譚老師十分鐘帶你理解“光速不變”

愛因斯坦先生偉大的《相對(duì)論》作為現(xiàn)代物理學(xué)最為重要的理論之一毁渗,至今仍未找到任何能夠反駁它的實(shí)驗(yàn)證據(jù)或者理論依據(jù)胡嘿。它是如此的完美匀谣,然而這一整套的理論都基于一個(gè)很重要的假設(shè)倒信,那就是在人民群眾中獲得很大曝光量的“光速不變”科贬。可以說沒有“光速不變”鳖悠,《相對(duì)論》就會(huì)像一座沒有基石的大廈轟然倒塌榜掌。

那么,什么是“光速不變”呢乘综?很多人理解為:光速是一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最高速度憎账,這個(gè)速度永遠(yuǎn)是每秒30萬公里(為了讀起來方便,取了個(gè)近似值)卡辰。然而“光速不變”遠(yuǎn)沒有這么簡單胞皱,下面譚老師將給大家揭示“光速不變”鮮為人知的一面邪意。

譚老師平時(shí)喜歡隨車帶個(gè)電筒,方便給車開蓋的時(shí)候照亮機(jī)械陰暗的角落反砌。譚老師有兩位飛車黨朋友雾鬼,號(hào)稱全宇宙最快,其飚車速度分別可以達(dá)到每秒15萬公里和29萬公里(地球人暫時(shí)做不到)宴树。于是大家相約來做個(gè)游戲策菜,游戲內(nèi)容就是追光!

首先由譚老師手握電筒向前發(fā)射一束光森渐,這二位朋友立即驅(qū)車向前追趕這束光做入。那么現(xiàn)在問題來了,從這二位的角度來看這束光的速度是多少呢同衣?很多朋友竟块,我想應(yīng)該是絕大部分的吧,應(yīng)該說這個(gè)問題很簡單啊耐齐,利用小學(xué)的知識(shí):光速30萬公里/秒分別減去15萬公里/秒和29萬公里每秒浪秘,答案是15萬公里/秒和1萬公里/秒。

然而正確答案是完全超乎我們想象的埠况,這二位盡管速度很快耸携,但是無論他們速度多塊,在這二位飛車黨看來這束光的速度永遠(yuǎn)是30萬公里/秒!!!這個(gè)聽起來好神奇呀辕翰,明明是同一束光夺衍,大家運(yùn)動(dòng)速度不同,竟然看上去速度都一樣喜命,這個(gè)顯然有違常理啊沟沙。這就有點(diǎn)像我們?cè)诟咚俾飞祥_車,我開得越快壁榕,周圍的車就顯得越慢矛紫,如果我再快點(diǎn),甚至可以超越周圍的車牌里。

然而譚老師要告訴你的是颊咬,光是非常特殊的東西,不論多快你都無法超越光牡辽,你也不可能達(dá)到和光一樣的速度伸手出去抓一束靜止的光在手心喳篇。

那么《相對(duì)論》是如何解釋上述現(xiàn)象呢?那是因?yàn)檫@二位的時(shí)間變慢了态辛,于是在他們看來光速仍舊是每秒30萬公里(下面簡稱光速c)◆锢剑現(xiàn)在大家可以理解《相對(duì)論》為什么會(huì)推導(dǎo)出時(shí)間變慢的公式了吧,因?yàn)橛小肮馑俨蛔儭弊鳛榍疤幔?/p>

說到這里因妙,大家要問了痰憎,為什么光速是不變的呢?為什么要限制光速呢攀涵?會(huì)不會(huì)是外星人限制了我們的光速把我們囚禁在宇宙狹小的范圍內(nèi)铣耘?為什么光速是30萬公里而不是20萬或者100萬呢?啊以故,問題好多蜗细。但是上述問題都可以用一個(gè)公式來回答。

下面我們有請(qǐng)今日的明星--麥克斯韋先生閃亮登場怒详!麥克斯韋一生對(duì)人類最大的貢獻(xiàn)就是麥克斯韋方程組炉媒,具體推導(dǎo)過程非專業(yè)人士是看不懂滴。在這里要給咱的母校電子科大做個(gè)廣告昆烁,電子科大是教麥克斯韋方程組的吊骤!別的學(xué)校基本沒有静尼,我說的是非物理專業(yè)哦白粉。

言歸正傳,麥克斯韋方程組有個(gè)重要的結(jié)論鼠渺,這個(gè)結(jié)論其實(shí)連麥克斯韋他老人家都沒怎么想明白鸭巴,然而就是這個(gè)結(jié)論,奠定了《相對(duì)論》乃至當(dāng)今物理學(xué)的最為重要的基石拦盹。

電磁波傳播速度的公式

以上公式看起來好簡單鹃祖,就三個(gè)字母。但估計(jì)大家除了v是表示速度以外普舆,其他兩個(gè)應(yīng)該不知道是啥意思恬口。下面解釋一下,公式中u(輸入法限制奔害,湊合一下了)是介質(zhì)的磁導(dǎo)率楷兽,E是介質(zhì)的電導(dǎo)率。比如說水华临,我們可以測出水的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率芯杀,然后通過以上公式就可以算出光在水中的傳播速度。

這個(gè)公式看起來平淡無奇雅潭,但其中蘊(yùn)藏著驚天的秘密(不驚天麥克斯韋本人肯定就發(fā)現(xiàn)了)揭厚。磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率我們可以把他們理解為介質(zhì)對(duì)磁場和電場的阻礙作用,阻礙越大扶供,這兩個(gè)值也就越大筛圆,于是電磁波的傳播速度變慢了。

那么在真空中是什么情況呢椿浓?經(jīng)測量太援,真空中磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率并不為0闽晦,我們把他們分別叫做u0和E0,這兩個(gè)值帶入上面的公式可以算出一個(gè)電磁波在真空中的傳播速度提岔,我們把它叫做c仙蛉,沒錯(cuò),就是大名鼎鼎的光速c碱蒙!

