光速不变的原因是什么?

加拿大的一颗中国心


光速不变原理实质是光是真空介质电磁波,不是实物粒子。

所以光源发出的光(电磁)波一旦进入真空,其传播速度就与光源的运动速度无关了,只与光在真空中传播速度有关,而光波在真空中的传播速度是只与真空介质性质有关,这就是麦克斯韦方程解出真空速度,c=(ε0μ0)-½。如果时空是平直的,真空介质密度(ε0、μ0两个常数不变)也是恒定的,所以光速也是恒定的。真空无物质质量,所以真空介质的振动频率范围是任意的,所以真空介质振动传播也就是光的传播速度也是宇宙中最快的。光不是粒子,是真空介质波,所以我们不能将光看作质点在移动,而是真空介质振动能量在传播。

虽然光速与观察者运动速度无关,但是观察到的光的频率与光源和观察者之间的运动速度有关,这就是多普勒效应。

真空介质并非是迈克尔逊-莫雷实验观测的所谓“以太”,真空介质其实是宇宙空间的本身,根据爱因斯坦的广义相对论,空间是非常坚硬的东西,只有质量巨大的天体能将空间压弯。地球这样的运动速度很难将真空介质压缩,除非接近光速运动才可以看到效果。

能将真空介质压缩的就是黑洞、太阳等质量巨大的天体,在这些天体外围真空介质被巨大的引力压缩,导致真空介质密度增加,根据c=(ε0μ0)-½,实际效果也就是光速降低、空间的折射率增加,光线在接近这些天体附近就会弯曲,形成一个空间凸透镜效应。


维度开拓者


如果我告诉你“光速不变原理”是一种假设,你信吗?

别不信,还真是假设!

首先说明一点,这里的“光速不变”并不是指光速在真空中的传播速度为30万公里每秒,而是指相对于任何惯性参考系,光速始终都是30万公里每秒!

说白了,无论你是什么运动状态,无论发出光的光源是什么运动状态,光速都不变。比如说假如你能光速飞行离我二去,静止的我看到你身上发出的光速仍旧是光速,而不是2倍光速!

但是在爱因斯坦的狭义相对论之前,牛顿的经典力学告诉我们确实是2倍光速,不过如果是这样,又违反了麦克斯韦关于电磁波的描述,它指出电磁波始终是运动的!

当时很多人都百思不得其解,爱因斯坦同样如此。

而光也是一种电磁波,而波的传播需要介质(当时的观点),“以太”的概念便出现了。但之后迈克尔逊-!莫雷的实验证明光速始终稳定在一个固定值。

很多科学家试图用各种方法证明实验的错误,不过爱因斯坦的想法不同寻常。万事万物需要简易性(奥卡姆剃刀原理)让爱因斯坦联想到,既然没有任何实验证明“以太”的存在,我们干嘛非要证明迈克尔逊实验的错误呢?

用一种最简易的方式,爱因斯坦认为,之所以无法证明“以太”的存在,是因为以太根本就不存在!光的传播不需要任何介质!

但是如果不需要介质也能传播,麦克斯韦方程组告诉我们光速是30万公里每秒,如果没有参照系作为标准,这个速度是怎么来的呢?

爱因斯坦告诉我们,光速不需要任何参照系,相对任何物体光速都是不变的,都是光速!

正是基于光速不变,才会有爱因斯坦伟大的狭义相对论中关于时间和空间的变化!因为光速不变,必然有其他东西发生变化,它们就是时间和空间,时间和空间是相对的!

所以说,光速不变原理是一种假设,你也可以认为是公理,公理不需要证明,它可以推导出其他定律,比如狭义相对论!

就好比“两点之间直线最短”这个公理,不需要证明,你扔一根骨头,狗都知道沿着直线去追骨头,这就是最好的证明!


