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为什么光速是绝对的,而速度是相对的?

2020-10-13 13:02阅读(62)

为什么光速是绝对的,而速度是相对的?:所谓光速的绝对性是指,光速相对于任何参照系以及不同能量(频率或颜色)的光都是不变的。因此,光速被认为是自然界中一

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所谓光速的绝对性是指,光速相对于任何参照系以及不同能量(频率或颜色)的光都是不变的。因此,光速被认为是自然界中一个非常神秘的常数。然而,光是一种自然现象,在现实的世界中,不存在任何绝对的东西。因而,光速不变的绝对性,只是我们对光速不变的特性所做出的矫枉过正的解读。

类似的例子还有很多。例如,过去的质量守恒定律,质量被认为是物质所固有的含量,其具有绝对的不灭性。然而,放射性元素的被发现,当重元素衰变为轻元素时,有部分质量转变为能量。于是,质量的超然地位及其神秘性不复存在了,其只是能量的聚集,是被封闭的粒子关于其空间效应的度量。

光速不变的绝对性,是爱因斯坦从光速不变的现象归纳出来的。由于自然界存在着质的变化,使归纳法的应用受到了限制。一旦归纳出的规律超出了质变的范围,该规律就失效了,从而限制了规律的绝对性。

比如,迈克尔逊-莫雷实验的零结果,意味着光速与光源相关;而双星实验中的星光,具有频率的周期性变化,又说明光速与光源无关,而与空间相关。对于这对矛盾的现象,有两种不同的解决方案。其一是提出一个物理机制,使对立的现象分隔在不同的区域,从而化解了矛盾;其二是爱因斯坦的做法,他认为所有参照系中的光速都是一样的,用光速不变的绝对性来消除对立的现象。

然而,在现实的世界中,参照系的性质是不同的。这也是物体的运动具有物理意义的原因,即速度只有相对于物理背景的运动才是有意义的。例如,我们在河水中游泳,水流是物理背景,其是我们运动的参照系。只有相对于河水的运动,才会对我们产生阻力。至于岸边的人或树木,他们与我们的相对运动,只是表观的运动,并没有实际的物理意义。

类似于声障,相对于物理背景的运动速度越大,该背景对运动物体的影响也就越大,从而使之产生了相应的变化。这就是空间的运动效应,结合狭义相对论就是相对论效应,如尺缩、钟慢和质增等。

然而,根据狭义相对性原理,所有的参照系都是完全相同的,那么究竟哪个参照系上的孪生兄弟更年轻呢?参照系的绝对相同,取消了运动的物理意义,因而相对性效应仅只是数学的变换。

比如,如果我们固执地认为人的体重是绝对不变的。于是,要求在任何维度上称量体重都是一样的(货物交易就是如此要求的)。然而,地球是椭圆的,不同维度的重力是不一样的。于是,只有修正不同地区的体重秤,使它们得出的读数保持不变。由此,各地的修正值就成为了相对论效应,因而其只是数学上的变换。这就好比我们用不同的语言说同一句话,虽然发音不同,但意思却是不变的。

实际上,光速相对于物理背景和能量,只具有相对的不变性。因而,光速c只是一个普通的物理参量。由于物理背景的存在,物体的能量有两种存在形式,即动能与势能。低速时,以动能为主;高速时,则以势能为主。这就是为什么,在高速时,物体的运动具有速度不变性的原因。

由于光子的质量非常小,以至于其动能远小于势能。所以,光速是光子维持其势能的速度,具有相对于物理背景和能量的近似不变性。例如,不同能量(颜色)的光速是不同的,蓝光快于红光,只是两者的速度差与光速c相比是远小于1的。

总之,只有相对的绝对,没有绝对的相对。由于物体的运动只有相对于物理背景才具有绝对的物理意义,因而不存在光速不变的绝对性。随着宇宙的膨胀,作为物理背景的量子空间会持续地降低其密度。于是,光速也会相应地不断增大,直至过渡到经典力学的情况。那时,光子的能量全部都是动能,从而使光速达到了最大值,光子也由此成为了自由的粒子。

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人类对速度的理解并不是一蹴即至的,而是众多科学家经过漫长的思考和研究,一步步逐渐靠近真相的。

在古希腊时期,人类最早开始系统化地思考大自然时,以亚里士多德为代表的诸多自然哲学家们都认为,物体在没有受到外力影响的情况下都处于绝对意义上的静止状态;运动的物体也拥有一个绝对的速度。

也就是说,如果你面前放着一个铁球,它就是绝对静止的,除非你用手推它一把,它才会因滚动获得速度,且这个速度对任何人而言都是相同的,假如对你而言是10米/秒,则对所有人而言都是10米/秒。

这种所见即所得的理解方式可谓是最简单暴力的,但凭人类拙劣的感受器官,显然不可能如此轻而易举就“看见”宇宙的真相,这个想法最大的漏洞就是忽略了观察者自身的速度,也即我们如今所说的“参照物”或“参考系”。

参考系是一个简洁而伟大的顿悟!

