當前位置:
首頁 > 文史 > 光速恆定不變,這是怎麼被發現的?源於一次大膽的假設

光速恆定不變,這是怎麼被發現的?源於一次大膽的假設


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公里的速度疾馳而過,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公里。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公里,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,而以太遍佈於各處。

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,比如邁克爾遜莫雷實驗。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。

喜歡這篇文章嗎?立刻分享出去讓更多人知道吧!


請您繼續閱讀更多來自 愛因斯坦 的精彩文章:

愛因斯坦日記曝光,其中描寫中國人的話可能會讓你很生氣