宇宙探索


这个问题似乎触及了物理学的一些更深层次的内容了,答案在一定程度上可以认为这是我们的宇宙时空所特有的属性。


光速不变原理说的是——在真空中,光速对于任何观察者来说都相同的,它是一个常数,即299792458m/s。

这意味着光速不受限于参考系,它不满足牛顿力学里速度相加原理,即光速不会因为光源在运动,而运动方向上的光速会加上运动速度,这对于光来说不成立。


但光速为什么不变,在目前的物理学还不足以解释内在机制,这有点像在问为什么1+1=2一样。

我们可以给这样的问题各种哲学形式上的解释,但都只能说个大概,并不能准确回答。

这样一来,我们可以认为光速是无数实验的测量结果,它的结果没有原因。

或者说,我们现在还不知道原因。


解释一样东西,你必须依赖其他已经被认为对的东西,这些其他的东西在科学的底层我们形象地称为公理。

公里不需要证明,它看上去可以认为是我们的大胆假设,可以作为工具解释其他理论,而光速不变原理更像是一条这样的公理。

它可以解释其他东西,但没有其他理论可以解释它的本质。

或许有那么一天,我们能发现更底层的“公理”,这样就能解释光速不变的原因了,但至少现在没有哪条理论能解释的。


麦克斯韦方程组也只能解出这么一个答案,并不知道答案为什么这样。


挡不住的熵增


在狭义相对论中,无论在各种参考中观察,光在真空中传播的速度都是一个常数,并不会随着光源和观察者的相对运动而改变。

光速不变原理首先是由联立麦克斯韦方程组得到的,后来被迈克尔逊莫雷用实验证实,再后来爱因斯坦的狭义相对论引入了光速不变原理这一假设,如果光速是变化的话,那么相对论也就不能成立。

在广义相对论中,爱因斯坦更是引入了广义相对性原理,也就是物理原理在一切参考系中都是不变的,这也使得光速不变原理可以应用到所有的参考系中。这也就是说,无论在任何参考系中,光速都是恒定不变的。

实际上由于地球自转的原因,如果按照经典物理学的思路来想,地球的不同位置的太阳光的光速应该是不同的,但是现实情况是无论在哪个位置,无论沿着哪个方向去测量,光速都是一个固定的值。

光速为什么不变很难说得清楚,只能说我们所处的这个宇宙,处处都是平等的。光的本质是电磁波,不像声波一样需要通过介质进行传播,光的传播不需要任何介质就可以进行,声波在真空中不可以传播,但是光在真空中也可以传播,可以说整个宇宙空间就是光传播的介质。


爱因斯坦年轻的时候曾经思考过一个问题:如果人的脚步赶上光的速度的话会怎么样呢?爱因斯坦知道麦克斯韦方程组不允许出现这种结果,于是他在1905年提出的狭义相对论里解决了这个问题,那就是对于恒定速度运行的观察者而言,无论他运动的速度是多少,物理原理以及光速都是一样的。光速不变原理已经被多项实验所证实了,理解光速不变不能凭借经典物理学知识,如果光速可以变的话,那么将会动摇相对论的根基。


镜像宇宙


光速不可能是不变的!目前支撑光速不变的所有证据均是不牢靠的!首先,MM实验是在地表大气层内完成的,实验中的光均是在大气层内运动的,按照波在介质中的运动规律,光在大气层内的运动速度仅相对大气层速度恒定,而实验装置与大气层可视为相对静止,因此,光相对实验装置的速度也恒定。因此,实验结果当然是干涉条纹无移动!其次,天顶处天体的光行差相等也是因为观测是在地表大气层内完成的。第三,可以证明:所有在大气层内的实测光速都只是大气层内的,不代表真空中会相对光源运动时的光速。同时,干涉仪是不可能检测出光速的差异的。因为光经过三棱镜分频后的透射光已经不是原来的入射光的速度、运动方向和频率了。虽然差异较小,但毕竟不同了。也就是通过三棱镜的光只相对三棱镜速度恒定,也就是相对实验装置速度恒定。因此,无法检测出光速的变化。为此,本人设计了《基线法实测光速实验方案》,有兴趣者欢迎提出宝贵意见:


彭晓韬


光速不变不是公理,它可以由下面三条假设推出:

1. 假设我们不知道速度能否线性相加

2. 假设物理定律不以观察者的位置、方向以及速度有关

3. 假设不同观测者之间的坐标可以相互转换

符合上述三条假设的唯一坐标变换公式是洛伦兹Lorentz变换:


在推导Lorentz版本的麦克斯韦Maxwell方程的过程中,会用到Lorentz变换里的常数c。而且当c = ∞时,Lorentz变换会退化成伽利略Galilean变换。而电磁力在Galilean变换下会因为观测者的不同而改变,所以c = ∞不可能成立:

c必须是一个有限的数!

