因斯坦出現了,愛因斯坦認為,既然「以太」本身就是一個假設出來的東西,何必要花費時間在這個上面糾結呢,既然是假設的東西,那麼完全可以讓它消失掉,「以太」的存在只會讓問題變得更複雜。我們不得不佩服愛因斯坦敢於擺脫一切束縛的思維模式。

在「以太」被去除之後,牛頓與麥克斯韋的矛盾怎麼辦呢?

很好解決,只需要四個字,光速不變,是的,愛因斯坦大膽提出了光速不變的假設。這個假設一出,一切都變得簡單了。此後,愛因斯坦又在光速不變的原理之上,建立起了狹義相對論和廣義相對論,從此,人類也正式由牛頓的時代跨入了愛因斯坦的世界,牛頓的絕對時空觀被愛因斯坦的相對時空觀所替代。

光速不變原理雖然源於假設,但這個假設如今早已通過實驗得到了驗證,比如麥可遜莫雷實驗。當然,我們並不是說牛頓的理論體系錯了,牛頓的理論體系可以說是宏觀低速環境下的特例,對於日常生活中的運動學和力學問題可以給出精度極高的近似值,精度甚至足以應用在航天工程上。#百家探索#

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    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。
  • 為何光速恆定為30萬千米每秒?
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  • 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。
  • 愛因斯坦這樣解釋光速恆定問題 一大波圍觀網友來襲
    首先我們應該認識一個事實,那就是光速恆定是麥可遜—莫雷實驗驗證的真理,並不是愛因斯坦的假設,相反愛因斯坦需要做的事就是大膽接受反常識的實驗結論為之所用,然後去解釋為什麼光速恆定。其實關於這個問題,愛因斯坦已經給出了滿意的答案。愛因斯坦的絕妙之處,就是把光速不變問題轉變為一項命題。一開始,他暫時就光速為何恆定不提出疑問。光速每秒30萬公裡,一概不變。事實上光速恆定完全違背常識。
  • 光速的本質是什麼,光速為什麼不變?
    愛因斯坦的狹義相對論就是基於光速不變原理發現的,不要認為光速不變原理是定律,事實上它只是愛因斯坦通過研究麥克斯韋方程組後的一個假設,你也可以認為是一個公理,有了這個假設,才有了愛因斯坦之後的狹義相對論的誕生!有人可能會說,既然是假設,就不一定是正確的,但事實上任何科學理論都是一種假設,然後再把這種假設進行全方位的驗證,同時這行假設能夠輕而易舉地詮釋相關宇宙奧秘。
  • 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。
  • 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。在一列以速度v相對於地面勻速行駛的火車上,火車的前照燈向前發射出一道光,這道光相對於火車的速度為c。假設有甲、乙、丙三名觀測者,其中甲坐在火車上相對於火車靜止,乙在火車上朝著火車前進的方向以速度u勻速運動,丙站在地面上相對於地面靜止。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。
  • 光速不變,一直理解不了,怎麼解釋?
    愛因斯坦從「時間的同時性也是相對的」這一認識作為突破,將相對性原理建立在相對時空觀上,正因為空間和時間都是相對的,光速才有可能保持不變,這個不變可能正是滿足相對性原理的表現,所以他把光速不變大膽假設為一個原理。並把相對性原理推廣到除引力定律外的所有物理定律,兩大原理結合創立了狹義相對論,也從此確立了相對時空觀。
  • 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。
  • 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。」
  • 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」。
  • 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
    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。同時,採用反證法,我們只考慮光速是否變化,而不考慮光速的具體大小,如何測量光速,交給他人去做好。
  • 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!
    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。
  • 光速並非恆定 而是越來越慢?
    狹義相對論描繪了時間與空間的關係,它建立在兩條基本假設的基礎上:物理定律對於所有的勻速運動的觀察者來說都相同;真空中的光速對任何觀察者來說恆定不變。在過去的一個世紀內,愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論都經受住了實驗的檢驗,並且能夠用於解釋許多物理現象,包括宇宙的起源。但在20世紀90年代末期,少數幾位物理學家向狹義相對論的一條基本假設發起了挑戰。