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      為什么光速是絕對的,而速度是相對的?

      2020-10-13 13:02閱讀(62)

      為什么光速是絕對的,而速度是相對的?:所謂光速的絕對性是指,光速相對于任何參照系以及不同能量(頻率或顏色)的光都是不變的。因此,光速被認為是自然界中一

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      所謂光速的絕對性是指,光速相對于任何參照系以及不同能量(頻率或顏色)的光都是不變的。因此,光速被認為是自然界中一個非常神秘的常數(shù)。然而,光是一種自然現(xiàn)象,在現(xiàn)實的世界中,不存在任何絕對的東西。因而,光速不變的絕對性,只是我們對光速不變的特性所做出的矯枉過正的解讀。

      類似的例子還有很多。例如,過去的質(zhì)量守恒定律,質(zhì)量被認為是物質(zhì)所固有的含量,其具有絕對的不滅性。然而,放射性元素的被發(fā)現(xiàn),當(dāng)重元素衰變?yōu)檩p元素時,有部分質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊S谑,質(zhì)量的超然地位及其神秘性不復(fù)存在了,其只是能量的聚集,是被封閉的粒子關(guān)于其空間效應(yīng)的度量。

      光速不變的絕對性,是愛因斯坦從光速不變的現(xiàn)象歸納出來的。由于自然界存在著質(zhì)的變化,使歸納法的應(yīng)用受到了限制。一旦歸納出的規(guī)律超出了質(zhì)變的范圍,該規(guī)律就失效了,從而限制了規(guī)律的絕對性。

      比如,邁克爾遜-莫雷實驗的零結(jié)果,意味著光速與光源相關(guān);而雙星實驗中的星光,具有頻率的周期性變化,又說明光速與光源無關(guān),而與空間相關(guān)。對于這對矛盾的現(xiàn)象,有兩種不同的解決方案。其一是提出一個物理機制,使對立的現(xiàn)象分隔在不同的區(qū)域,從而化解了矛盾;其二是愛因斯坦的做法,他認為所有參照系中的光速都是一樣的,用光速不變的絕對性來消除對立的現(xiàn)象。

      然而,在現(xiàn)實的世界中,參照系的性質(zhì)是不同的。這也是物體的運動具有物理意義的原因,即速度只有相對于物理背景的運動才是有意義的。例如,我們在河水中游泳,水流是物理背景,其是我們運動的參照系。只有相對于河水的運動,才會對我們產(chǎn)生阻力。至于岸邊的人或樹木,他們與我們的相對運動,只是表觀的運動,并沒有實際的物理意義。

      類似于聲障,相對于物理背景的運動速度越大,該背景對運動物體的影響也就越大,從而使之產(chǎn)生了相應(yīng)的變化。這就是空間的運動效應(yīng),結(jié)合狹義相對論就是相對論效應(yīng),如尺縮、鐘慢和質(zhì)增等。

      然而,根據(jù)狹義相對性原理,所有的參照系都是完全相同的,那么究竟哪個參照系上的孿生兄弟更年輕呢?參照系的絕對相同,取消了運動的物理意義,因而相對性效應(yīng)僅只是數(shù)學(xué)的變換。

      比如,如果我們固執(zhí)地認為人的體重是絕對不變的。于是,要求在任何維度上稱量體重都是一樣的(貨物交易就是如此要求的)。然而,地球是橢圓的,不同維度的重力是不一樣的。于是,只有修正不同地區(qū)的體重秤,使它們得出的讀數(shù)保持不變。由此,各地的修正值就成為了相對論效應(yīng),因而其只是數(shù)學(xué)上的變換。這就好比我們用不同的語言說同一句話,雖然發(fā)音不同,但意思卻是不變的。

      實際上,光速相對于物理背景和能量,只具有相對的不變性。因而,光速c只是一個普通的物理參量。由于物理背景的存在,物體的能量有兩種存在形式,即動能與勢能。低速時,以動能為主;高速時,則以勢能為主。這就是為什么,在高速時,物體的運動具有速度不變性的原因。

      由于光子的質(zhì)量非常小,以至于其動能遠小于勢能。所以,光速是光子維持其勢能的速度,具有相對于物理背景和能量的近似不變性。例如,不同能量(顏色)的光速是不同的,藍光快于紅光,只是兩者的速度差與光速c相比是遠小于1的。

