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如果光速会变,并不绝对,物理学将一夜回到400年前

2020-08-31新闻10

如果现在有有利的证据证明光速并非是恒定不变的,光速是相对的,那么科学会倒退回三四百年前,回到牛顿,甚至是伽利略之前。光速是人类对时间、空间、信息、能量理解的一把钥匙,这把钥匙的特殊性就是光速绝对的。

麦克斯韦放出大瓜

19世纪,麦克斯韦创造了继牛顿之后又一神作,统一了电磁学,他用简单又漂亮的四个方程描述了所有电与磁的现象,何为电磁?变化的电会生磁,变化的磁会生电,然后它们就相互相生到永远,这个东西就称为电磁波,可见光属于电磁波。

电磁波的一切,方程皆可解,一解不要紧,竟然出现了一个大瓜:电磁波的波速竟然是个常数,只与两个常数(介电常数和磁常数)有关,就是下面这样。

为何这是个大瓜?你可以仔细回忆一下,一般情况我们求速度,要么会有时间、路程,要么会有速度A、速度B、加速度,一顿加减乘除,然后得到另一个速度。在这两种情况中,路程其实就代表着相对(马路、空间中的两点等等)运动,要不就是相对于A人(速度A),或者B车(速度B),总之就是伽利略告诉我们的速度都是相对的,就像我在火星上看地球躺在床的你速度很快,不是你快而是地球公转速度快,所以你看起来快。而相对于你妈,她会认为你瘫在床上一动不动,视角不同,速度就不同。理解了这点,大瓜就出来了。问:光速是相对于谁的?

你会发现光速没有以上那些参照条件,只有电与磁在空间中的性质,真空光速299792458m/s。科学家一看这是新题型呀,不会做怎么办?科学的方法先假设(猜),然后实验论证,实际上能猜的方向并不多,靠谱的只有两个。

最容易想到的是光源,比如手电筒一按按钮,光相对于手电筒以光速飞出。这个方案很快就被打脸,最简单的例子就是宇宙中现成的双星系统,两颗恒星互相旋转(星光)跳跃,我不停歇!

假设两颗恒星速度为u,那么A星走到离我们最近的点时速度为(c+u),B星离我们最远的时候远去的速度是(c-u)。当双星系统离我们足够远,即使u不是很大,不同星光到达地球会出现滞后,由于太过遥远双星系统会呈现模糊的一团光,然而科学家对着天空一顿找,发现所有的双星系统都不管距离多远都是清清楚楚的两颗星。光速相对于光源就被pass了,那么答案会是另外一个吗?要是那么简单就不是瓜了,也没爱因斯坦什么事。

波必须有介质吗?

一说到波,我们最先能想到的就是水波,科学家也是这么想的,这就是第二条路子。我们思考两件事,蜻蜓点水会泛起涟漪,由中心逐渐向外扩散,水面是上下起伏振动,层层把波传递出去,就像潮起潮落,并非是太平洋中心的海水,横跨半个太平洋,就为了跑过来拍在沙滩上。被拍在沙滩上的水,只是沙滩边上被“挤”出来的水。水对于水波来说只是传输的介质,并非传播的物质,实际上波传播的是潮汐能,介质只是在上下振动。

再说例子,你在操场对面,冲着我喊一嗓子,我接收到了你的信息,这是声波通过空气振动传播,而非你一嗓子把你那边的空气吹到我这边来,空气本身并不会因为声波而移动,它也只是介质。

于是,科学家想当然认为光波传递必然有介质。传播的介质先叫“以太”(源于古希腊哲学家亚里士多德,这里不赘述了),以太就是光波的参照物。

我们能看见满天星光,因此以太应该充斥着整个宇宙。以太密度也应该很低,因为我们根本感觉不到它,也应该很硬,因为光速很快,越硬的介质传播速度越快,就像声音水中快,空气慢。很显然,这两者是相矛盾的。以太会摧毁400年物理学

还有一个非常大的问题,如果以太充斥在整个宇宙中,与空间平权,那么以太不就处于绝对静止状态了。换句话说:一切事物只要相对于以太静止就是绝对静止。如果是这样的话,物理学从伽利略开始就崩盘了。

匀速直线运动的船上有个房间没有窗户,岸边也有相同的房间。你一觉醒来发现自己在这样房间中,即使给你一切工具,只要看不到外界,哪怕是朝各个方向扔小球,你也无法辨别自己到底是处于船上,还是岸边的房间中。

再比如:如果没有太阳、月亮、一切星光,你能确信地球在动吗?

伽利略的相对论意思就是静止和匀速是一回事,除非你能感受到外界事物,产生相对性。

回到上面,如果相对于以太静止就是绝对静止,那么静止和匀速运动就不是一回事了。因为你可以在房间内向各处射出几道灯光,如果光相对于以太运动,船也在相对于以太运动,那么光与船就会出现相对速度,一旦发现船中各个方向光速不一,那么就可以证明你在船上,不在岸边房间中,那么伽利略的相对论就废了,后面人类400年的科学发展,从牛顿到杨振宁都废了,诺贝尔奖就是个笑话。

就在大家一筹莫展、还在寻找以太的时候,爱因斯坦跳出来了说:为什么非要给光速找对象,如果光速是绝对的,不需要介质,那么一切问题迎刃而解,而且更多难以解决的问题,也能解决了。

当然,爱因斯坦是有所依据的,那就是迈克尔逊莫雷实验证实了以太不存在,原理和船上开手电筒是一个原理,无论船如何运动,光速始终都是一致的,下面就是实验原理:

爱因斯坦基于光速不变原理发表了《狭义相对论》,质能方程,《广义相对论》,还有《光电效应》开启了量子力学,并且得到了大量实验的验证,更加坚定了光速恒定不变。2012年量子力学才真正正面回答了光速为何不变的原因。光速不变的真正原因

万物都由比质子、中子更小的粒子构成,例如电子、夸克、胶子等等,物理学称之为基本粒子。

这些粒子之间会产生相互作用,从而形成原子核、原子、分子、物质。用量子场来描述相互作用:物质的一切质量都源于在不同“场”中获得的能量。

一开始科学家认为所有基本粒子是没有质量的,只是因为相互作用才有了组合形态下的整体质量,后来通过质能方程(E=mc^2)计算发现有些粒子的质量与能量不符,并且不是质量少了,而是质量多了。也就是说多余的质量并非来自于相互作用,部分粒子本身具有质量。

2012年,欧洲核子研究中心,发现了质量之源希格斯玻色子,宇宙各处充斥着希格斯场,粒子在场中运动获得了“自身的质量”,而光子并不与希格斯场发生作用。可以说相互作用束缚了粒子,作用的能量越大,产生的质量就越大,例如原子核中胶子与夸克的强相互作用,使夸克占据了原子的主要质量,而电子的电磁作用较弱,因此电子的质量相对于原子核几乎可以忽略不计。而夸克和电子都与希格斯场作用也获得了部分自身质量。

光子不受场的束缚,因此拥有宇宙空间中真空传递能量、信息的最快速度,也是绝对速度,只因它在真空中不受场的赋予它能量(质量)使其减速,也使得光子的静止质量为零 ,这就是光速恒定不变的原因。

#科学#光速#物理学

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