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1 # 李志勇LZY
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2 # 孜然小怪獸
先說結論:光速與參考系無關,C=299792458m/s
說到光速不變,先得說一下牛人麥克斯韋和他的解釋電場和磁場關係的方程組:
在真空中,沒有電荷,所以q=0
在真空中,沒有電流,所以I=0
可以推出,磁場和電場都是波,相互垂直。
最關鍵的是,其速度的平方V²=μ0ε0。其中,μ0為真空磁導率,ε0為真空介電常數,均為常量,可得到V=
299792458m/s
。由於光也是電磁波,所以光速就等於電磁波在真空中傳播速度,最關鍵的是:
麥克斯韋方程是與參考系無關的,所以,光速也與參考系無關。
具體推到過程太複雜,直接上圖吧:
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3 # 科學縱橫
光速不變原理是由聯立求解麥克斯韋方程組得到的,是愛因斯坦狹義相對論的基本出發點之一。麥克斯韋方程組和狹義相對論的解釋又複雜又燒腦,本回答將不使用任何方程和數字,僅僅使用一下“0”,來試圖通俗地解釋光速不變原理。
根據相對論和實踐中的大量觀測,現在我們知道,物體的空間速度和時間速度是成反比的,也就是說,物體在空間中的速度越快,則它本身的時間流逝就越慢。同樣,一個物體的時間流逝越慢,則它在空間中的移動速度就越快。(以下簡稱:時空反比規律)
現在請看示意圖。以靜止不動的A作為參考系。當A看B時,由於B的自身時間流逝速度有點慢,根據時空反比規律,可知B在慢慢地移動。當A看C時,由於C的自身時間流逝速度非常慢,根據時空反比規律,可知C在飛快地移動。
當以B作為參考系來看C時,雖然C移動速度非常快,但由於B也有一定的移動速度,所以B會發現C的移動速度其實也沒那麼快,也是慢慢的而已。而此時,由於B的時間流逝是有點慢的,所以在B看來,C的時間也沒有變得特別慢,只是有點變慢而已。
以上就是我們通常感知的,由於參考系移動速度不同,所觀測到的物體移動速度也不同。那麼光速為什麼不受參考系移動速度的影響,而是恆定不變的呢?
圖中D是以光速在運動的,此時D的時間流逝速度是0。在靜止不動的A看來,D的時間流逝速度是0;在慢速移動的B看來,D的時間流逝速度也是0;在快速移動的C看來,D的時間流逝速度仍然是0!根據時空反比規律,時間流逝速度是0的物體,它的移動速度就是光速。在移動速度各不相同的參考系來看,0都是0,光的時間流逝速度都是一樣的,所以光的空間移動速度也都是一樣的,不因參考系速度不同而不同。
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4 # 郭哥聊科學
一、物理思維
其實,建立物理過程的影象就是物理學中所說的要尊重客觀現實。那麼對於真空中的光速來說,客觀現實就是——事實上觀測到的真空光速是不變的。愛因斯坦把這個觀測事實上升到了一條基本原理作為相對論的基礎,即真空光速不變原理。
二、原理和公理的區別
我們都知道數學中是有很多公理的,比如歐幾里得幾何中,過任意兩點有且僅有一條直線。數學中的公理是不需要證明的,是大家公認的,直接拿出來就可以用。
而物理學中的原理的含義與公理不同點是,原理在當下可以拿出來直接用,在一個階段內不需要證明,已經經過大量的實際檢驗,是一個直接觀測到的基本事實。
但原理有可能被推翻,如果有一天我們測量到的真空光速不再是固定值,那麼這條原理就需要被修正,或者是被廢棄。不過目前為止,人類還沒有發現真空中光速存在變化,所以這條原理仍然正確。
三、光速測量簡史
瞭解了物理思維和什麼是原理之後,我們要來看一下真空光速不變是怎麼發現的。17世紀之前,天文學家和物理學家都認為光速是無限大的,宇宙中的星光可以瞬間到達地球。
伽利略是第一個對此提出質疑的科學家,為此,他在1600年左右曾經嘗試過用簡陋的儀器測定光速,結果大家都知道,沒測出來。光速太快了,他的儀器不行。
1676年,羅默提交了一份利用衛星食計算的光速報告,報告中依據11月的下一次衛星食要比8月份觀察進行計算得到的時間推遲了10分鐘左右,這個矛盾可以假定從光到木星到地球需要時間而得到解釋。
這是人類歷史上第一次以測量為依據提出了光以有限速度傳播,不過我們要很坦率地說,這個觀點其實證據不足。這是因為,當時對於木星衛星的執行規律還沒有完全掌握,所以計算肯定會有比較大的誤差。
