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?

2020-12-07 天文同好樂園

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。而根據愛因斯坦的狹義相對論,這個數值是永遠不會變化的。撇開物理學那些深奧的理論不談,僅從人類現在對宇宙的認知來看,這個宇宙中能有什麼東西是永恆不變的嗎?如果答案是否定的,那又憑什麼認定這些常數會永恆不變呢?

因此,有少數幾位物理學家向狹義相對論的這條基本假設發起了挑戰,他們認為,光速並非恆定不變,此即光速可變理論。從物理學的常識來說,對光速的測量是在某個單位制下測量的,即每秒多少千米。但是,愛因斯坦的相對論又告訴我們,時間會膨脹收縮、變快變慢,距離也會膨脹收縮、變長變短。那麼,在單位系統本身存在變化的情況下,為什麼光速不能隨時間或者距離的變化而變化呢?我們能夠探測到那樣的變化嗎?或者我們能夠識別那樣的變化嗎?為了能清晰地理解這個問題,我們需要先了解一下距離單位和時間單位是如何定義的。

單位是建立在一定的物理學標準之上,而那些標準又是通過某些物理學系統的行為來定義的。比如說對「米」的定義,首先是參照地球的標準:1米等於從地球北極點到赤道距離的百萬分之一,而現在的標準是以原子的性質為基礎,例如,1秒是用銫原子的振動頻率來定義的。物理學上的常數通常被定義為比值,例如,只要我們知道了光穿過原子的時間和原子發射光的周期之比,就可以定義為光速。這些比值在所有單位制都是相同的,這些比值也純粹取決於原子的物理性質,它們的測量不涉及單位的選擇。

但是,由於比值純粹是由物理性質確定的,所以我們有理由追問,它們是否隨時間變化?如果是,那麼原子的一種性質與另一種性質之間的關係也將隨時間而改變,那麼比值也將改變。比值的變化可以通過原子發射的光的頻率的變化來測量,原子發射出離散頻率的光構成光譜,因此這些頻率將產生許多比值。物理學家現在在追問:這些比值對那些來自幾十億上百億光年的星系或類星體的光,是否有什麼不同?

這一類實驗已經進行過多次,但在我們的星系內或者臨近星系、或在百萬年的時間尺度上,都沒有能探測到如光速這樣的自然常數有任何能夠被感知到的變化。但是,如今澳大利亞一個實驗團隊在夏威夷正在進行的一個實驗精密程度很高,它對來自百億光年外類星體的光的測量發現了上面所說的比值變化。他們測量的是一種由決定原子性質的常數組成的「精細結構常數」,這個常數叫「 α常數」,它等於電子電荷的平方除以光速、再乘以普朗克常數。

夏威夷凱克望遠鏡

實驗原理很複雜,這裡不展開多說。實驗團隊利用夏威夷的10米口徑凱克望遠鏡,研究了來自100億光年外的80多個類星體的光,通過精確的光譜分析,得到的數據顯示,在大約100億年前,「 α常數」的數值比今天要小萬分之一。這是什麼意思呢?這說明,在宇宙的早期,光速比現在要快!萬分之一的變化給人感覺很微不足道,但對於光速這樣的恆定常數來說卻意義重大,如果實驗結果最終得到各方確認,這將是一個極其重大的發現。它意味著近百年來人們第一次發現基本的自然常數在隨時間而發生改變,由此導致所有的基礎理論都必須要加以修正。