假如亚里士多德站在某个岛屿上,望着远处的一艘徐徐驶过的轮船,你问他坐在船舱里的人究竟是静止的还是运动的,不知他会如何作答。

而现在我们知道了,静置于轮船上的任何物体,相对于轮船本身而言是静止的,也即速度为0;但若相对于远处的岛屿而言,它们就不再是静止的了,而是在以与轮船相同的速度和方向运动,也即速度大于0。

换言之,物体的速度会因参照系不同而不同。

这一现象很好地证明了以我们的感官来定义物体的运动状态是极不靠谱的,只有超脱直观感受,采用更科学的方法才能真正参透物体的速度——那便是引入参照系的概念对速度做出客观理解。

换一种方式来表达,定义速度绝不能脱离参考系,否则就会失去物理意义;同时,世间万物都可以当做参考系来定义某个物体的速度。

这一顿悟使人类对速度的理解获得了质的飞跃,人类借此明白了宇宙中不存在绝对的静止或运动,一切速度都是相对的。无论速度为0亦或是100米/秒,都只针对某些特定的参照物成立,换成别的参照物时就不一定成立了。如今我们把这套理论称之为“相对性原理”。

至此,我们似乎已经把“速度”这个概念彻底参透了,然而再伟大的认知也难免会有翻车的时候,当遇到某个不仅超出人类的观察能力,甚至彻底超出了人类理解能力的事物时,新的问题就出现了。

光让世间充满了光明,同时也带来了黑暗。

自然和自然的法则在黑暗中隐藏;上帝说:让牛顿去吧!于是一切都被照亮。

英国诗人亚历山大·蒲柏的这首诗,高调地赞扬了牛顿为人类科学做出的伟大贡献,但蒲柏完全没有想到的是,正是照亮一切的光芒,让科学再次陷入了无尽的黑暗中。

当人类开始尝试着理解光的时候,一个又一个的难题便接踵而至了,首当其冲的一大难题就是光究竟有没有速度?

在我们的直观感受下,光总是在一瞬间就能填满整个空间,速度之快让科学家们极难测量出光线从光源到达终点是否需要耗费时间。伽利略、罗默、牛顿、惠根斯、迈克耳孙等科学巨擘耗费了很大精力,才终于求证出光无法瞬间到达终点,而是具有速度的,并且测量出了光的速度大约为30万公里/秒。

随之而来的更棘手的问题是,30万公里/秒的速度是相对于什么参考系而言的呢?

一开始,人们坚信光速与别的速度无异,同样会因参考系的不同而不同,直到詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于19世纪建立起一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程之后,灾难便降临了。

麦克斯韦方程组预示了电磁波的存在,同时还推导出了电磁波在真空中的传播速度与光速完全一致,且这个速度针对任何参考系而言都是相同的。

换句话来说,光本质上就是一种电磁波,它以电和磁相互转换的方式向前传播,且真空中的光速是恒定不变的,无论你站在原地不动,还是本身就在以10万公里/秒的速度奔跑,真空中的一束光相对于你的速度始终都为30万公里/秒。

这个结论完全颠覆了人类的认知。按照常识来理解,假如我以10万公里/秒的速度与一束光同向奔跑,这束光的速度相对于我而言就只有20万公里/秒了,怎么可能始终保持30万公里/秒不变呢?

针对这个矛盾,最容易想到的原因自然是麦克斯韦方程组错了,然而当科学家们绞尽脑汁用各种实验来验证时,结果都显示麦克斯韦完全正确——光速确实始终不变!

