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光速不變原理

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光速不變原理是狹義相對論的兩個基本假設之一。由愛因斯坦於1905年提出。其內容是在真空中,光相對任何慣性觀察者的傳播速度都是一個物理常量,它與觀察者和光源的運動速度無關,也與光的傳播方向無關。

1 光速不變原理 -定義

光速不變原理狹義相對論有兩條基本原理,即相對性原理和光速不變原理。

光速不變原理:在任何慣性系中,光在真空中的速率都相等。這一假設稱為光速不變原理。

光速不變原理傳遞光速之光子-內部結構模型圖

2 光速不變原理 -解釋

光速不變原理是狹義相對論的兩個基礎公設之一,在狹義相對論中,指的是無論在何種慣性參照系中觀察,光在真空中的傳播速度相對於該觀測者都是一個常數,不隨光源和觀測者所在參考系的相對運動而改變。這個數值是299 792 458 米/秒。

3 光速不變原理 -證實

基本出發點之一

光速不變原理是由聯立求解麥克斯韋方程組得到的,並為邁克爾遜-莫雷實驗所證實。光速不變原理是愛因斯坦創立狹義相對論的基本出發點之一。

真空中的光速

在廣義相對論中,由於所謂慣性參照系不再存在,愛因斯坦引入了廣義相對性原理,即物理定律的形式光速不變原理:真空中的光速對任何觀察者來說都是相同的。   

4 光速不變原理 -誕生

愛因斯坦1905年9月發表在德國《物理學年鑒》上的那篇著名的相對論論文《論動體的電動力學》,提到光速問題的話有四段:
「光在空虛空間里總是以一確定的速度V傳播著,這速度同發射體的運動狀態無關。」
「下面的考慮是以相對性原理和光速不變原理為依據的,這兩條原理我們定義如下:
1. 物理體系的狀態據以變化的定律,同描述這些狀態變化時所參照的坐標系究竟是兩個在互相勻速平行移動著的坐標系中的哪一個並無關係。
2. 任何光線在『靜止的』坐標系中都是以確定的速度V運動著,不管這道光線是由靜止的還是運動的物體發射出來的。」
「對於大於光速的速度,我們的討論就變得毫無疑義了;在以後的討論中,我們會發現,光速在我們的物理理論中扮演著無限大速度的角色。」
「由此,當υ=V時,W就變成無限大。正像我們以前的結果一樣,超光速的速度沒有存在的可能。」
(《愛因斯坦奇迹年━━改變物理學面貌的五篇論文》[美] 約翰•施塔赫爾主編,范岱年、許良英譯,上海科技教育出版社2001年版 第97━98頁,第100━101頁,第109頁,第127頁。)

5 光速不變原理 -系統證明

光速不變原理:無論在何種慣性系(慣性參照系)中觀察,光在真空中的傳播速度都是一個常數。
證明光速不變的四項事實。
1) 恆星光行差。
2) 恆星都是一個一個的小圓點。
3) 恆星都靜止。
4) 太陽光的邁克爾遜——莫雷實驗。
任意恆星光行差都長期保持不變,證明:光行差不隨時間變化,所以光速也不隨時間變化。所有恆星的光行差都為20.5″角距,證明:所有恆星的光速都相同。
恆星都是一個一個的小圓點,證明:任意一個恆星的所有的光線的光速都相同,即沒有不同光速的光線。
因為沒有任何光速『變化』的現象,所以只有採用『反證法』。
設:某恆星發來兩種光速的光線;光速為c的光線,用c表示;光速為C的光線,用C表示;光速c>C
因為c和C都是連續的,所以觀測者能夠同時接收到c和C;但觀測者同時接收到的c和C,必然不是同時從恆星發出的。
因此設:c發出的時刻為零;C發出的時刻為t;恆星零時刻的位置為A;t時刻的位置為B;因恆星周日視運動角速度ω=15.0411″/秒,所以A、B之間的角距φ=ωt
再設:φ=10′(太陽直徑的1/3);恆星距離L=30光年。
則:t=φ/ω=10×60÷15.0411≈40(秒)
c傳播的時間T1=L/c=30(年)≈86400×365=946080000(秒)
C傳播的時間T2=L/C
據題意知:T2=T1+t=L/c+t=946080000+40=946080040(秒)
所以:C=L/T2=946080000c/946080040≈0.9999999577c≈299999.987(公里/秒)
即:如果φ=10′,則c-C=300000-299999.987=0.013(公里/秒)=13(米/秒)
也就是說:如果兩條光線的光速差為13米/秒,則這顆距離為30光年的恆星,就同時在角距為10′的A和B兩個位置上。
光速連續比間斷變化的可能性大得多,如果恆星光速是在C和c的範圍內連續變化的,則看起來,該恆星應該是:長度為10′角距的線段。
因為從未看到過:恆星具有多個位置和任何拉長的現象,所以結論正確。
恆星都靜止,證明:所有恆星的光速都不隨時間變化,都始終恆為常數c不變。這是因為如果光速不斷變化,則看起來恆星必然是運動的。證明方法與上述類似,不再重複。
太陽光邁克爾遜——莫雷實驗證明:太陽光的光速不變。
邁克爾遜——莫雷實驗的依據是:光速=波長×頻率
光波長和頻率都是根據光干涉條紋確定的。根據『楊氏雙縫干涉實驗』干涉條紋之間的間距,能夠獨立推算出『光波長』,自然可確定『光頻率』。
這樣推算確定的光波長和頻率的乘積為常數,即不同顏色光的波長和頻率的乘積相等;而且乘積數值等於檢測的『光速值』;從而充分證明:『光速=波長×頻率』成立。
邁克爾遜和莫雷通過長期多次分別檢測,來自不同方向的陽光的光速,充分證明:陽光的光速不變。