      總之,只有相對的絕對,沒有絕對的相對。由于物體的運動只有相對于物理背景才具有絕對的物理意義,因而不存在光速不變的絕對性。隨著宇宙的膨脹,作為物理背景的量子空間會持續(xù)地降低其密度。于是,光速也會相應(yīng)地不斷增大,直至過渡到經(jīng)典力學(xué)的情況。那時,光子的能量全部都是動能,從而使光速達到了最大值,光子也由此成為了自由的粒子。

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      人類對速度的理解并不是一蹴即至的,而是眾多科學(xué)家經(jīng)過漫長的思考和研究,一步步逐漸靠近真相的。

      在古希臘時期,人類最早開始系統(tǒng)化地思考大自然時,以亞里士多德為代表的諸多自然哲學(xué)家們都認為,物體在沒有受到外力影響的情況下都處于絕對意義上的靜止狀態(tài);運動的物體也擁有一個絕對的速度。

      也就是說,如果你面前放著一個鐵球,它就是絕對靜止的,除非你用手推它一把,它才會因滾動獲得速度,且這個速度對任何人而言都是相同的,假如對你而言是10米/秒,則對所有人而言都是10米/秒。

      這種所見即所得的理解方式可謂是最簡單暴力的,但憑人類拙劣的感受器官,顯然不可能如此輕而易舉就“看見”宇宙的真相,這個想法最大的漏洞就是忽略了觀察者自身的速度,也即我們?nèi)缃袼f的“參照物”或“參考系”。

      參考系是一個簡潔而偉大的頓悟!

      假如亞里士多德站在某個島嶼上,望著遠處的一艘徐徐駛過的輪船,你問他坐在船艙里的人究竟是靜止的還是運動的,不知他會如何作答。

      而現(xiàn)在我們知道了,靜置于輪船上的任何物體,相對于輪船本身而言是靜止的,也即速度為0;但若相對于遠處的島嶼而言,它們就不再是靜止的了,而是在以與輪船相同的速度和方向運動,也即速度大于0。

      換言之,物體的速度會因參照系不同而不同。

      這一現(xiàn)象很好地證明了以我們的感官來定義物體的運動狀態(tài)是極不靠譜的,只有超脫直觀感受,采用更科學(xué)的方法才能真正參透物體的速度——那便是引入?yún)⒄障档母拍顚λ俣茸龀隹陀^理解。

      換一種方式來表達,定義速度絕不能脫離參考系,否則就會失去物理意義;同時,世間萬物都可以當(dāng)做參考系來定義某個物體的速度。

      這一頓悟使人類對速度的理解獲得了質(zhì)的飛躍,人類借此明白了宇宙中不存在絕對的靜止或運動,一切速度都是相對的。無論速度為0亦或是100米/秒,都只針對某些特定的參照物成立,換成別的參照物時就不一定成立了。如今我們把這套理論稱之為“相對性原理”。

      至此,我們似乎已經(jīng)把“速度”這個概念徹底參透了,然而再偉大的認知也難免會有翻車的時候,當(dāng)遇到某個不僅超出人類的觀察能力,甚至徹底超出了人類理解能力的事物時,新的問題就出現(xiàn)了。

      光讓世間充滿了光明,同時也帶來了黑暗。

      自然和自然的法則在黑暗中隱藏;上帝說:讓牛頓去吧!于是一切都被照亮。

      英國詩人亞歷山大·蒲柏的這首詩,高調(diào)地贊揚了牛頓為人類科學(xué)做出的偉大貢獻,但蒲柏完全沒有想到的是,正是照亮一切的光芒,讓科學(xué)再次陷入了無盡的黑暗中。

      當(dāng)人類開始嘗試著理解光的時候,一個又一個的難題便接踵而至了,首當(dāng)其沖的一大難題就是光究竟有沒有速度?

      在我們的直觀感受下,光總是在一瞬間就能填滿整個空間,速度之快讓科學(xué)家們極難測量出光線從光源到達終點是否需要耗費時間。伽利略、羅默、牛頓、惠根斯、邁克耳孫等科學(xué)巨擘耗費了很大精力,才終于求證出光無法瞬間到達終點,而是具有速度的,并且測量出了光的速度大約為30萬公里/秒。

      隨之而來的更棘手的問題是,30萬公里/秒的速度是相對于什么參考系而言的呢?

