英讀廊——光速為什么是不變的培遵?無(wú)論我坐飛機(jī)還是躺床上拿著手電?

很多人都知道在相對(duì)論中登刺,光速被假定為世上最高的速度籽腕,大概在真空環(huán)境下每秒30萬(wàn)公里吧,一般的理論上來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何東西能夠在速度上超越光速(更復(fù)雜的情況我們暫不討論)纸俭。


然而皇耗,相信很多人和我一樣,并沒(méi)有注意到揍很,更令人難以理解的是郎楼,也就是超出我們知識(shí)范圍之外的,與我們學(xué)習(xí)的一般物理課知識(shí)相悖的是:無(wú)論是靜止還是移動(dòng)中窒悔,光速仍然是一個(gè)不變的數(shù)值呜袁,也就是說(shuō),即使我們坐著飛機(jī)甚至是坐在航天飛船上简珠,打開(kāi)手電阶界,光束的速度仍然是一樣的,而更令人驚奇的是,此時(shí)如果有地面上行走的人也打開(kāi)手電膘融,我們同時(shí)觀察這兩束光的速度芙粱,理論上速度仍然是一樣的。奇怪吧氧映?……春畔,我也很奇怪。


下面我們先看一句英語(yǔ):

The faster you go the more time itself slows you down so that the speed of light is able to stay the same.

這句話的意思是說(shuō):你走得越快屯耸,時(shí)間就會(huì)變得越慢拐迁,這樣光速就可以保持不變。


好了疗绣,完成了今天的英語(yǔ)碎片學(xué)習(xí)后线召,我們來(lái)看看相關(guān)的一些解說(shuō)吧。注意多矮,光速最大即使在相對(duì)論中也是一個(gè)假設(shè)缓淹,基于這個(gè)假設(shè),才能推導(dǎo)出今天我們的科學(xué)體系中的很多主要理論塔逃,可是這個(gè)假設(shè)是否可以證明呢讯壶?希望大家慢慢會(huì)有答案,畢竟它是解釋我們所存在的這個(gè)世界的各種法則的基石湾盗。


下面的闡述未必都是真理伏蚊,只是討論而已。我們也不是追求極度嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家格粪,我們只是生活在這個(gè)世上躏吊,去了解一些自然法則的心態(tài)就好了,從哲學(xué)角度去思索也沒(méi)什么問(wèn)題帐萎。

光速不變是經(jīng)典電磁學(xué)可以直接推導(dǎo)得到的結(jié)果比伏,事實(shí)上整個(gè)狹義相對(duì)論都是,主要通過(guò)麥克斯韋方程組和洛倫茲變換推導(dǎo)而來(lái)疆导。如果接受了光速不變這件事情以后赁项,我們只能修改別處的定義了,哪怕再怎么覺(jué)得不合情理澈段。

光速有兩個(gè)含義:一是指物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的極限速度悠菜,是一個(gè)不變量,即不隨參考系變換而變化败富;二是指光在真空悔醋、介質(zhì)中的傳播速度。

應(yīng)該說(shuō)囤耳,一切帶有“信息”的物質(zhì)均不能超過(guò)光速。物體的質(zhì)量就是一種信息,根據(jù)狹義相對(duì)論充择,越接近光速德玫,物體質(zhì)量越大,增加物體動(dòng)能所需的能量約趨于無(wú)窮大椎麦。而光子和中微子均沒(méi)有內(nèi)稟質(zhì)量(內(nèi)稟質(zhì)量是指一個(gè)物體在靜止?fàn)顟B(tài)下的質(zhì)量)宰僧,因此可以光速運(yùn)動(dòng)。理論上只要不帶有任何信息观挎,就可能存在超過(guò)光速的情況琴儿,宇宙誕生初期空間的膨脹就有可能超過(guò)光速。

麥克斯韋方程組是數(shù)學(xué)公式嘁捷,數(shù)學(xué)公式對(duì)于任何坐標(biāo)系都是適用的造成,而麥克斯韋方程組能導(dǎo)出光速,也就是說(shuō)光速對(duì)于任意個(gè)坐標(biāo)系都不變雄嚣,于是愛(ài)因斯坦認(rèn)為光速是不變的晒屎,這一點(diǎn)很沖擊經(jīng)典力學(xué)的傳統(tǒng)思維。然而實(shí)際上缓升,光速不變已經(jīng)接近于哲學(xué)真理鼓鲁,要承認(rèn)它還是驗(yàn)證它都還值得思考和研究。