6 光速不變原理 -反對觀點

大家可以注意到,在愛因斯坦論述的光速不變和文章開頭論述的光速不變是不一致的,這是為什麼呢?
牛頓時空觀認為距離和時間,在各個參照系測得的都相同,因此光速是相對的,可變的,而不是絕對的。
首先我們定義1光秒的含義:光在某種穩定介質中一秒所運動的距離。介質可以是水,這個長度是2.25*10^8米,介質可以是玻璃,這個長度是2.0*10^8米,甚至可以是聲音一秒的運動距離,介質是空氣,這個長度是340米,還可以是報道過的試驗,在某種介質中,光速是17米/秒,在這種介質中1光秒長度為17米,這都不影響下面的論述。
假設有一個1光秒長的玻璃,我們從起點A發出光,一秒時到達B,我們說測得光速1光秒/秒,多次試驗結果不變。現在我們處於一個以1米/秒相對玻璃運動的參照系,方向與光相同,一秒時,我們距離B為1光秒-1米,我們在這個參照系測得光運動的距離是1光秒-1米,光速是(1光秒-1)/秒。光速是相對的,這是牛頓時空觀結果,速度是相對的,是以變化距離除以時間得到。我們在學習相對論之前,全是用的這種演算法,例如A車對地面車速50公里每小時,B車30公里/小時,A相對於B的車速為50-30=20公里每小時,這是速度疊加原理。
所以說相對論必須假設光速不變才能推導,而在牛頓時空觀中,是不能被證明光速不變的。很多人以為愛因斯坦相對論可以離開光速不變假設,這是不對的。愛因斯坦為了保證光速不變,需要修改長度(尺縮),時間(鐘慢),就是認為運動的參照系測得的時間,與靜止參照系不同,這已經是與牛頓理論完全不同了,而不是兼容關係。
愛因斯坦論述的光速不變,是在「靜止」的參照系測得的(可以是相對做勻速直線運動的參照系,這就是伽利略相對性原理),但是,從一個參照系去測量另一個參照系是否還能夠得到光速不變?牛頓理論將給出否定答案,而愛因斯坦並未解釋為什麼還是光速不變。
於是有人提出:各參照系測得的真空中的光速不變。似乎可以解決這個問題了。
但是除光外的其它波都是靠介質傳遞的,在各參照系中,測得的真空中所有機械波的速度都不變,都是0。這個不用假設,有這個前提,是否足夠推導相對論?如果不能,說明真空假設的推論是有問題的,如果能,則說明任何波都有對應的相對論。這個結果結果奇怪嗎?
光速不變是正確的但相對論對光速不變的理解有誤。 
把問題簡化如下:參考系K』相對參考系K沿X軸做勻速直線運動,速度是u。假設在t=t』=0時,兩參考系重合,此時位於參考系K』原點的物體發光。在t時刻,光與參考系K原點的距離是x,與參考系K』原點的距離是x』。
洛倫茲變換如下:
x=x』+ut;x』=x-ut
x=k(x』+ut);x』=k』(x-ut) {加係數k和k』}
x x』=k(x』+ut) k』(x-ut)
x x』=k^2(x』+ut) (x-ut) {k=k』}
(x/t)(x』/t)=k^2(x』/t+u) (x/t-u) {(x/t)=(x』/t)=c 其中c為光速}
c^2=k^2(c+u)(c-u)=k^2(c^2-u^2)
這裡的關鍵是(x/t)=(x』/t)=c,這意味著什麼呢?(x/t)=(x』/t)=c意味著在參考系K和參考系K』中的光速相同。那麼這是合理的嗎?這是符合事實的嗎?
在洛倫茲變換開始時,t和t』始終是同一個量t,即認為t』=t,在u≠0且u<c時,x』是小於x的,在洛倫茲變換中強行認為(x/t)=(x』/t)=c,即將原本變化的速度認為是不變化的,必然推導出不變的時間是變化的。顯然這樣的變換是錯誤的。
問題的關鍵是如何理解光速不變。
光速只與傳輸介質有關(麥克斯韋證明了這一點)。怎麼理解呢?
假設光源一直處在運動中,無論是勻速運動還是變速運動,光源在某一時刻發光,令這一時刻t=0。由於光不同於有質量的物體,不會因光源的運動得到慣性速度,在t=0時,光源有個確定的位置,周圍有確定的介質,無論介質是真空、玻璃,或是其它什麼,光速只與傳輸介質有關,按周圍介質所決定的特定速度遠離t=0時的發光位置,也就是說光速是相對於介質中發光位置而言的,與光源無關。
光與物體的運動規律不同在於質量(靜止質量)。
質疑:伽利略大船是一個密閉的參照系,其中的波介質,都隨船運動,因此只要外界對船內物體施加的引力電磁力等一致,船內的任何物理實驗都不能測出船是靜止的,還是做勻速運動的,包括光學實驗。因此大船內測得的光速,還是光速。物體的運動速度,也是有相對性的,對不同的參照系,物體的運動速度不同,這是經典物理理論結果,相對論的支持者,至少也會承認低速下是這樣,而上面的論述者,根本沒考慮速度的相對性,只簡單的認為速度疊加,顯然是要被所有人批判的。認為相對論是經典框架內的人,會認為空氣、水、玻璃,都是光介質,因為這些介質隨大船運動,所以船內的光速才不變,如果是一個平板無厚度火車,則除非摩擦力起作用,否則任何聲音、光實驗結果,都與在地面靜止時得到的結果一致。很多人都是在這個地方困惑,他們總是忽略介質作用,這樣一改變參照系就會有兩個矛盾結果。任何狹義相對論論述的定性結果,都可以用聲音實驗做出來,包括矛盾的兩個結果,這足以證明相對論論述內容,是在經典框架內可以解決的問題,無需進行什麼無法證明的假設。從已知機械波的性質,我們將推論出真空中光速為0,而不能相信以前認為的太空非常近似真空,所以光可以在真空中傳播。