1728年9月,布拉德雷發現了光行差現象,即星的表觀位置在地球軌道速度方向上的位移。根據光行差角α=v/c(v是地球軌道速度),可以估算光速值,這項獨立觀測使科學家確認了羅默當年所觀測的木星衛星食的延遲就是光速有限的有力論據。
1834年,英國物理學家惠斯通設想了一種用旋轉鏡來測定電火花持續時間來測定光速的方法,雖然這種方法的思路是正確的,但是惠斯通自己沒能完成,最後這個辦法是由發過物理學家菲索於1849年實現的。當時測得的光速值為312000千米/秒。這個數值與天文學家公認的光速值差距很小。
菲索之後,有很多的物理學家參與到光速測量中來,比如傅科(做傅科擺證明地球自轉那位)、其中法國的科爾尼於1874年和1878年兩次測得的光速分別為2.985X10^8米/秒和3.004X10^8米/秒、1881年,英國詹姆斯和福布斯測得的數值為3.01382X10^8米/秒。
邁克爾遜對傅科的裝置進行了改進,把其測量精度提高了200倍以上。1879年,邁克爾遜用這套新的旋轉稜鏡裝置,安裝在不同地點,旋轉春、夏、秋季節最好的時候,只有在日出後一小時和日落前一小時大氣條件最佳的情況下,才能在他的狹縫得到穩定的像。邁克爾遜的測量實驗歷時3年多,共得到504組資料,最終獲得的光速值為299853±30千米/秒。
1923年,邁克爾遜再次利用重新改進的旋轉稜鏡,在加利福尼亞的兩個相距約35公里的山頭之間重做實驗,這次把這個光速數值的精度提高到299798±4千米/秒。這是當時得到的最精確數值。
四、光速測量的其它方法
最早光速的準確數值是透過觀測木星對其衛星的掩食測量的。還有轉動齒輪法、轉鏡法、克爾盒法、變頻閃光法等光速測量方法。如今我們在實驗室中主要是使用光拍頻法測量光速。
我們知道,光速c=s/Δt,s是光傳播的距離,Δt是光傳播s所需的時間。例如c=fλ中,λ相當上式的s,可以方便地測得,但光頻f大約1014Hz,我們沒有那樣的頻率計,同樣傳播λ距離所需的時間Δt=1/f也沒有比較方便的測量方法。如果使f變得很低,例如30MHz,那麼波長約為10m。這種測量對我們來說是十分方便的。這種使光頻“變低”的方法就是所謂“光拍頻法”。
在現在的實驗室中我們可以利用鐳射束透過聲光移頻器,獲得具有較小頻差的兩束光,它們迭加則得到光拍;利用半透鏡將這束光拍分成兩路,測量這兩路光拍到達同一空間位置的光程差(當相位差為2π時光程差等於光拍的波長)和光拍的頻率從而測得光速。
五、光速不變與相對論
我們在網路上能看到很多質疑相對論的言論,這些言論最具代表性的就是利用邁克爾遜莫-雷實驗。透過對這個實驗的各種解釋,來質疑光速不變原理。然而我們從光速的測量歷史上可以看出。確定光速不變這一事實的過程中,根本沒有MM實驗什麼事。
MM實驗的目的並不是為了測定光速,而是為了尋找以太。MM實驗的結果是,以太不存在。這也能解釋,為什麼愛因斯坦在提到光速不變原理的時候,並沒有提及MM實驗的原因。
1983年,光速取代了儲存在巴黎國際計量局的鉑制米原器被選作定義“米”的標自準,並且約定光速嚴格等於299,792,458米/秒,此數值與當時的米的定義和秒的定義一致。後來,隨著實驗精度的不斷提高,光速的數百值有所改變,米被定義為1/299,792,458秒內光透過的路程。
根據現代物理學,所有電磁波,包括可見光,在真空中的速度是常數,即是光速。強相度互作用、電磁作用、弱相互作用傳播的速度都是光速,根據廣義相對論,萬有引力傳播的速度也是光速,且已於2003年得以證實。
根據電磁學的定律,發射電磁波的物體的移動速度不會影響電磁波的速度。結合相對性原則,觀察者的參考座標和發光的移動速度不會影響被測量的光速,但會影響波長產生紅移、藍移。這是相對論的基礎。相對論探討的是光速而不是光,就算光速的值會發生微小的變化,也不會影響相對論。
結束語——真空光速不變是測量得到的客觀事實
光速是不是在所有的宇宙空間內不變,物理學家們並不知道,但已知的是,在我們目前的測量條件下,在我們可觀測到的宇宙範圍內,真空光速不變是一個觀測得到的結果。
科學之所以科學不是因為其能夠對可觀測的事實作出精確描述,同時還因為其可證偽性。這就是說,在沒有觀察到真空光速存在其他速度的前提下,真空光速不變可以作為一個基本原理直接引用。
回覆列表
太陽系內測到的光速;
控制運距離相對平衡;
宇宙其它恆光速行變;
個人試認為僅供參考。