另外在推导Maxwell的过程之中,这个c是有具体的物理意义的,它表示的就是电磁波的传播速度。

注意直到现在,我们都没有对光的速度做任何假设。我们仅仅通过3个基本假设推导出c必须有限、另外从Maxwell方程得到c的数值,它刚好等于光传播的速度。

实际上,c是所有信息传递的速度极限、也是任何观测者看到信息传递的速度极限。

c首先表示的是信息传递的速度、其次才是光的速度。

所有无质量的粒子传播的速度都是c:引力波、光子、胶子等。


如果c = ∞呢?

1. 物质将不复存在:因为m=E / c²,质量可以看成是能量的表现形式,无限大的c需要无限大的能量来产生质量

2. 于是时空spacetime也将不复存在

3. 因为传播速度无限大,所有信息会同时存在在所有地方、没有前后顺序、没有因果联系


https://youtu.be/msVuCEs8Ydo

https://youtu.be/1YFrISfN7jo

https://youtu.be/Xo232kyTsO0

https://goo.gl/FN6LGF


Alpha阿發


光速不变是我们宇宙的时空结构决定的。

光速:299792458 米/秒

这里面米是空间位移长度,秒是时间位移长度。空间位移是在三个维度上的总位移量,我们把这三个空间维定义为三个互相垂直的坐标轴:x、y、z,根据坐标关系可知,当空间位移长度固定为299792458米时,在x轴上位移越大,在y、z轴上的位移就会相对变小,这是很容易理解的。

而时间只有一个维度,所以时间位移长度就是在这一个维度上的位移量。我们知道相对论统一了四维时空,时间是垂直于所有空间维的一个额外维度。所以我们在前面的坐标系上增加一个坐标轴t,那么同样根据上面的推论,当我们在x、y、z上位移越大,在t轴上位移越小。由于空间三个维度是可以统一计算的,所以我们就得到

在空间上位移越大,在时间上位移越小。而根据相对论得知,在光速下时间维度位移为0,所以我们就得到空间位移的一个定值,并且是一个极限值:299792458米。

你可能发现,这个计算有一个前提,就是在整体时空里,位移需要是一个定值,没错,这个定值就是光速,至于为什么是这个定值,不知道┐(´-`)┌只能说一切运动都是相对的,没有任何物体的运动可作为绝对参考,所以所有物体在时空里的运动(位移)都是相同的,不然我们就会找到一个速度最低的绝对参照。既然所有物质在时空里位移都相同,那么它就必然是一个定值,而我们所处的时空里,这个定值就是光速。而我们看到的不同物体不同的速度只是这个定值在时间和空间上的分量产生的比值不同。


星宇飘零2099


我们知道爱因斯坦提出的相对论基于的就是光速不变,那么为什么就认定是光速恒定呢?

从麦克斯韦的电磁方程组,联立可以知道:

由于根号下的数值都是确定的值,μ0、ε0都是常数定值,分别是真空磁导率、真空介电常数。所以推导出来的光速C自然也应该是个确定的数值。

后来,又确定了光速在任意一个参考系中都是恒定的,适用于惯性参考系的狭义相对论诞生。

光速不是通过测量得出来不变的,事实上,到现在为止,人类还无法测量出最为精确的数值,还存在着极其微小的误差,但相比较以往还是非常精确的了。

时间与空间是相对的,是爱因斯坦狭义相对论里提到的内容,也就是钟慢尺缩效应,有兴趣的朋友可以了解一下,蛮有意思的。

个人浅见,欢迎评论!


科幻船坞


光速为啥不变?这个问题很少有正确回答,而且都不知道真正的原因。

空间其实有无穷无尽的微小通道组成,而光通过微小通道自然而然由于毛细现象被加速,光速是空间管道加速而成,快不了,慢不来。那么什么比光速更加快呢?有没有比光速快的物质存在呢?

答案是肯定有的,比光粒子更加微小的超微子,人们可能无法探测到,如果可以探测到,那么可以解开空间构成的秘密,和时间存在的原理了。

宇宙奥秘无穷,光速毛细加速定理是宇宙常识,现在普及一下,扫扫盲。



清请情感


这就是原因。



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