这个明明违背了常识,却又不断被实验所证明的诡异现象,让当时所有物理学家全都一筹莫展,谁也想不出究竟哪里出了问题。也正是为了化解这个世纪难题,一篇意义非凡的论文——《论动体的电动力学》应运而生了,它的作者是伟大的犹太籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦

这篇论文的标题可能会让许多人感到陌生,但它的另一个名字——《狭义相对论》必定让你感到如雷贯耳。

在《狭义相对论》中,爱因斯坦针对光速不变原理和相对性原理之间的矛盾,提出了一个石破天惊的解释:时空本身就不是绝对的,而是相对的。

时间的长短在不同的参考系中会有所不同,假如我站在地球上,而你坐在50%光速的飞船上旅行,则你的时间会流逝得更慢——当飞船上的时间流逝了5分钟时,地球上流逝的时间远远超过5分钟。

这是由于速度会将时间“拉长”,在高速度的参考系中,1秒的长度大于低速参考系中的1秒,这个现象被称为“时间膨胀效应”,是《狭义相对论》中的重要理论,如果展开描述的话篇幅太长。

总而言之,由于时间的长度会发生变化,因此虽然我们从两个参考系测量同一束光,它的速度都是每秒30万公里,但这两个参考系中的1秒的长度却是不同的,于是光速不变和相对性原理之间的矛盾也就被调和了。

用一个颠覆常识的理论来解释一个颠覆常识的现象,这便是爱因斯坦的聪慧之处,更令人惊叹的是,大量现实观测、实验和计算印证了时间膨胀效应的正确性。

也就是说,在低速状态下,由于时间膨胀效应微小到无法察觉,因而速度的相对性就被凸显出来了;而在趋近于光速的状态下,时间膨胀效应被凸显出来了,而速度的相对性则不再明显了。

这就是目前科学界对于光速不变原理的最主流的解释。

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光速也是相对的。电子如同大炮,给了光子初速度即光速。光速是相对于真空的运动速度,在介质中的运动速度比光速稍微低点。另外,光有折射、反射现象,其方向发生了改变,速度是矢量,方向的改变也是速度的变化。

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因为光速是推导出来的,最后通过实验验证的。

通过麦克斯韦方程组推算出了电磁波的传播速度,光也是电磁波的一种,但是这个速度没有任何参照物,所以,光速是绝对的。

刚开始有人怀疑光速是有参照物的,如果有参照物光速就不是绝对的,有物理学家提出光的参照物是“以太”,这也是“以太”学说的由来。

但是后来被实验证实不存在以太。

迈克尔逊-莫雷实验(Michelson-Morley Experiment),是1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,由此否认了以太(绝对静止参考系)的存在,从而动摇了经典物理学基础,成为近代物理学的一个开端,

光速就没有了参照物,所以光速的绝对的。

光速为什么是绝对的,本质原因是麦克斯韦方程,目前没有任何理论显示麦克斯韦方程组是错误的,所以至少现在来说,光速的绝对的,没有参考系。

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不论哪个惯性系,测量光的速度,恒定为c.因此,说它是绝对的。有质量的物体的速度,必然是相对于某个参考系才能定义,所以,我们说速度是相对的。

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多数的相对论讲义都没有给光速不变以直观的解释,我来给你解释下,其实特别简单。

起初,麦克斯韦预言了电磁波,并且给出了简单优美的方程,可以直接算出电磁波的速度,就是现实中的光速。后来,赫兹用实验产生了电磁波,和麦克斯韦的预言一致。因此,大家认定,光也是一种电磁波,而速度,都算好了,还怎么变。而且这方程,太美,简洁对称,大家直觉上就不认为他会是错的。

为什么会这样呢,为什么电磁波的速度直接就可以算出来,与发射源无关呢?因为电磁波的速度不是相对于任何物体的,而是纯粹在虚空中的速度。什么意思呢?下面解释一下。

我们先来说说普通物体的运动。平时我们说一个物体的运动速度,是这个物体的位置随着时间在变化,计算速度我们要找个参照物,用运动物体与参照物距离随时间的变化,来度量运动物体位置的变化,也就是速度。毕竟,我们无法在虚空中做刻度直接测速度,做了刻度也不能说这个标记是不动的,还是需要一个参照物。

但电磁波就不一样了,他是发射源那里有个电场在变化,这个变化的电场直接就在旁边产生出一个磁场,这个磁场也在变,又在旁边产生一个电场,这就是电磁感应,就这样电场磁场交替着往前跑,不依赖任何物体,在真空中就能跑。这个跑的速度,是可以根据感应的时间和感应的距离算出来的,这里面没有任何参照物,完全是相对虚空的速度,你说他是相对任何物体的速度都可以。