相關焦點

  • 光速恆定理論
    因為光速與觀測者相對於光源的運動速度無關,即相對於光源靜止和運動的慣性系中測到的光速是相同的。愛因斯坦在相對論中曾經提出過這樣一個理論,那就是光速恆定理論。這個理論所說的就是,世界上最快的速度就是光速,任何物體只能無限接近於這個速度而無法達到。如果真是如此,那麼人類無疑是被關在了一個巨大的囚籠之中。雖然知道外面廣闊無邊,但是卻無法前往。那麼光速恆定真的是無法打破的嗎?科學家們說了,在這種速度面前,光速真的不夠看。  首先我們來看一下什麼叫做光速恆定?
  • 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。
  • 在所有參考系中,光速都恆定嗎?
    如果光子是有靜止質量的,那麼對米的定義將變得毫無意義,因為光速會隨其波長而變化。國際單位制委員會不能僅僅將其定義為常數,取而代之的是,他們必須通過說明使用哪種顏色的光來確定米的定義。實驗表明,光子的質量如果不為零,則必須很小在可預見的將來,用光子來定義米是沒有任何實際意義的因為它的靜止質量太小,但是即使目前公認的理論表明光子的質量是零,也不能證明它是正好為零。
  • 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。
  • 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。
  • 光速恆定?或許還有比光速更快的速度,人類無法想像
    以前沒有掌握知識的我們總是以為這光其實是沒有速度的。因為在認知之中,有速度的東西是能夠肉眼見到其在移動的。隨著後面我們的長大,掌握的知識越來越多之後也就知道了光其實是有速度的。並且光的速度還是這個世界上最快的,或者說是宇宙之中最快的。人類無法製造出和光速一樣快的裝載機器。
  • 光速恆定不變?量子理論不這麼認為
    回答了這些問題,能讓我們在空間,時間,物理和測量方面有了驚人的歷程,這個故事遠還沒有結束。近一個世紀以來,現代研究首次對光的速度提出質疑。17世紀初,普遍的共識是,光沒有速度,它只是瞬間出現,無論是否存在。在17世紀,這個想法受到嚴重挑戰。
  • 愛因斯坦理論面臨挑戰:光速並非恆定不變!
    東方網8月16日消息:最近,科學家們通過世界最大的望遠鏡檢測到了有150億年歷史的宇宙光的速度。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。
  • 檢驗光速恆定假設真實性研究項目建議書
    但前人也有部分實驗和天文觀測結果證明光速與介質的運動狀態存在關聯性,如:斐索流水實驗及光行差常數。因此,迫切需要對光速到底是否恆定進行驗證與判定,為正本清源提供最基礎的素材與力證。二、項目基本原理1、目前測量光速方法存在的問題目前所使用的齒輪法、幹涉儀法和空腔法等測量光速的方法主要存在測量環境多為地表大氣層內、測量對象均為被環境介質或觀測裝置改造後的次生光(反射、折射或透射光),而非不同運動狀態光源產生的原生入射光。
  • 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。
  • 光速恆定真的無法打破麼?科學家:在這種速度面前光速真的不夠看
    愛因斯坦在相對論中曾經提出過這樣一個理論,那就是光速恆定理論。這個理論所說的就是,世界上最快的速度就是光速,任何物體只能無限接近於這個速度而無法達到。如果真是如此,那麼人類無疑是被關在了一個巨大的囚籠之中。雖然知道外面廣闊無邊,但是卻無法前往。那麼光速恆定真的是無法打破的嗎?科學家們說了,在這種速度面前,光速真的不夠看。首先我們來看一下什麼叫做光速恆定?
  • 為何光速恆定為30萬千米每秒?
    光速為定值,如果哪天測出了其他數值,代表著什麼呢?這道題的本質不是光速為何是30萬公裡每秒,而是光速不變原理,如果測出其他值,那就是代表光速不變原理錯了,最直接影響的就是相對論。光速為何是某個定值(30萬,只是我們人類自己規定的,但本質上光仍然有個恆定的速度),這個我們無法解釋,這是宇宙的法則吧。要知道光速不變原理,規定了光速在任意慣性系中保持相同的數值,其實更準確的來說,應該叫做光速不疊加原理。很好理解,如果我在一列高鐵上,沿著運動的方向,射出一束雷射,那麼請問在地面的觀察者,測出的光速是多少呢?
  • 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。空間與時間狹廣義相對論所描述的這些神奇玄幻的現象,前提條件都是指物質運動發生在三維空間加一維時間的四維時空背景中。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」。
  • 為什麼光速恆定無法超越?或許這就是一個宇宙牢籠
    電影《楚門的世界》劇照首先,我們從一部電影《楚門的世界》說起,楚門是一個標準的中產階級,他生活居地是一個美麗如桃源勝地的小島,他有一份穩定的工作,一份不錯的收入,一個溫柔美麗的老婆,一個和諧的生活圈子,他的一切看來似乎很完美,是很多人做夢都想要的生活。
  • 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!
    但是總有那麼一些人,他們有一顆善於發現的眼睛,有一顆對未知充滿好奇的心,為我們人類打開了一扇通往宇宙的大門!早期物理學家對光速的測量光速一直被認為是無限的,是瞬間到達的。很多早期的物理學家,如弗蘭西斯弗蘭西斯·培根、約翰內斯·克卜勒和勒內·笛卡兒等,都認為光速無限。
  • 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。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。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。
  • 為什麼光速恆定?
    一個空中呈現拋物線的運動物體,它的運動軌跡是由動能和勢能所約束的。這裡沒有用到力的概念。其實除了這樣的數學方法,還有高斯的最小約束原理和阿佩爾方程。這些理論,用不同的原理出發,用不同的數學工具,可以給出同樣的預測結果。所有這些在科學探索中出現的理論多樣化現象,其實本質是意識工具化與意識固定化、系統化之間的矛盾。
  • 光速恆定是怎樣測量的,這個實驗導出了物理學新理論的數學基礎
    麥可遜-莫雷實驗解決了絕對非運動和光速恆定這兩個問題。為狹義相對論的誕生做足了準備,麥可遜-莫雷實驗(1887年)是一個殘酷的實驗。所謂殘酷的實驗,意思是說,這個實驗決定了一個科學理論的生死。當時,這個實驗驗證的是以太理論。
  • 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。
  • 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!