光速不變原理的提出
愛因斯坦在1905年發表了狹義相對論,而狹義相對論的是依據兩條假設而推導而來:
1.相對性原理
2.光速不變原理
狹義相對論自發表之後,經受住了多次考驗,可以說狹義相對論是一個正確的理論。而作為其假設條件之一的光速不變原理自然被認為是正確的。
但是愛因斯坦並不是憑空想像出來光速不變原理的,而是在站在巨人的肩膀上。
在牛頓的經典力學中,物質的遠動速度都服從伽利略變換。伽利略變換其實就是物質的運動都是相對的,運動速度因其選擇參考系的不同而不同,簡單地說就是速度疊加。
例如,一輛飛馳的高鐵,坐在高鐵作為上喝著茶,追著劇的乘客相對於車廂的速度為0,而相對於地面的速度為車速,可能為300km/h,如果乘客因為尿急而準備向車輛行駛的方向去上廁所,那此時的速度就是人行走的速度加上高鐵的速度。
在牛頓看來,光速雖然很快,但是同樣遵循這樣的原理,在高鐵車上開一個手電筒,那麼此時相對於地面的光的速度等於靜止在地面上的光速加上高鐵的速度。
牛頓去世後的100多年後,麥克斯韋統一了電磁學,給出了一個令人驚嘆的麥克斯韋方程組,可以說到目前為止,麥克斯韋方程組依然是電磁學的頂峰。後來有物理學家對麥克斯韋方程組進行求解,可以意外的收穫了光速的表達式c=1/ε0υ0.(ε0為真空介電常數,υ0為真空磁導率)。
這可嚇人一跳, 光速竟然是不變的。此時很多的物理學家們在牛頓與麥克斯韋之間徘徊不定,直到愛因斯坦的出現,才大膽地認為光速不變。
後來很多實驗也證明光速不變原理是十分正確的!
關於量子力學中信息傳播超過光速的悖論(EPR悖論)
雖然光速不變原理看起來堅不可摧,但是依然有人找到一些例子來反擊愛因斯坦。我們知道,20世紀是量子力學建立和發展的時期。設想一個量子系統是由兩個自旋為1/2的粒子構成,一個自旋向上,一個自旋向下,在量子力學中,這兩個粒子誰向下,誰向上是不確定的,換句話說,誰都向下,誰都向上,這就是量子力學中所說的量子疊加。
另一方面,如果把這兩個粒子一個放在地球上,一個放在月球上,如果地球上的粒子被觀測出自旋朝上,那麼我們立刻就知道月球上的粒子自旋朝下,這就是量子的糾纏態,這種行為是超越光速存在的。但是我們前面知道光速不變原理是正確的,可是此時卻好像不符合了。
後來,哥本哈根學派做出解釋:月球上的粒子雖然測到自旋向上,但僅從這次測量的結果,無法推斷出它是以50%還是100%的概率獲得此結果的,換句話說,它根本不可能由此知道地球上的粒子是否被測量這個信息,因此這裡根本不存在「信息傳送」。即使「幽靈」超光速,也不違背狹義相對論「信息傳送不能超光速」的原理。
舉一個粒子,一個在合肥懷孕的女性現在生了一個孩子,那麼遠在農村老家她的母親自孩子誕生就立刻升級為外婆,雖然她母親不知道自己已經當了外婆了,但是並不妨礙自己已經是外婆的身份了。
所以說光速不變與量子力學並不違背。
最後,一些速度確實快了光速
有宇宙大爆炸理論,宇宙在不斷的擴大當中,假如說我們人來想要去到宇宙邊緣的話,我們能夠使用的最大速度就是光速,那麼人類永遠追不上宇宙擴展的速度。
在這裡,宇宙空間膨脹的速度超過光速。
但是,對於物質運動、信息、能量傳播的速度極限是光速!