光速不變的原因是什麼?

加拿大的一顆中國心


光速不變原理實質是光是真空介質電磁波,不是實物粒子。

所以光源發出的光(電磁)波一旦進入真空,其傳播速度就與光源的運動速度無關了,只與光在真空中傳播速度有關,而光波在真空中的傳播速度是隻與真空介質性質有關,這就是麥克斯韋方程解出真空速度,c=(ε0μ0)-½。如果時空是平直的,真空介質密度(ε0、μ0兩個常數不變)也是恆定的,所以光速也是恆定的。真空無物質質量,所以真空介質的振動頻率範圍是任意的,所以真空介質振動傳播也就是光的傳播速度也是宇宙中最快的。光不是粒子,是真空介質波,所以我們不能將光看作質點在移動,而是真空介質振動能量在傳播。

雖然光速與觀察者運動速度無關,但是觀察到的光的頻率與光源和觀察者之間的運動速度有關,這就是多普勒效應。

真空介質並非是邁克爾遜-莫雷實驗觀測的所謂“以太”,真空介質其實是宇宙空間的本身,根據愛因斯坦的廣義相對論,空間是非常堅硬的東西,只有質量巨大的天體能將空間壓彎。地球這樣的運動速度很難將真空介質壓縮,除非接近光速運動才可以看到效果。

能將真空介質壓縮的就是黑洞、太陽等質量巨大的天體,在這些天體外圍真空介質被巨大的引力壓縮,導致真空介質密度增加,根據c=(ε0μ0)-½,實際效果也就是光速降低、空間的折射率增加,光線在接近這些天體附近就會彎曲,形成一個空間凸透鏡效應。


維度開拓者


如果我告訴你“光速不變原理”是一種假設,你信嗎?

別不信,還真是假設!

首先說明一點,這裡的“光速不變”並不是指光速在真空中的傳播速度為30萬公里每秒,而是指相對於任何慣性參考系,光速始終都是30萬公里每秒!

說白了,無論你是什麼運動狀態,無論發出光的光源是什麼運動狀態,光速都不變。比如說假如你能光速飛行離我二去,靜止的我看到你身上發出的光速仍舊是光速,而不是2倍光速!

但是在愛因斯坦的狹義相對論之前,牛頓的經典力學告訴我們確實是2倍光速,不過如果是這樣,又違反了麥克斯韋關於電磁波的描述,它指出電磁波始終是運動的!

當時很多人都百思不得其解,愛因斯坦同樣如此。

而光也是一種電磁波,而波的傳播需要介質(當時的觀點),“以太”的概念便出現了。但之後邁克爾遜-!莫雷的實驗證明光速始終穩定在一個固定值。

很多科學家試圖用各種方法證明實驗的錯誤,不過愛因斯坦的想法不同尋常。萬事萬物需要簡易性(奧卡姆剃刀原理)讓愛因斯坦聯想到,既然沒有任何實驗證明“以太”的存在,我們幹嘛非要證明邁克爾遜實驗的錯誤呢?

用一種最簡易的方式,愛因斯坦認為,之所以無法證明“以太”的存在,是因為以太根本就不存在!光的傳播不需要任何介質!

但是如果不需要介質也能傳播,麥克斯韋方程組告訴我們光速是30萬公里每秒,如果沒有參照系作為標準,這個速度是怎麼來的呢?

愛因斯坦告訴我們,光速不需要任何參照系,相對任何物體光速都是不變的,都是光速!

正是基於光速不變,才會有愛因斯坦偉大的狹義相對論中關於時間和空間的變化!因為光速不變,必然有其他東西發生變化,它們就是時間和空間,時間和空間是相對的!

所以說,光速不變原理是一種假設,你也可以認為是公理,公理不需要證明,它可以推導出其他定律,比如狹義相對論!

就好比“兩點之間直線最短”這個公理,不需要證明,你扔一根骨頭,狗都知道沿著直線去追骨頭,這就是最好的證明!


