深度長文:光速與任何速度疊加還是光速,光速真的不需要參照系?

2023年11月14日18:41:04 科學 1499

對於光速和光速不變原理,很多人都有這樣那樣的疑惑。其實有疑惑也很正常,畢竟光速在很多方面都違背了我們的直覺和日常生活經驗。

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為了更好地了解光速的特性,我們先從身邊熟悉的事物說起,比如說聲波。

物理課上我們都學過,聲波本質上講屬於機械波,具體來講,是聲波是這樣運作的。

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第一,發聲物體振動,對空氣施加了壓力

第二,這種壓力會衝擊發聲物體前方的空氣分子

第三,分子具有質量和慣性,所以最靠近發聲物體的空氣分子會被迫首先運動

第四,最先運動的空氣分子獲得速度之後,在慣性作用下會推動更遠的空氣分子,在這個過程中失去能量,結果這些空氣分子雖然發生了振動,但幾乎保持原地不動,只是把振動的能量傳遞給了更遠的空氣分子,這個過程就像是牛頓擺一樣

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聲波就是這樣傳遞到我們耳朵里的。理解了聲波產生的本質,就可以推導出聲波傳遞速度公式了,這裡就不再詳述了。聲速與介質的密度,體積彈性模量有關,這兩個物理量一旦確定下來,聲速也就確定了。

這就意味著,不管你是在高鐵上,飛機上,哪怕是宇宙飛船上,你發出的聲音的傳播速度仍舊是空氣中的聲速,聲速本身並不會與高鐵飛機和宇宙飛船疊加,即便你乘坐的交通工具的速度超過了空氣中的聲速,也就是超音速,你的聲音傳播速度仍舊是聲速。

不過,聲波本身也有類似光波那樣的「多普勒效應」,如何理解呢?舉個簡單的例子,當火車朝著你行駛,鳴笛聲就會顯得更尖銳,聲調很高。而當火車朝著遠離你的方向行駛時,鳴笛聲就會變低沉,聲調變低。

其實,與聲波類似,光也是一種波,是一種電磁波。光的速度同樣只與介質(也就是真空)的磁導率和介電常數有關,這也是為什麼光速始終保持恆定,光速與任何速度疊加之後,仍舊保持光速不變

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剛才說了光波具有「多普勒頻移」效應,具體來講就是,當光源不斷靠近我們運動,光的頻率就會變高,波長變短,光譜就會向藍色端移動,也就是所謂的「藍移」。相反,如果光源朝著遠離我們的方向運動,光的頻率就會變低,波長變長,也就會發生「紅移」。

下一個問題就來了,我們都知道聲音依靠空氣或者其他介質傳播,那麼光依靠什麼傳播的呢?

雖然空氣這種東西我們看不見摸不著,但它確實存在。但是光呢?科學家們早就證明,即使在真空中,光仍舊能傳播。按照「聲音傳播需要介質」的理念,我們自然會想到,光的傳播同樣需要某種介質,這意味著真空中同樣存在一種我們看不見摸不著的東西,光正是通過這種東西來傳播的。

科學家們其實並沒有找到這種東西是否真的存在,只是把它定義為了「以太」。

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看起來一切都得到了完美解決,聲音靠空氣傳播,而光依靠以太來傳播。但問題遠沒有結束。

還拿空氣來講,假設你站著靜止不動,我在遠處大喊一聲,如果你是順風接收到我發出的聲波,自然能更快聽到我的喊聲。相反,如果你是逆風接收到我發出的聲波,那麼聲波傳到你耳朵就會更慢一點。

道理很簡單,雖然聲波的速度相對某種介質是固定的,與聲源的運動與否沒有關係,但是介質本身的運動能夠帶著聲波一起運動。也就是說,介質的運動能夠與聲波的速度疊加。這裡需要注意一點,介質與聲波本身是兩個不同的概念。

那麼,我們自然會聯想到光也是如此,既然光的傳播介質是以太,在地球圍繞太陽運行的過程中,也會和以太產生相對運動

再回想一下在空氣中的聲波,在一定距離內,測量不同方向的聲波傳播速度,最終就能測量出風速是多少。那麼可不可以利用同樣的方法測量出「以太風」的速度呢?