      一開始,人們堅信光速與別的速度無異,同樣會因參考系的不同而不同,直到詹姆斯·克拉克·麥克斯韋于19世紀建立起一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程之后,災(zāi)難便降臨了。

      麥克斯韋方程組預(yù)示了電磁波的存在,同時還推導(dǎo)出了電磁波在真空中的傳播速度與光速完全一致,且這個速度針對任何參考系而言都是相同的。

      換句話來說,光本質(zhì)上就是一種電磁波,它以電和磁相互轉(zhuǎn)換的方式向前傳播,且真空中的光速是恒定不變的,無論你站在原地不動,還是本身就在以10萬公里/秒的速度奔跑,真空中的一束光相對于你的速度始終都為30萬公里/秒。

      這個結(jié)論完全顛覆了人類的認知。按照常識來理解,假如我以10萬公里/秒的速度與一束光同向奔跑,這束光的速度相對于我而言就只有20萬公里/秒了,怎么可能始終保持30萬公里/秒不變呢?

      針對這個矛盾,最容易想到的原因自然是麥克斯韋方程組錯了,然而當(dāng)科學(xué)家們絞盡腦汁用各種實驗來驗證時,結(jié)果都顯示麥克斯韋完全正確——光速確實始終不變!

      這個明明違背了常識,卻又不斷被實驗所證明的詭異現(xiàn)象,讓當(dāng)時所有物理學(xué)家全都一籌莫展,誰也想不出究竟哪里出了問題。也正是為了化解這個世紀難題,一篇意義非凡的論文——《論動體的電動力學(xué)》應(yīng)運而生了,它的作者是偉大的猶太籍物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦

      這篇論文的標題可能會讓許多人感到陌生,但它的另一個名字——《狹義相對論》必定讓你感到如雷貫耳。

      在《狹義相對論》中,愛因斯坦針對光速不變原理和相對性原理之間的矛盾,提出了一個石破天驚的解釋:時空本身就不是絕對的,而是相對的。

      時間的長短在不同的參考系中會有所不同,假如我站在地球上,而你坐在50%光速的飛船上旅行,則你的時間會流逝得更慢——當(dāng)飛船上的時間流逝了5分鐘時,地球上流逝的時間遠遠超過5分鐘。

      這是由于速度會將時間“拉長”,在高速度的參考系中,1秒的長度大于低速參考系中的1秒,這個現(xiàn)象被稱為“時間膨脹效應(yīng)”,是《狹義相對論》中的重要理論,如果展開描述的話篇幅太長。

      總而言之,由于時間的長度會發(fā)生變化,因此雖然我們從兩個參考系測量同一束光,它的速度都是每秒30萬公里,但這兩個參考系中的1秒的長度卻是不同的,于是光速不變和相對性原理之間的矛盾也就被調(diào)和了。

      用一個顛覆常識的理論來解釋一個顛覆常識的現(xiàn)象,這便是愛因斯坦的聰慧之處,更令人驚嘆的是,大量現(xiàn)實觀測、實驗和計算印證了時間膨脹效應(yīng)的正確性。

      也就是說,在低速狀態(tài)下,由于時間膨脹效應(yīng)微小到無法察覺,因而速度的相對性就被凸顯出來了;而在趨近于光速的狀態(tài)下,時間膨脹效應(yīng)被凸顯出來了,而速度的相對性則不再明顯了。

      這就是目前科學(xué)界對于光速不變原理的最主流的解釋。

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      光速也是相對的。電子如同大炮,給了光子初速度即光速。光速是相對于真空的運動速度,在介質(zhì)中的運動速度比光速稍微低點。另外,光有折射、反射現(xiàn)象,其方向發(fā)生了改變,速度是矢量,方向的改變也是速度的變化。

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      因為光速是推導(dǎo)出來的,最后通過實驗驗證的。