宇宙探索


這個問題似乎觸及了物理學的一些更深層次的內容了,答案在一定程度上可以認為這是我們的宇宙時空所特有的屬性。


光速不變原理說的是——在真空中,光速對於任何觀察者來說都相同的,它是一個常數,即299792458m/s。

這意味著光速不受限於參考系,它不滿足牛頓力學裡速度相加原理,即光速不會因為光源在運動,而運動方向上的光速會加上運動速度,這對於光來說不成立。


但光速為什麼不變,在目前的物理學還不足以解釋內在機制,這有點像在問為什麼1+1=2一樣。

我們可以給這樣的問題各種哲學形式上的解釋,但都只能說個大概,並不能準確回答。

這樣一來,我們可以認為光速是無數實驗的測量結果,它的結果沒有原因。

或者說,我們現在還不知道原因。


解釋一樣東西,你必須依賴其他已經被認為對的東西,這些其他的東西在科學的底層我們形象地稱為公理。

公里不需要證明,它看上去可以認為是我們的大膽假設,可以作為工具解釋其他理論,而光速不變原理更像是一條這樣的公理。

它可以解釋其他東西,但沒有其他理論可以解釋它的本質。

或許有那麼一天,我們能發現更底層的“公理”,這樣就能解釋光速不變的原因了,但至少現在沒有哪條理論能解釋的。


麥克斯韋方程組也只能解出這麼一個答案,並不知道答案為什麼這樣。


擋不住的熵增


在狹義相對論中,無論在各種參考中觀察,光在真空中傳播的速度都是一個常數,並不會隨著光源和觀察者的相對運動而改變。

光速不變原理首先是由聯立麥克斯韋方程組得到的,後來被邁克爾遜莫雷用實驗證實,再後來愛因斯坦的狹義相對論引入了光速不變原理這一假設,如果光速是變化的話,那麼相對論也就不能成立。

在廣義相對論中,愛因斯坦更是引入了廣義相對性原理,也就是物理原理在一切參考系中都是不變的,這也使得光速不變原理可以應用到所有的參考系中。這也就是說,無論在任何參考系中,光速都是恆定不變的。

實際上由於地球自轉的原因,如果按照經典物理學的思路來想,地球的不同位置的太陽光的光速應該是不同的,但是現實情況是無論在哪個位置,無論沿著哪個方向去測量,光速都是一個固定的值。

光速為什麼不變很難說得清楚,只能說我們所處的這個宇宙,處處都是平等的。光的本質是電磁波,不像聲波一樣需要通過介質進行傳播,光的傳播不需要任何介質就可以進行,聲波在真空中不可以傳播,但是光在真空中也可以傳播,可以說整個宇宙空間就是光傳播的介質。


愛因斯坦年輕的時候曾經思考過一個問題:如果人的腳步趕上光的速度的話會怎麼樣呢?愛因斯坦知道麥克斯韋方程組不允許出現這種結果,於是他在1905年提出的狹義相對論裡解決了這個問題,那就是對於恆定速度運行的觀察者而言,無論他運動的速度是多少,物理原理以及光速都是一樣的。光速不變原理已經被多項實驗所證實了,理解光速不變不能憑藉經典物理學知識,如果光速可以變的話,那麼將會動搖相對論的根基。


鏡像宇宙


光速不可能是不變的!目前支撐光速不變的所有證據均是不牢靠的!首先,MM實驗是在地表大氣層內完成的,實驗中的光均是在大氣層內運動的,按照波在介質中的運動規律,光在大氣層內的運動速度僅相對大氣層速度恆定,而實驗裝置與大氣層可視為相對靜止,因此,光相對實驗裝置的速度也恆定。因此,實驗結果當然是干涉條紋無移動!其次,天頂處天體的光行差相等也是因為觀測是在地表大氣層內完成的。第三,可以證明:所有在大氣層內的實測光速都只是大氣層內的,不代表真空中會相對光源運動時的光速。同時,干涉儀是不可能檢測出光速的差異的。因為光經過三稜鏡分頻後的透射光已經不是原來的入射光的速度、運動方向和頻率了。雖然差異較小,但畢竟不同了。也就是通過三稜鏡的光只相對三稜鏡速度恆定,也就是相對實驗裝置速度恆定。因此,無法檢測出光速的變化。為此,本人設計了《基線法實測光速實驗方案》,有興趣者歡迎提出寶貴意見:


彭曉韜


光速不變不是公理,它可以由下面三條假設推出:

1. 假設我們不知道速度能否線性相加

2. 假設物理定律不以觀察者的位置、方向以及速度有關

3. 假設不同觀測者之間的座標可以相互轉換

符合上述三條假設的唯一座標變換公式是洛倫茲Lorentz變換:


在推導Lorentz版本的麥克斯韋Maxwell方程的過程中,會用到Lorentz變換裡的常數c。而且當c = ∞時,Lorentz變換會退化成伽利略Galilean變換。而電磁力在Galilean變換下會因為觀測者的不同而改變,所以c = ∞不可能成立:

c必須是一個有限的數!