相對(duì)論也只是假設(shè)光速不變港谊,但無(wú)法回答為什么不變骇吭。用經(jīng)典物理的思維,無(wú)論如何歧寺,就無(wú)法解釋為什么光速不變燥狰。相對(duì)論其實(shí)也是屬于經(jīng)典物理。

光速不變更嚴(yán)格的表述應(yīng)該為成福,真空中的光速不會(huì)隨著參考系的選擇而變化碾局,永遠(yuǎn)保持常數(shù)c,而且也不會(huì)隨著光源的移動(dòng)而變化奴艾。

光沒(méi)有質(zhì)量净当,沒(méi)有慣性,不在慣性系中蕴潦,無(wú)論人是怎么運(yùn)動(dòng)的像啼,光的運(yùn)動(dòng)都不受到人的任何影響,你可以想象光是靜止的潭苞,然后我們整個(gè)世界相對(duì)光在做高速的物理意義上的運(yùn)動(dòng)忽冻,也就是說(shuō)不是光在動(dòng),而且我們自己相對(duì)光在運(yùn)動(dòng)

想象用手來(lái)推箱子此疹,箱子是由原子組成的僧诚,離手越近的原子得到的力越大遮婶,速度也越快,反之則越小湖笨、越慢旗扑。此時(shí)微觀上離手越近的部分質(zhì)量越大,因?yàn)樵痈熬o湊”一些慈省。也就是說(shuō)臀防,速度越大,質(zhì)量越大边败,如果接近光速袱衷,那就沒(méi)人能推得動(dòng)了。而光子是不可分的基本粒子笑窜,它從發(fā)出時(shí)就是全面受力致燥,不適用上面說(shuō)的彈性原理,所以它的速度最快怖侦。

最后再看幾句相關(guān)的英語(yǔ)篡悟,增加這方面的語(yǔ)感吧:

The speed of light is the same speed regardless of how fast your going when you measure it.

光速始終是相同的速度,不管你測(cè)量它的時(shí)候自己速度有多快匾寝。

If you're on Earth or on a spaceship going 90 percent the speed of light and you shine a laser in front of you or your ship its gonna go out the same speed.

如果你在地球上或宇宙飛船上以90%的光速飛行搬葬,你在你或你的飛船前面發(fā)射一束激光,它們是以同樣的速度射出的艳悔。

This sounds wrong because if you throw an object in front of you while your moving surely its speed would be your speed plus it's own speed relative to you, meaning logically the laser from your rocket would be 1.9 the speed of light right?

這聽(tīng)起來(lái)是錯(cuò)誤的急凰,因?yàn)槿绻阍谝苿?dòng)時(shí)把一個(gè)物體扔到你面前,它的速度肯定是你的速度加上它自身相對(duì)于你的速度猜年,這就意味著從邏輯上說(shuō)抡锈,你的火箭發(fā)射的激光的速度是光速的1.9倍,對(duì)嗎乔外?

But light doesn't work light that, it can't because it's the universal constant.

但實(shí)際上這對(duì)光是不適用的床三,光不遵循這個(gè),因?yàn)樗怯钪娉?shù)杨幼。

In addition to time slowing the length of the universe also contracts in a proportion relating to the dilated time both of which add up to keeping everything in the universe under 299,792,458 meters per second.

除了時(shí)間變慢外撇簿,宇宙的長(zhǎng)度也在與膨脹時(shí)間成比例的收縮,兩者加起來(lái)使宇宙中的一切保持在每秒299792458米以下差购。


自己體會(huì)吧四瘫,每秒299792458米即光在真空中的理論速度。

To solve the paradox, time must be relative!

要解決這個(gè)悖論欲逃,時(shí)間必須是相對(duì)的找蜜!

Time inside the ship appears to be slowed down to the person on the ground, and conversely everyone outside the ship looks like they're running around like ants to the people inside.

對(duì)于地面上的人來(lái)說(shuō),船內(nèi)的時(shí)間似乎變慢了稳析,相反地洗做,對(duì)于船內(nèi)的人來(lái)說(shuō)弓叛,船外的每個(gè)人都像螞蟻一樣四處奔跑。

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