      通過麥克斯韋方程組推算出了電磁波的傳播速度,光也是電磁波的一種,但是這個速度沒有任何參照物,所以,光速是絕對的。

      剛開始有人懷疑光速是有參照物的,如果有參照物光速就不是絕對的,有物理學(xué)家提出光的參照物是“以太”,這也是“以太”學(xué)說的由來。

      但是后來被實驗證實不存在以太。

      邁克爾遜-莫雷實驗(Michelson-Morley Experiment),是1887年邁克爾遜和莫雷在美國克利夫蘭做的用邁克爾遜干涉儀測量兩垂直光的光速差值的一項著名的物理實驗。但結(jié)果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的,由此否認了以太(絕對靜止參考系)的存在,從而動搖了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ),成為近代物理學(xué)的一個開端,

      光速就沒有了參照物,所以光速的絕對的。

      光速為什么是絕對的,本質(zhì)原因是麥克斯韋方程,目前沒有任何理論顯示麥克斯韋方程組是錯誤的,所以至少現(xiàn)在來說,光速的絕對的,沒有參考系。

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      不論哪個慣性系,測量光的速度,恒定為c.因此,說它是絕對的。有質(zhì)量的物體的速度,必然是相對于某個參考系才能定義,所以,我們說速度是相對的。

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      多數(shù)的相對論講義都沒有給光速不變以直觀的解釋,我來給你解釋下,其實特別簡單。

      起初,麥克斯韋預(yù)言了電磁波,并且給出了簡單優(yōu)美的方程,可以直接算出電磁波的速度,就是現(xiàn)實中的光速。后來,赫茲用實驗產(chǎn)生了電磁波,和麥克斯韋的預(yù)言一致。因此,大家認定,光也是一種電磁波,而速度,都算好了,還怎么變。而且這方程,太美,簡潔對稱,大家直覺上就不認為他會是錯的。

      為什么會這樣呢,為什么電磁波的速度直接就可以算出來,與發(fā)射源無關(guān)呢?因為電磁波的速度不是相對于任何物體的,而是純粹在虛空中的速度。什么意思呢?下面解釋一下。

      我們先來說說普通物體的運動。平時我們說一個物體的運動速度,是這個物體的位置隨著時間在變化,計算速度我們要找個參照物,用運動物體與參照物距離隨時間的變化,來度量運動物體位置的變化,也就是速度。畢竟,我們無法在虛空中做刻度直接測速度,做了刻度也不能說這個標記是不動的,還是需要一個參照物。

      但電磁波就不一樣了,他是發(fā)射源那里有個電場在變化,這個變化的電場直接就在旁邊產(chǎn)生出一個磁場,這個磁場也在變,又在旁邊產(chǎn)生一個電場,這就是電磁感應(yīng),就這樣電場磁場交替著往前跑,不依賴任何物體,在真空中就能跑。這個跑的速度,是可以根據(jù)感應(yīng)的時間和感應(yīng)的距離算出來的,這里面沒有任何參照物,完全是相對虛空的速度,你說他是相對任何物體的速度都可以。

      所以到這里,當(dāng)麥克斯韋電磁方程出來的時候,光速不變就已經(jīng)呼之欲出了。但這和人們的常識矛盾太大,牛頓力學(xué)的運動方程都不成立了,所以人們不相信會是這樣,于是找各種可能,最容易想到的就是虛空不空,充滿了叫以太的東西,而以太也在動,算出來的光速是相對于靜止以太的速度。這樣就和牛頓力學(xué)不矛盾了。這種想法不僅假設(shè)了以太的存在,還需要引入絕對靜止的概念,即存在絕對靜止的空間。這種想法不但解決了光速問題,也給上帝找了個地方,上帝就呆在絕對靜止的空間。本來牛頓力學(xué)就給上帝擠沒地方呆了,現(xiàn)在柳暗花明,又給他找了塊地兒,所以這種想法受到多數(shù)人的普遍認同,接下來就是實驗驗證了。

      于是就有了著名的邁克爾遜莫雷實驗,實驗的結(jié)果大家也都知道了,光速就是不變。于是大家都傻了,不知道咋回事。公式倒是好弄,洛倫茲湊了個公式,既能解釋光速不變,也和經(jīng)典牛頓力學(xué)不矛盾,但大家還是傻,不知道這是為什么。這時候愛因斯坦出來了,解釋了這個現(xiàn)象,帶來了新的時空觀。所以說愛因斯坦這才是高人。