所以到这里,当麦克斯韦电磁方程出来的时候,光速不变就已经呼之欲出了。但这和人们的常识矛盾太大,牛顿力学的运动方程都不成立了,所以人们不相信会是这样,于是找各种可能,最容易想到的就是虚空不空,充满了叫以太的东西,而以太也在动,算出来的光速是相对于静止以太的速度。这样就和牛顿力学不矛盾了。这种想法不仅假设了以太的存在,还需要引入绝对静止的概念,即存在绝对静止的空间。这种想法不但解决了光速问题,也给上帝找了个地方,上帝就呆在绝对静止的空间。本来牛顿力学就给上帝挤没地方呆了,现在柳暗花明,又给他找了块地儿,所以这种想法受到多数人的普遍认同,接下来就是实验验证了。

于是就有了著名的迈克尔逊莫雷实验,实验的结果大家也都知道了,光速就是不变。于是大家都傻了,不知道咋回事。公式倒是好弄,洛伦兹凑了个公式,既能解释光速不变,也和经典牛顿力学不矛盾,但大家还是傻,不知道这是为什么。这时候爱因斯坦出来了,解释了这个现象,带来了新的时空观。所以说爱因斯坦这才是高人。

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光速也是相对的。记住:凡是速度,都是相对的!光速也是速度,测量光速同样也要基于某个参照系,这就是速度的相对性。光速的特殊性,只是它无论相对任何参照系,测得的数值都是相同的。这是人类测量手段的制约,不是从上帝视角来看光的运动。人类早期的测量水平下,使用伽利略变换来计算时空的变换,就是上帝视角,这个测量假设光的速度无穷大,但后来的实践证明事实上不是,必须改用洛伦兹变换,这个变换式涵盖伽利略变换,即在低速情形下足够精确地可用伽利略变换取代较为复杂的洛伦兹变换计算,这一点小麻烦比继续沿用上帝视角所带来的更灾难性的麻烦要少得多。不用相对论架构理解的理论不是没有,只是它比天轮模型下的天文学更复杂,理解哥白尼日心说取代托勒密地心说的原因,自然明白相对论拓展牛顿理论的原因,都是为了简单化。

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个人基研发现,太阳系内光速绝对,其他恒星决不一定,建议人们没有走出地球,把古原始;日盖一陆;小范围的;阳阳华帝;外际哲学;今相对论等。

日浑天空,早已日地月三星高照,夏商日月季年,道法自然三生万物,阳;哲学;相对;存认不全,应该水平道理。

又全新日,宣夜空照,三次造山,出新人类。今火星日;水星日;月亮日永对应原始一陆,日北盖地出现哺乳动物;各种兽人。

浑天一陆分二;宣夜四大文明;今又迫移七大洲后,原本一个地球,换日改月地经纬,地质气侯,生物跟变,人文也会跟着续迁,但基础规律:

活立空间,相对基础,

间水平衡,永恒事业。

乞今未止,存认不全,形上认识,邪教控止。才出现困求多元,个人基础发现,现在为什还不把客观存在的,一小块始陆地;逐渐面积大后;日分二四七大洲;出现古今人类。

微生水卵蛋动;北日盖地阴阳;

晕天隔地月转。四季星日宣夜。

今日地球,水主表面,

境三态道,界公平理。

古天地物人今续新果;

中能发表后外请验证。

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任何物质的运动速度都是绝对的,说相对是观察者的主观认知局限造成的,比如看大地是静止的其实它和你在在宇宙中有一个绝对速度只是目前科技还没有方法计算出这个速度也就是一种对自然物理的认知缺陷。不能因为人类自己的无知就去否定运动的绝对性吧,举个例子应用萨格纳克效应原理的激光陀螺仪就不需要外参照就可直接判定转动角度。由此判定未来也有不需外参照可直接测量宇宙物体绝对运动速度方法的。而认为大地是静止是人的主观感受,也就是两物同速同向动动时的主观感受,

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精确的科学实验表明,光的传播速度并不是无限的,它的速度约为每秒3亿米(30万公里).光速的奇特之处在于:光源与观察者之间的相对速度并不影响光速的数值.

空间与时间必须混合在一起才能保持光速的恒定,从某种意义上来说就是必须保持空间和时间的一致,尽管我们习惯用米来衡量空间,而用秒来衡量时间.但是,如果空间和时间相似到可以互相转换的程度,那么就需要某种“常量”来转化这两种单位.也就是说,必须有某种用米/秒来测量的东西,人们可以用以秒为单位的时间来乘以这个“常量”得到以米为单位的空间.这个通用的转换因素就是光的速度.光速之所以是有限的,原因很简单:有限的空间对应的是有限的时间。