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科學家們也確實是這樣想的,也是這樣做實驗的,這就是著名的邁克爾遜莫雷實驗。實驗的目的就是找到以太存在的證據。

但實驗結果讓所有人都沒有想到,地球的運動並沒有和以太產生相對速度,這個結果意味著兩種可能:

一,地球真的是宇宙中心,而且地球保持絕對不動。顯然這是不可能的,簡單的傅科擺早就證明地球在自轉。

二,以太不存在,光速相對任何參照系都保持不變

既然第一條是不可能的,那麼我們只有接受第二種可能性了:光速在任何參照系下都保持不變,以太不存在。

但是光速的這種絕對不變性又大大違反了我們的傳統認知,更大的問題是:如果以太真的不存在,光到底是如何傳播的呢?

且不說光到底是如何傳播的,如果以太真的不存在,就意味著統治物理學界幾百年的牛頓經典力學轟然倒塌,這是當時的物理學家大佬們無論如何都接受不了的。

所以,很多物理學界大佬仍舊相信以太是存在的,只是因為以太的性質很特別,不那麼容易被發現。總是,他們就提出各種假設對以太的定義進行修正,目的就是保證以太真實存在。

但是,假設得越多,就越容易出問題,因為每個假設就相當於一個「謊言」,也就是「定時炸彈」,隨時可能引爆,任何一個假設被證明不合理,以太的概念就會被推翻。

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結果物理學界大佬洛倫茲提出了「洛倫茲變換」才算是比較完美地解決了上述問題,但還有一個問題:以太為什麼這麼特殊?為什麼必須用洛倫茲變換才能計算速度的疊加呢?為什麼不能用簡單的伽利略變換呢?

這就意味著以太的概念仍舊是有問題的,而偉大的愛因斯坦秉承著「如無必要勿增實體」的理念,用「奧卡姆剃刀」直接把以太「咔嚓」掉了:既然以太的概念總是會帶來矛盾,而以太本來就是假設的概念,為什麼一定要以太存在呢?為何光速就不能是絕對的呢?況且麥克斯韋方程組推導出來的光速計算公式中早就表明了光速的確是一個不變的常數

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在徹底拋棄以太的概念之後,在光速不變原理和狹義相對論原理的基礎上,愛因斯坦提出了相對論。

光速不變意味著,假設我們以光速飛行,那麼其他所有物體相對我們的速度肯定都是光速,這意味著什麼?

意味著宇宙的時間是靜止的,我們根本不需要任何時間就能輕鬆穿越整個宇宙,哪怕是可觀測宇宙直徑達到930億光年,也可以瞬間跨越。如果任何物體一旦有任何運動,意味著彼此之間肯定有相對速度,那麼必須就會有一些物體相對我們的速度不再是光速。

這種方式推測出來的結果顯然是錯誤的,問題到底出在哪裡呢?

愛因斯坦給出了答案:信息傳播的極限速度就是光速,我們對時間和空間的固有認知是錯誤的,必須做出相應調整才可以

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說白了,速度會影響時間和空間,當物體以亞光速飛行時,平時我們所用的伽利略變換,也就是速度直接疊加就不再適用了,需要用到洛倫茲變換。

舉個例子,你我分別以0.5倍光速反方向行駛,我們之間的相對速度是多少呢?

如果用伽利略變換計算,答案很簡單:光速,就是我們兩人的速度之和,這就是簡單的速度疊加。實際上並非如此,利用洛倫茲變換計算的結果是0.8倍光速,而不是光速!

為什麼會這樣?

簡單講,時間和空間是相對的,速度會影響時間和空間,也就是時間和距離。只不過只有速度達到亞光速,對時間和空間的影響才更明顯。平時我們用到的伽利略變換,也就是速度疊加,是以絕對時空觀為背景的,只適用於速度遠遠低於光速的情況。

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而在亞光速世界,在相對論體系下,速度並不能直接疊加,速度疊加並非是線性的,需要用洛倫茲變換公式來計算速度的疊加。通過公式我們可以看出,無論你和我的速度有多快,我們之間的相對速度都不可能達到或者超過光速。

為什麼達不到光速呢?因為隨著速度的不斷增加,時間和空間會不斷「自我調整」,具體表現就是時間會變慢,空間會縮短,同時物體的質量也會增加,而速度就等於空間(距離)除以時間,時間和空間不斷調整的結果就是光速不可超越。

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總結

光速就是這麼特殊,它的確不需要任何參照系,恆定保持光速不變。但我們也可以這麼通俗理解:光速的參照系是時空本身,時空是光的傳播介質,準確來講,四維時空是光的傳播介質。

其實嚴格來講,光速並不是指「光的速度」,而是指四維時空的極限速度,因為不僅僅是光子本身,任何沒有靜質量的物體,以及信息的傳播速度都是光速,除了光子之外,還有膠子。膠子也是沒有靜質量的,它也只能以光速傳播。

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