...不变是实验测定的结果，著名的迈克耳孙-莫雷实验
编辑： admin 2017-03-03
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对光速的理解不能用理解质点速度的方法去理解.
所谓光速不变讲的是测量一束光线从光源发出后到达观察者的这段“时间”不会因为光源或观察者的运动状态而改变的这种现象.但如果同样的现象发生在抛出去的球与接球的人之间的话,那么从球被抛出去到接球的人接到球这段“时间”就会随着抛球的人或接球的人的运动状态而改变.总之,在实际测量速度过程中,实际测量到的都是时间,而不是速度.速度是由时间和距离计算出来的.因为在光传播过程中这个时间不会因为光源或观察者的运动而发生变化,因此把它叫做光速不变.
其实,把这种”时间的不变“叫做”光速不变“是不正确的.很容易产生误解.也因此而让人很难理解.这种”时间的不变“实际上正是因为”光速的变化“才得以实现的.例如当光源向着观察者运动时,光速（实际速度）相应减慢,当光源背离观察者运动时,光速（实际速速）相应加快.因为有这样的调节机制,因此无论光源运动与否,光到达观察者所用的时间都是一样的.类似的现象在声音传播中也一样.唯一不同的是,当观察者运动的时候光与声音不同.这也是最让人不解的地方.
光和声音一样都是波.而波的传播速度完全由介质决定,与波源的运动状态无关.
为什么当观察者运动的时候声音的测量到的传播时间会随着变化,而光的传播时间却不变呢?这与介质有关.声音的传播介质是空气.至于光在”真空“中的传播介质,根据最新发现是一种叫做”质量场“的物质场（可在网上搜到）.光源的运动与观察者的运动都可以产生同样的质量场变化效果.因此,无论是光源运动还是观察者运动,最后观察到的光传播时间都是不变的.
另外,引力红移,引力透镜和光线弯折等自然现象也都是因为作为光传播介质的质量场密度的分布特征造成的.这些现象的产生都是光的实际速度发生了变化的结果.
很遗憾,迈克耳孙-莫雷实验没有比较地球垂直方向上的光速.而事实上在地球的垂直方向上是有光速变化的,因此可以观察到引力红移现象.
所以,1）理解了”波速“与”质点速度“之间的本质不同、2）理解了所谓的”光速不变“实际上应该是”时间不变“、3）理解了作为光传播介质的质量场的调节作用这三点之后,就不难理解”光速为什么是不变的“了.也就不难理解实际光速其实是可以变化的.
以上这些内容并非来自教科书.仅供参考.
提示：
相对论是假设光速是不变的 建立在此基础上 生活经验表明这是正确的
类似问题
类似问题1：光速为什么不变?爱因斯坦的相对论是在光速不变下建立的,但光速不变是怎样得出的呢?不会是凭空设想的吧[物理科目]
这是由一个实验得出的：
在赤道同时向北极和东方发射电磁波.
在距发生地同样距离的两地接受到电波所用的时间相同.（绝对相同,没有误差.）
加上地球自转的影响,C不变.
所以得出,光速（实际上光速就是电磁波速,光是一种可见电磁波.）不变.
类似问题2：光速为什么是不变的是不是因为时间就是由光来定义的?但是在不同介质里光速为什么又不一样呢?光速的恒定性是不是和声波速度恒定性的原理是一样的?[物理科目]
光速不变原理,在狭义相对论中,指的是无论在何种惯性参照系中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数,不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变.这个数值是299,792,458 米/秒.
光速不变原理是由联立求解麦克斯韦方程组得到的,并为迈克尔逊—莫雷实验所证实.光速不变原理是爱因斯坦创立狭义相对论的基本出发点之一.
在广义相对论中,由于所谓惯性参照系不再存在,爱因斯坦引入了广义相对性原理,即物理定律的形式在一切参考系都是不变的.这也使得光速不变原理可以应用到所有参考系中.
请参考:
类似问题3：光速不变,是相对什么而言的?光速是相对什么而概念的?光速不变又是相对什么而言的?为什么车开着灯前进,车速和光速不能相加?既然光速不变,那么不管车运动还是不运动光速都是C.那么它运[物理科目]
要想真正直观地了解这个问题,我们还是应该扯远一点儿,从洛伦兹变换的时间变换说起.当然,我们提数学只是为了更好地从直观上理解这个问题,而不是为了让这个问题更神秘.
狭义相对论没有那么神秘.