另外在推導Maxwell的過程之中,這個c是有具體的物理意義的,它表示的就是電磁波的傳播速度。

注意直到現在,我們都沒有對光的速度做任何假設。我們僅僅通過3個基本假設推導出c必須有限、另外從Maxwell方程得到c的數值,它剛好等於光傳播的速度。

實際上,c是所有信息傳遞的速度極限、也是任何觀測者看到信息傳遞的速度極限。

c首先表示的是信息傳遞的速度、其次才是光的速度。

所有無質量的粒子傳播的速度都是c:引力波、光子、膠子等。


如果c = ∞呢?

1. 物質將不復存在:因為m=E / c²,質量可以看成是能量的表現形式,無限大的c需要無限大的能量來產生質量

2. 於是時空spacetime也將不復存在

3. 因為傳播速度無限大,所有信息會同時存在在所有地方、沒有前後順序、沒有因果聯繫


https://youtu.be/msVuCEs8Ydo

https://youtu.be/1YFrISfN7jo

https://youtu.be/Xo232kyTsO0

https://goo.gl/FN6LGF


Alpha阿發


光速不變是我們宇宙的時空結構決定的。

光速:299792458 米/秒

這裡面米是空間位移長度,秒是時間位移長度。空間位移是在三個維度上的總位移量,我們把這三個空間維定義為三個互相垂直的座標軸:x、y、z,根據座標關係可知,當空間位移長度固定為299792458米時,在x軸上位移越大,在y、z軸上的位移就會相對變小,這是很容易理解的。

而時間只有一個維度,所以時間位移長度就是在這一個維度上的位移量。我們知道相對論統一了四維時空,時間是垂直於所有空間維的一個額外維度。所以我們在前面的座標系上增加一個座標軸t,那麼同樣根據上面的推論,當我們在x、y、z上位移越大,在t軸上位移越小。由於空間三個維度是可以統一計算的,所以我們就得到

在空間上位移越大,在時間上位移越小。而根據相對論得知,在光速下時間維度位移為0,所以我們就得到空間位移的一個定值,並且是一個極限值:299792458米。

你可能發現,這個計算有一個前提,就是在整體時空裡,位移需要是一個定值,沒錯,這個定值就是光速,至於為什麼是這個定值,不知道┐(´-`)┌只能說一切運動都是相對的,沒有任何物體的運動可作為絕對參考,所以所有物體在時空裡的運動(位移)都是相同的,不然我們就會找到一個速度最低的絕對參照。既然所有物質在時空裡位移都相同,那麼它就必然是一個定值,而我們所處的時空裡,這個定值就是光速。而我們看到的不同物體不同的速度只是這個定值在時間和空間上的分量產生的比值不同。


星宇飄零2099


我們知道愛因斯坦提出的相對論基於的就是光速不變,那麼為什麼就認定是光速恆定呢?

從麥克斯韋的電磁方程組,聯立可以知道:

由於根號下的數值都是確定的值,μ0、ε0都是常數定值,分別是真空磁導率、真空介電常數。所以推導出來的光速C自然也應該是個確定的數值。

後來,又確定了光速在任意一個參考系中都是恆定的,適用於慣性參考系的狹義相對論誕生。

光速不是通過測量得出來不變的,事實上,到現在為止,人類還無法測量出最為精確的數值,還存在著極其微小的誤差,但相比較以往還是非常精確的了。

時間與空間是相對的,是愛因斯坦狹義相對論裡提到的內容,也就是鐘慢尺縮效應,有興趣的朋友可以瞭解一下,蠻有意思的。

個人淺見,歡迎評論!


科幻船塢


光速為啥不變?這個問題很少有正確回答,而且都不知道真正的原因。

空間其實有無窮無盡的微小通道組成,而光通過微小通道自然而然由於毛細現象被加速,光速是空間管道加速而成,快不了,慢不來。那麼什麼比光速更加快呢?有沒有比光速快的物質存在呢?

答案是肯定有的,比光粒子更加微小的超微子,人們可能無法探測到,如果可以探測到,那麼可以解開空間構成的秘密,和時間存在的原理了。

宇宙奧秘無窮,光速毛細加速定理是宇宙常識,現在普及一下,掃掃盲。



清請情感


這就是原因。



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