光速不變原理與光速差的概念

從麥克斯韋方程組,可以推論出光波是電磁波。根據麥克斯韋方程,我們推出. 因此我們得出光在真空中的傳播速度是不變的,除非真空電容率或磁導率變化。這裡說的是光速。那麼光速不變,光與其他物體的運動差即速度差呢?

一個物體速度的大小,是對自身運動大小的描述,描述的是一個物體的運動狀態;運動差描述的是兩個物體運動狀態的差。

所謂光速,就是光的速度,在真空中,只要真空電容率或磁導率不發生變化,光速就不會發生變化。這是光自己的事情。而光速差就不同,光速差即運動差描述的是兩個物體運動狀態的差,描述的是光與其他物體兩個物體速度的差。與光自身的性質有關,也與另一個物體的運動狀態有關,另一個物體的性質有關。

由於『運動差'與『一個物體的運動大小'都可以用V表示,就容易造成兩者的混淆。

麥克斯韋方程得出的光速不變說的是速度不變,不是光速差不變。光速差與光有光也與另一個物體有關。根據《運動認識—運動差》中,力是物體運動狀態發生改變的原因,兩物體的運動差發生改變,必有力作用在其中一個物體上【1】,我們得出即使光的真空電容率與磁導率不變,即光速不變,如果另一物體受到力的話,兩者間的速度差也會發生變化。

我們知道物體存在於空間,運動是物體在空間的運動。只有兩個物體間的空間間隔發生改變,我們才說物體(相對於參考系)是運動的。空間間隔的變化是判斷物體運動的量。如果空間間隔不發生變化,我們可以說物體沒有(相對)運動。空間(間隔)的變化是判斷物體運動的標準。

空間間隔變化的快慢與運動差的大小有關,由運動差的大小決定。

那麼相對論中光速不變說的是那種不變呢?

根據光速不變原理,我們推出同時的相對性。在同時的相對性中,我們對光速不變原理是怎麼理解的?無論對哪個參考系來說雖然光在真空中說的不變,但另一物體的運動會造成光與物體兩者間空間間隔的改變。這裡空間間隔的改變,在愛因斯坦說來就是同時的相對性,其實就是光速差的改變。

根據運動差的總量不變或說運動差總量守恆,我們知道光與不同運動物體間的運動差是不同的。 

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