我不知道你关于洛伦兹变换的由来知道多少,这里简单提一下,洛伦兹假设物体只在运动方向上收缩,垂直于运动方向的方向没有影响,这里一定要注意一点,这里的运动与否完全是以观察者为参考系的,也就是以你为参考系,这里的收缩指的也是一个物体,比如米尺,摆在你面前,你测量到它的长度是一米,而当它运动起来后,你再次进行测量,结果发现它比刚才短了一点点,而短的这个距离跟它运动的速度有关.但是如果你跟他一起运动,就会觉得它没有变化.这两个情景的区别就在于你这个参考系不同,开始你跟它不是一个参考系,之后你和它一起运动了,就变成了一个参考系.我之所以如此强调参考系,就是因为想要深刻领悟洛伦兹变换的实际情景,一定要记住这是不同的参考系.
你既然问光速不变,我们就略过洛伦兹变换中的空间变换,直接看时间变换.我认为搞清楚了时间变换的实际情景,就足以使你真正深刻的从直观上理解光速是相对什么不变的了.
我们平时看时间都是用钟,但是如果我有一个钟你有一个钟,这些不同原理的钟很可能在论证时成为你反驳我的理由,为了简略起见,我们用一种最简单的钟,就是在一把一米长的尺子的一段放上一个光脉冲发生器,紧挨着它是一个接收器,另一端放一面镜子.这里我们定义光从发生器出发经镜子反射回到接收器的时间为一个单位时间.
好了,实验开始了.
你按了一下按钮,光发射出去了,很快又回来了.这就是你的一个单位时间.是多少呢,显然是光走过的距离除以光速,也就是2倍米尺长度处以光速.但是现在你身处一个飞行器里,而我在陆地上看你进行的这个实验.因为你的飞行方向是垂直于米尺的所以在我这个不同参考系的人看来米尺的长度不会收缩.但是我看见的光走的路程是多少呢?显然我看见的光所走过的距离,可以看成是在两个相互垂直的方向上的运动的叠加.一是跟你看到的一样,光沿着米尺走了一个来回,另一个则是跟这个光钟同处一个参考系的你所看不出来的,就是沿着飞机飞行的方向的运动.我所看到的光所走过的路程是这两个方向上运动的叠加.其实这很好理解,假设你在飞机上扔下一个炸弹,说是扔其实你并没有给炸弹任何初速度,也就是说在你看来炸弹是垂直掉下去的.但是在我这个地面参考系的人看来炸弹却走了一个抛物线.因此我们看到的炸弹所走过的路程是不同的.只不过现在我们的炸弹是光.但是这里有一个重要的区别.我们看到炸弹的速度是不同的,但是我们看到的光的速度是相同的.注意一点,这里的飞机都是相对于地面做匀速直线运动.也就是说飞机虽然和陆地不是一个参考系,但都是惯性系.光速不变指的就是相对于以不同速度运动的惯性系而言,大家看到的光的速度却是一样的.也就是所谓的波源无关性.无论发出光的波源的运动速度是什么,在各个不同惯性系看到的关的速度却是一样的.具有相同性质还有声波.
至于光速不变这件事,它的作用机制我们还没搞明白,事实上,光速不变是由麦克斯韦方程组算出来的,因为算出来光速竟然是与光源运动和参考系无关的常量.所以爱因斯坦就这么假设了.
如果你真的从直观上深刻的理解了光速是相对什么不变,你也就能自己推出我上边没有推完的结论了.即,因为光速不变,所以我看到在飞机里你的参考系中的单位时间变缓了,因为运动是相对的,所以你也会得出同样的结论说是我的时间变缓了.
你要是真想好好了解一下狭义相对论,建议你可以看看高等教育出版社的新概念物理教程力学卷和费恩曼物理学讲义第一卷中的相对论部分,这两本搭配着看会使你有更深入的理解.费恩曼的书太贵了,如果没条件去图书馆借也有一个经济的选择.湖南科学技术出版社出了一系列走进费曼丛书,其中有一本费曼讲物理相对论,可以买来看看.它是集了讲义中的有关相对论的6章单独成书的.
希望你完全明白了.
类似问题4：光速为何不变?不要答非所问 我问的是 光速为何不变*****弟兄们,不要答非所问,你们只要回答 * 什么原因 * 光速不变[物理科目]
爱因斯坦1905年9月发表在德国《物理学年鉴》上的那篇著名的相对论论文《论动体的电动力学》,提到光速问题的话有四段：
“光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着,这速度同发射体的运动状态无关.”
“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的,这两条原理我们定义如下：
1. 物理体系的状态据以变化的定律,同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系.
2. 任何光线在‘静止的’坐标系中都是以确定的速度V运动着,不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的.”
“对于大于光速的速度,我们的讨论就变得毫无疑义了；在以后的讨论中,我们会发现,光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色.”
“由此,当υ=V时,W就变成无限大.正像我们以前的结果一样,超光速的速度没有存在的可能.”
