光速不變?cè)?doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除光速不變?cè)硎裁词枪馑俨蛔冊(cè)砉馑俨蛔冊(cè)恚赫婵罩械墓馑賹?duì)任何觀察者來說都是相同的。 光速不變?cè)?，在狹義相對(duì)論中，指的是無論在何種慣性系（慣性參照系）中觀察，光在真空中的傳播速度都是一個(gè)常數(shù)，不隨光源和觀察者所在參考系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而改變。這個(gè)數(shù)值是299,792,458 米/秒。 光速不變?cè)硎怯陕?lián)立求解麥克斯韋方程組得到的，并為邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。光速不變?cè)硎菒垡蛩固箘?chuàng)立狹義相對(duì)論的基本出發(fā)點(diǎn)之一。 在廣義相對(duì)論中，由于所謂慣性參照系不再存在，愛因斯坦引入了廣義相對(duì)性原理，即物理定律的形式在一切參考系都是不變的。這也使得光速不變?cè)砜梢詰?yīng)用到所有參考系中。 光速不變?cè)淼恼Q生愛因斯坦1905年9月發(fā)表在德國(guó)物理學(xué)年鑒上的那篇著名的相對(duì)論論文論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué),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(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)?！?“下面的考慮是以相對(duì)性原理和光速不變?cè)頌橐罁?jù)的，這兩條原理我們定義如下： 1. 物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標(biāo)系究竟是兩個(gè)在互相勻速平行移動(dòng)著的坐標(biāo)系中的哪一個(gè)并無關(guān)系。 2. 任何光線在靜止的坐標(biāo)系中都是以確定的速度V運(yùn)動(dòng)著，不管這道光線是由靜止的還是運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射出來的。” “對(duì)于大于光速的速度，我們的討論就變得毫無疑義了；在以后的討論中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，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(dāng)=V時(shí)，W就變成無限大。正像我們以前的結(jié)果一樣，超光速的速度沒有存在的可能?！?（愛因斯坦奇跡年改變物理學(xué)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9798頁，第100101頁，第109頁，第127頁。） 系統(tǒng)證明光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)恚簾o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(gè)常數(shù)，都為299792.458公里/秒。 證明光速不變的四項(xiàng)事實(shí)。 1） 恒星光行差。 2） 恒星都是一個(gè)一個(gè)的小圓點(diǎn)。 3） 恒星都靜止。 4） 太陽光邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)。 任意恒星光行差都長(zhǎng)期保持不變，證明：光行差不隨時(shí)間變化，所以光速也不隨時(shí)間變化。所有恒星的光行差都為20.5角距，證明：所有恒星的光速都相同。 系統(tǒng)分析恒星光行差中已經(jīng)詳細(xì)論證了“光速不變”，所以不再重復(fù)。 恒星都是一個(gè)一個(gè)的小圓點(diǎn)，證明：任意一個(gè)恒星的所有的光線的光速都相同，即沒有不同光速的光線。 因?yàn)闆]有任何光速變化的現(xiàn)象，所以只有采用反證法。 設(shè)：某恒星發(fā)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cC 因?yàn)閏和C都是連續(xù)的，所以觀測(cè)者能夠同時(shí)接收到c和C；但觀測(cè)者同時(shí)接收到的c和C，必然不是同時(shí)從恒星發(fā)出的。 因此設(shè)：c發(fā)出的時(shí)刻為零；C發(fā)出的時(shí)刻為t；恒星零時(shí)刻的位置為A；t時(shí)刻的位置為B；因恒星周日視運(yùn)動(dòng)角速度15.0411/秒，所以A、B之間的角距t 再設(shè)：10（太陽直徑的1/3）；恒星距離L30光年。 則：t106015.041140（秒） c傳播的時(shí)間T1L/c30（年）86400365946080000（秒） C傳播的時(shí)間T2L/C 據(jù)題意知：T2T1tL/ct94608000040946080040（秒） 所以：CL/T2946080000c/9460800400.9999999577c299999.987（公里/秒） 即：如果10，則cC300000299999.9870.013（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光年的恒星，就同時(shí)在角距為10的A和B兩個(gè)位置上。 