很多人認(rèn)為光速c是類似于運(yùn)動(dòng)場上的教練拿著個(gè)秒表測量出來的荠瘪,其實(shí)光速c是計(jì)算出來的,計(jì)算出來的赛惩,計(jì)算出來的哀墓!

以上公式還有一個(gè)秘密,那就是最終計(jì)算出來的光速c是沒有參考系的喷兼,因?yàn)檎婵帐菦]有任何物質(zhì)的地方篮绰,光在真空中傳播不需要任何介質(zhì),那么問題就來了季惯,這個(gè)速度c到底是相對(duì)于誰的速度呢阶牍?在這里,麥克斯韋先生陷入腦崩潰星瘾,無法給出答案走孽。

現(xiàn)在我們有請(qǐng)下一位來賓閃亮登場!愛因斯坦在總結(jié)了前人的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果琳状,最終做出了一個(gè)大膽的假設(shè)磕瓷,光速c不是相對(duì)于某種介質(zhì)的速度,而是相對(duì)于觀察者的速度念逞!舉例來說困食,兩個(gè)人他們分別以不同的速度運(yùn)行,他們都在做測量真空中u0和E0的實(shí)驗(yàn)翎承,最后他們得出c的結(jié)果是完全一致的硕盹。

好了,說到這里叨咖,相信大家對(duì)整體的脈絡(luò)大致有個(gè)了解了吧瘩例?現(xiàn)在譚老師來總結(jié)一下。

我們的世界在真空狀態(tài)下有兩個(gè)常量:磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率甸各,通過這兩個(gè)常量可以計(jì)算出光速c垛贤,通過光速c公式可以升華為光速不變,以此作為基石趣倾,最終推導(dǎo)出相對(duì)論中的時(shí)空穿越等等聘惦。

好吧,看來這一切的基礎(chǔ)都在于真空磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率儒恋。這兩個(gè)值是我們所在宇宙的兩個(gè)常量善绎,或者說是被設(shè)置好的值黔漂。那么會(huì)不會(huì)有個(gè)平行宇宙有不同的設(shè)定呢?或者說有某個(gè)宇宙光速是我們的2倍禀酱?

要回答以上問題瘟仿,我們需要跳出物理學(xué)范疇,進(jìn)入哲學(xué)范疇比勉。因?yàn)檫@些觀點(diǎn)大家分歧就比較大了,所以下面譚老師僅陳述一下自己的觀點(diǎn)驹止。

首先譚老師認(rèn)為我們的宇宙并不是唯一的浩聋,各種各樣的平行宇宙隨時(shí)都在產(chǎn)生和消亡,他們會(huì)具有不同的初始設(shè)定參數(shù)臊恋,也就是不同的真空磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率衣洁,這直接導(dǎo)致了這些宇宙都具有不同的光速c。

現(xiàn)在我們來看看不同的c會(huì)產(chǎn)生什么樣的結(jié)果抖仅,如果減慢光的速度坊夫,只是一點(diǎn)點(diǎn),我們的宇宙就沒有碳元素撤卢;如果加快光的速度环凿,只是一點(diǎn)點(diǎn),我們的宇宙就沒有氧元素放吩。這個(gè)是根據(jù)質(zhì)能公式以及形成炭原子和氧原子的核反應(yīng)公式得出的結(jié)論(這個(gè)不是哲學(xué)智听,是嚴(yán)格的物理公式)。所以說我們宇宙的常量是被精確設(shè)定的渡紫,多一點(diǎn)少一點(diǎn)都不會(huì)有我們?nèi)祟惓霈F(xiàn)到推。

目前有兩個(gè)主流的觀點(diǎn),第一個(gè)觀點(diǎn)是人擇原理惕澎。世界上有很多宇宙莉测,他們具有各種各樣的參數(shù),只有我們這個(gè)宇宙碰巧采用了如此精準(zhǔn)的參數(shù)設(shè)定唧喉,于是我們的宇宙孕育出了智慧生命捣卤,然后就是這些智慧生命開始閑來無聊研究自身所處的宇宙。而其他的宇宙由于參數(shù)不對(duì)八孝,空洞荒蕪腌零,自然不會(huì)有智慧生命產(chǎn)生,也就不會(huì)有人去觀察研究他唆阿。

另外一個(gè)觀點(diǎn)就是設(shè)計(jì)說益涧,我們的宇宙是被更高級(jí)的智慧設(shè)計(jì)出來的,因?yàn)橐磺袇?shù)都設(shè)置的如此完美驯鳖,完美到令人窒息闲询。

具體哪種觀點(diǎn)對(duì)呢久免,這個(gè)譚老師無法給出答案。大家開洞大腦自己想吧扭弧,哈哈哈阎姥。

如果大家覺得譚老師說的還有點(diǎn)道理的話請(qǐng)?jiān)谖恼孪旅纥c(diǎn)個(gè)贊,謝謝鸽捻!

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