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      光速也是相對的。記。悍彩撬俣龋际窍鄬Φ!光速也是速度,測量光速同樣也要基于某個參照系,這就是速度的相對性。光速的特殊性,只是它無論相對任何參照系,測得的數(shù)值都是相同的。這是人類測量手段的制約,不是從上帝視角來看光的運動。人類早期的測量水平下,使用伽利略變換來計算時空的變換,就是上帝視角,這個測量假設(shè)光的速度無窮大,但后來的實踐證明事實上不是,必須改用洛倫茲變換,這個變換式涵蓋伽利略變換,即在低速情形下足夠精確地可用伽利略變換取代較為復(fù)雜的洛倫茲變換計算,這一點小麻煩比繼續(xù)沿用上帝視角所帶來的更災(zāi)難性的麻煩要少得多。不用相對論架構(gòu)理解的理論不是沒有,只是它比天輪模型下的天文學(xué)更復(fù)雜,理解哥白尼日心說取代托勒密地心說的原因,自然明白相對論拓展牛頓理論的原因,都是為了簡單化。

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      個人基研發(fā)現(xiàn),太陽系內(nèi)光速絕對,其他恒星決不一定,建議人們沒有走出地球,把古原始;日蓋一陸;小范圍的;陽陽華帝;外際哲學(xué);今相對論等。

      日渾天空,早已日地月三星高照,夏商日月季年,道法自然三生萬物,陽;哲學(xué);相對;存認不全,應(yīng)該水平道理。

      又全新日,宣夜空照,三次造山,出新人類。今火星日;水星日;月亮日永對應(yīng)原始一陸,日北蓋地出現(xiàn)哺乳動物;各種獸人。

      渾天一陸分二;宣夜四大文明;今又迫移七大洲后,原本一個地球,換日改月地經(jīng)緯,地質(zhì)氣侯,生物跟變,人文也會跟著續(xù)遷,但基礎(chǔ)規(guī)律:

      活立空間,相對基礎(chǔ),

      間水平衡,永恒事業(yè)。

      乞今未止,存認不全,形上認識,邪教控止。才出現(xiàn)困求多元,個人基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在為什還不把客觀存在的,一小塊始陸地;逐漸面積大后;日分二四七大洲;出現(xiàn)古今人類。

      微生水卵蛋動;北日蓋地陰陽;

      暈天隔地月轉(zhuǎn)。四季星日宣夜。

      今日地球,水主表面,

      境三態(tài)道,界公平理。

      古天地物人今續(xù)新果;

      中能發(fā)表后外請驗證。

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      任何物質(zhì)的運動速度都是絕對的,說相對是觀察者的主觀認知局限造成的,比如看大地是靜止的其實它和你在在宇宙中有一個絕對速度只是目前科技還沒有方法計算出這個速度也就是一種對自然物理的認知缺陷。不能因為人類自己的無知就去否定運動的絕對性吧,舉個例子應(yīng)用薩格納克效應(yīng)原理的激光陀螺儀就不需要外參照就可直接判定轉(zhuǎn)動角度。由此判定未來也有不需外參照可直接測量宇宙物體絕對運動速度方法的。而認為大地是靜止是人的主觀感受,也就是兩物同速同向動動時的主觀感受,

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      精確的科學(xué)實驗表明,光的傳播速度并不是無限的,它的速度約為每秒3億米(30萬公里).光速的奇特之處在于:光源與觀察者之間的相對速度并不影響光速的數(shù)值.

      空間與時間必須混合在一起才能保持光速的恒定,從某種意義上來說就是必須保持空間和時間的一致,盡管我們習(xí)慣用米來衡量空間,而用秒來衡量時間.但是,如果空間和時間相似到可以互相轉(zhuǎn)換的程度,那么就需要某種“常量”來轉(zhuǎn)化這兩種單位.也就是說,必須有某種用米/秒來測量的東西,人們可以用以秒為單位的時間來乘以這個“常量”得到以米為單位的空間.這個通用的轉(zhuǎn)換因素就是光的速度.光速之所以是有限的,原因很簡單:有限的空間對應(yīng)的是有限的時間。

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