光速連續(xù)比間斷變化的可能性大得多，如果恒星光速是在C和c的范圍內(nèi)連續(xù)變化的，則看起來，該恒星應(yīng)該是：長(zhǎng)度為10角距的線段。 因?yàn)閺奈纯吹竭^：恒星具有多個(gè)位置和任何拉長(zhǎng)的現(xiàn)象，所以結(jié)論正確。 恒星都靜止，證明：所有恒星的光速都不隨時(shí)間變化，都始終恒為常數(shù)c不變。這是因?yàn)槿绻馑俨粩嘧兓?，則看起來恒星必然是運(yùn)動(dòng)的。證明方法與上述類似，不再重復(fù)。 太陽光邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)證明：太陽光的光速不變。 邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)的依據(jù)是：光速波長(zhǎng)頻率 光波長(zhǎng)和頻率都是根據(jù)光干涉條紋確定的。根據(jù)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)干涉條紋之間的間距，能夠獨(dú)立推算出光波長(zhǎng)，自然可確定光頻率。 這樣推算確定的光波長(zhǎng)和頻率的乘積為常數(shù)，即不同顏色光的波長(zhǎng)和頻率的乘積相等；而且乘積數(shù)值等于檢測(cè)的光速值；從而充分證明：光速波長(zhǎng)頻率成立。 邁克爾遜和莫雷通過長(zhǎng)期多次分別檢測(cè)，來自不同方向的陽光的光速，充分證明：陽光的光速不變。 反對(duì)光速不變?cè)淼挠^點(diǎn)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，這是為什么呢？ 牛頓時(shí)空觀認(rèn)為距離和時(shí)間，在各個(gè)參照系測(cè)得的都相同，因此光速是相對(duì)的，可變的，而不是絕對(duì)的。 首先我們定義1光秒的含義：光在某種穩(wěn)定介質(zhì)中一秒所運(yùn)動(dòng)的距離。介質(zhì)可以是水，這個(gè)長(zhǎng)度是2.25*108米，介質(zhì)可以是玻璃，這個(gè)長(zhǎng)度是2.0*108米，甚至可以是聲音一秒的運(yùn)動(dòng)距離，介質(zhì)是空氣，這個(gè)長(zhǎng)度是340米，還可以是報(bào)道過的試驗(yàn)，在某種介質(zhì)中，光速是17米/秒，在這種介質(zhì)中1光秒長(zhǎng)度為17米，這都不影響下面的論述。 假設(shè)有一個(gè)1光秒長(zhǎng)的玻璃，我們從起點(diǎn)A發(fā)出光，一秒時(shí)到達(dá)B，我們說測(cè)得光速1光秒/秒，多次試驗(yàn)結(jié)果不變。現(xiàn)在我們處于一個(gè)以1米/秒相對(duì)玻璃運(yùn)動(dòng)的參照系，方向與光相同，一秒時(shí)，我們距離B為1光秒-1米，我們?cè)谶@個(gè)參照系測(cè)得光運(yùn)動(dòng)的距離是1光秒-1米，光速是(1光秒-1)/秒。光速是相對(duì)的，這是牛頓時(shí)空觀結(jié)果，速度是相對(duì)的，是以變化距離除以時(shí)間得到。我們?cè)趯W(xué)習(xí)相對(duì)論之前，全是用的這種算法，例如A車對(duì)地面車速50公里每小時(shí)，B車30公里/小時(shí)，A相對(duì)于B的車速為50-30=20公里每小時(shí)，這是速度疊加原理。 所以說相對(duì)論必須假設(shè)光速不變才能推導(dǎo)，而在牛頓時(shí)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(duì)論可以離開光速不變假設(shè)，這是不對(duì)的。愛因斯坦為了保證光速不變，需要修改長(zhǎng)度（尺縮），時(shí)間（鐘慢），就是認(rèn)為運(yùn)動(dòng)的參照系測(cè)得的時(shí)間，與靜止參照系不同，這已經(jīng)是與牛頓理論完全不同了，而不是兼容關(guān)系。 愛因斯坦論述的光速不變，是在“靜止”的參照系測(cè)得的（可以是相對(duì)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系，這就是伽利略相對(duì)性原理），但是，從一個(gè)參照系去測(cè)量另一個(gè)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，而愛因斯坦并未解釋為什么還是光速不變。 于是有人提出：各參照系測(cè)得的真空中的光速不變。似乎可以解決這個(gè)問題了。 但是除光外的其它波都是靠介質(zhì)傳遞的，在各參照系中，測(cè)得的真空中所有機(jī)械波的速度都不變，都是0。這個(gè)不用假設(shè)，有這個(gè)前提，是否足夠推導(dǎo)相對(duì)論？如果不能，說明真空假設(shè)的推論是有問題的，如果能，則說明任何波都有對(duì)應(yīng)的相對(duì)論。