（《爱因斯坦奇迹年━━改变物理学面貌的五篇论文》[美] 约翰•施塔赫尔主编,范岱年、许良英译,上海科技教育出版社2001年版 第97━98页,第100━101页,第109页,第127页.）
光速不变第四解为质速解,此解从质速关系得来.爱因斯坦质速关系式：
m=m0/√1-υ2/c2（m为运动质量,m0为静止质量,υ为物体运动速度,c为光速）说明：物体以远低于光速的速度（人体尺度下）运动时,质量变化不明显,增加的质量忽略不计,可认为质量不变,以经典力学规律足可以应付计算需要.但接近光速运动时,物体质量增加较多,随着向光速的靠近,质量趋向无限大.大小两极相通,质量无限大因两极同一又为无限小,质量无限小可视为零,因此光子无静止质量.光作为极限物,大小同一,动静也同一,无静止质量即为无运动质量.从质速关系式也可得m0=0时,m=0,υ=c时,此公式不成立.有人认为没有质量怎会有能量?须知电磁场为能量场,光量子又是能量子,因光子无质量,任一能量值在与质量对比时都为无限大,因无质量,运动中也不消耗能量,除传递能量给其它物体外,光子能量足以保持其速度不变.
光子无质量为知性所不容,人们到处寻找有质量的根据.有人认为光有光压为有质量表现,但不知光压乃光电效应表现,是光量子、光能转化为电能的表现.也有人引爱因斯坦质能公式：E=mc2（E为能量,m为惯性质量,c为光速）,认为有质量才有能量,这就和前述质速公式冲突,这种冲突说明光作为极限物,独立于两式之外.我们根据另一能量公式：E=hν（E为能量、n为普朗克常数、ν为光频率）可计算出一定频率光之光子能量,使m=hν/c2推导光子潜质量.注意,这里指的是一定能量必对应一定质量,但对光子而言这只是其潜在质量而非实在质量,这就是实验中找不到有质量的光子的原因,潜在质量只说明可以转变为多少质量.如按经典力学观点非认定光有质量,电磁场有质量,真空作为光量子场就要表现出巨大质量,一切有光的场所也会有沉重的质量压力,含有电磁场的粒子质量都需加倍, 引力定律还会使真空形变.推理继续,光越强,质量越大,引力越大,恒星都变成了黑洞,岂不荒谬!电磁场为能量场,引力场为质量场,二者进一步同一才将潜在的质能关系扬弃为真实关系,这却不是本篇所论之题.还有人以光线在引力场中弯曲来证光有质量,有质量的东西才受引力吸引.我们知道,能量为斥力,不受引力作用影响,至于为何会弯曲,以后自会了解.电磁场有能量而无质量,引力场有质量而无能量,实物处二者间而兼有之,我们需再走一段才能真正了解它们.
光速不变的第五解为时空解,时空解源自爱因斯坦相对论.相对论告诉我们,物体高速运动时会发生“尺短钟慢”的现象,这种现象在低速运动中变化极小,可按牛顿力学定律视其无变化,但在高速中变化明显.如沿运动方向取1米的标尺,以地球时间1秒计算,每秒速度在3万公里时,1米为0.995米,1秒为1.01秒；在15万公里时,1米为0.866米,1秒为1.15秒；在29.7万公里时,1米为0.141米,1秒为7.1秒；在29.99万公里时,1米为0.02米,1秒为50秒.当物体运动速度达到光速时,物体沿空间方向的尺度会缩短为零,时间会慢到停止.
类似问题5：光速是不变的吗?[物理科目]
光速是不变的吗?
光速不变原理是由联立求解麦克斯韦方程组得到的,并为迈克尔逊—莫雷实验所证实.光速不变原理是爱因斯坦创立狭义相对论的基本出发点之一.太阳光迈克尔逊——莫雷实验证明：太阳光的光速不变.
迈克尔逊——莫雷实验的依据是：光速＝波长×频率
光波长和频率都是根据光干涉条纹确定的.根据‘杨氏双缝干涉实验’干涉条纹之间的间距,能够独立推算出‘光波长’,自然可确定‘光频率’.
这样推算确定的光波长和频率的乘积为常数,即不同颜色光的波长和频率的乘积相等；而且乘积数值等于检测的‘光速值’；从而充分证明：‘光速＝波长×频率’成立.
迈克尔逊和莫雷通过长期多次分别检测,来自不同方向的阳光的光速,充分证明：阳光的光速不变.理论上讲,麦克斯韦方程组是电磁学的集大成,已经被科学界普遍认可,当然,物理自来就没有绝对真理一说.如果想深入理解,建议参考《电磁学》、爱因斯坦的《系统分析恒星光行差》.