獨創性的思想實驗:邏輯上也能證明光速不變原理,簡單得超乎想象

一、詭異的光速不變原理

首先在這裡應該先簡單介紹一下光速不變原理。愛因斯坦認為,光速在真空中是恆定的,不會隨著觀察者的運動狀態的改變而改變。什麼意思呢?就是說,假設你沿著一道光以任何速度去追那道光,你會發現光相對你的速度一直都是那個固定的30萬千米每秒。就算你以光速去追它也追不上。

獨創性的思想實驗:邏輯上也能證明光速不變原理,簡單得超乎想象

這和我們的常識相悖:假設甲在一輛足夠長的火車上,火車自西向東相對地面以10米每秒的速度運動,甲在火車上相對火車以5米每秒的速度自西向東跑,那麼此時站在地面上的乙觀察甲時,他會發現甲以15米每秒的速度自西向東運動;而如果甲在車上以10米每秒的速度自東向西運動時,乙會發現甲一直在原地踏步,這個相信大家都能理解。也就是說對於在車上的觀察者和在地面上的觀察者來說,甲的速度是會變化的。伽利略速度合成公式,這叫伽利略速度合成。

獨創性的思想實驗:邏輯上也能證明光速不變原理,簡單得超乎想象

你可能會覺得我胡說,但科學家做的各種實驗都告訴我們光速不變是正確的。

二、不一樣的太陽

現在我用一種人類最常見,而又直觀的方式說明真空中的光速不隨光源或觀察者運動速度而改變。這有點像當年伽利略思考兩個重量不同的物體下落速度一樣快的結論時進行的思想實驗。

從亞里士多德、阿基米德、伽利略、牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦到霍金,誰沒有見過太陽?有誰見過不一樣的太陽?沒有!

但是,我認為,我們看到運動的太陽(包括恆星)在天空中運動保持圓球形,就可以證明光速是恆定的,不隨光源運動速度而改變。比起邁克爾遜——莫雷實驗是不是更高明?

我們知道,太陽是一個以氫元素為主要成分的等離子體。太陽通過氫核聚變為氦釋放核能,核能電離太陽對流區、色球、光球和日冕等離子體電子到高能態,而等離子體通過電子再由高能態躍遷回低能態而發光。所以,太陽光主要是四面八方高速運動著的被電離的各種元素的原子或離子作為光源,在電子向原子或離子電子低能級軌道躍遷過程中釋放光子而發光。

由此可見,發光原子或離子非常高的運動速度v和它向四面八方輻射的光子光速c存在一個速度合成問題!可能在進行更進一步的討論之前我們要先了解一下伽利略速度合成公式:

同樣的,按照經典速度的伽利略速度合成公式,我們假設發光原子或離子輻射的光子相對躍遷的電子來說速度是c,電子本身的速度是v,那麼我們地球上的觀察者觀察到的光速應該介於v±c之間。(經過實驗,v要略小於c)

這會導致一個現象,那就是太陽同一時刻發出的光,有的僅僅需要4分鐘先到達地球被我們看見,有的晚到幾個小時甚至更長時間後到達地球被我們看見。也就是說,對於同一位置,我們可以持續很長時間看到太陽光,這樣,太陽在天空中運動的光像不應該是圓球形的,而應該是一個長長的光柱(或光帶),就像彗星一般。所以,太陽在地球上看起來不是圓球形的!

獨創性的思想實驗:邏輯上也能證明光速不變原理,簡單得超乎想象

因為光速小了,我們會看到滯後的太陽光

事實上,並非如此,這說明,發光原子或粒子的光速v與它向四面八方輻射的光子速度c的合成法則不遵守經典力學的伽利略速度合成的平行四邊形法則,使光速間於v±c之間。

現在,光速只有兩個選擇,要麼光速為無窮大,要麼光速為常數不變。

當然,我們又知道光具有波動性,有干涉和衍射等現象,水中的光速比空氣中的慢!能比較快慢就說明光是以有限速度傳播的,因為無窮大的光速是不能比較快慢的!能不能說兩個無窮大誰大誰小的問題。

這樣,我們就會得到一個結論,在太陽和地球之間的真空中,光速傳播速度最快。而且是以恆定的速度c向四面八方傳播的。

這是一個的思考中想到的論據。而這種證據在現實生活中也有很多:我們關燈時,燈光是同時消失的。同樣的道理,假設光速可變,如果躍遷的電子速度方向與光速方向相反的話,會導致光速大大降低,從而使我們熄燈後要等很小一段時間燈才能完全熄滅。這同樣與我們的生活經驗相悖。

歡迎各位網友批評指正。


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