這個(gè)結(jié)果結(jié)果奇怪嗎？ 光速不變是正確的但相對(duì)論對(duì)光速不變的理解有誤 參考系之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，在三個(gè)軸向可能上都有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且可能都不是勻速的運(yùn)動(dòng)，搞起來很麻煩，要微分還要積分，累死。 把問題簡(jiǎn)化如下：參考系K相對(duì)參考系K沿X軸做勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度是u。假設(shè)在t=t=0時(shí)，兩參考系重合，此時(shí)位于參考系K原點(diǎn)的物體發(fā)光。在t時(shí)刻，光與參考系K原點(diǎn)的距離是x，與參考系K原點(diǎn)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) 加系數(shù)k和k x x=k(x+ut) k(x-ut) x x=k2(x+ut) (x-ut) k=k (x/t)(x/t)=k2(x/t+u) (x/t-u) (x/t)=(x/t)=c 其中c為光速 c2=k2(c+u)(c-u)=k2(c2-u2) 這里的關(guān)鍵是(x/t)=(x/t)=c，這意味著什么呢？(x/t)=(x/t)=c意味著在參考系K和參考系K中的光速相同。那么這是合理的嗎？這是符合事實(shí)的嗎？ 在洛倫茲變換開始時(shí)，t和t始終是同一個(gè)量t，即認(rèn)為t=t，在u0且uc時(shí)，x是小于x的，在洛倫茲變換中強(qiáng)行認(rèn)為(x/t)=(x/t)=c，即將原本變化的速度認(rèn)為是不變化的，必然推導(dǎo)出不變的時(shí)間是變化的。顯然這樣的變換是錯(cuò)誤的。 問題的關(guān)鍵是如何理解光速不變。 光速只與傳輸介質(zhì)有關(guān)（麥克斯韋證明了這一點(diǎn)）。怎么理解呢？ 假設(shè)光源一直處在運(yùn)動(dòng)中，無論是勻速運(yùn)動(dòng)還是變速運(yùn)動(dòng)，光源在某一時(shí)刻發(fā)光，令這一時(shí)刻t=0。由于光不同于有質(zhì)量的物體，不會(huì)因光源的運(yùn)動(dòng)得到慣性速度，在t=0時(shí)，光源有個(gè)確定的位置，周圍有確定的介質(zhì)，無論介質(zhì)是真空、玻璃，或是其它什么，光速只與傳輸介質(zhì)有關(guān)，按周圍介質(zhì)所決定的特定速度遠(yuǎn)離t=0時(shí)的發(fā)光位置，也就是說光速是相對(duì)于介質(zhì)中發(fā)光位置而言的，與光源無關(guān)。 光與物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同在于質(zhì)量（靜止質(zhì)量）。 物體是有質(zhì)量的，伽利略大船上的物體隨大船運(yùn)動(dòng)，物體的質(zhì)量使物體隨大船的運(yùn)動(dòng)得到了慣性速度，物體在大船上相對(duì)大船運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的速度v等于大船速度v1加物體對(duì)大船的運(yùn)動(dòng)速度v2。由于光是電磁波，并沒有質(zhì)量，因此光沒有慣性，不會(huì)因伽利略大船的航行獲得慣性速度，如果伽利略大船船頭有一盞燈，并且大船以光速前進(jìn)的話，燈光將不能照亮大船前方的水路 (能量守恒決定物體運(yùn)動(dòng)速度達(dá)不到光速，伽利略大船也不可能達(dá)到光速) 。 質(zhì)疑：伽利略大船是一個(gè)密閉的參照系，其中的波介質(zhì)，都隨船運(yùn)動(dòng)，因此只要外界對(duì)船內(nèi)物體施加的引力電磁力等一致，船內(nèi)的任何物理實(shí)驗(yàn)都不能測(cè)出船是靜止的，還是做勻速運(yùn)動(dòng)的，包括光學(xué)實(shí)驗(yàn)。因此大船內(nèi)測(cè)得的光速，還是光速。這一點(diǎn)，相對(duì)性原理與相對(duì)論結(jié)論一致，任何認(rèn)為相對(duì)性原理應(yīng)該得到其它結(jié)果的人，都是沒有學(xué)好相對(duì)性原理，請(qǐng)自行復(fù)習(xí)。物體的運(yùn)動(dòng)速度，也是有相對(duì)性的，對(duì)不同的參照系，物體的運(yùn)動(dòng)速度不同，這是經(jīng)典物理理論結(jié)果，相對(duì)論的支持者，至少也會(huì)承認(rèn)低速下是這樣，而上面的論述者，根本沒考慮速度的相對(duì)性，只簡(jiǎn)單的認(rèn)為速度疊加，顯然是要被所有人批判的。認(rèn)為相對(duì)論是經(jīng)典框架內(nèi)的人，會(huì)認(rèn)為空氣、水、玻璃，都是光介質(zhì)，因?yàn)檫@些介質(zhì)隨大船運(yùn)動(dòng)，所以船內(nèi)的光速才不變，如果是一個(gè)平板無厚度火車，則除非摩擦力起作用，否則任何聲音、光實(shí)驗(yàn)結(jié)果，都與在地面靜止時(shí)得到的結(jié)果一致。很多人都是在這個(gè)地方