光速不變原理.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除光速不變原理什么是光速不變原理光速不變原理：真空中的光速對任何觀察者來說都是相同的。 光速不變原理，在狹義相對論中，指的是無論在何種慣性系（慣性參照系）中觀察，光在真空中的傳播速度都是一個常數(shù)，不隨光源和觀察者所在參考系的相對運動而改變。這個數(shù)值是299,792,458 米/秒。 光速不變原理是由聯(lián)立求解麥克斯韋方程組得到的，并為邁克爾遜莫雷實驗所證實。光速不變原理是愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論的基本出發(fā)點之一。 在廣義相對論中，由于所謂慣性參照系不再存在，愛因斯坦引入了廣義相對性原理，即物理定律的形式在一切參考系都是不變的。這也使得光速不變原理可以應用到所有參考系中。 光速不變原理的誕生愛因斯坦1905年9月發(fā)表在德國物理學年鑒上的那篇著名的相對論論文論動體的電動力學,提到光速問題的話有四段： “光在空虛空間里總是以一確定的速度V傳播著，這速度同發(fā)射體的運動狀態(tài)無關(guān)?！?“下面的考慮是以相對性原理和光速不變原理為依據(jù)的，這兩條原理我們定義如下： 1. 物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時所參照的坐標系究竟是兩個在互相勻速平行移動著的坐標系中的哪一個并無關(guān)系。 2. 任何光線在靜止的坐標系中都是以確定的速度V運動著，不管這道光線是由靜止的還是運動的物體發(fā)射出來的?！?“對于大于光速的速度，我們的討論就變得毫無疑義了；在以后的討論中，我們會發(fā)現(xiàn)，光速在我們的物理理論中扮演著無限大速度的角色?！?“由此，當=V時，W就變成無限大。正像我們以前的結(jié)果一樣，超光速的速度沒有存在的可能?！?（愛因斯坦奇跡年改變物理學面貌的五篇論文美 約翰施塔赫爾主編，范岱年、許良英譯，上?？萍冀逃霭嫔?001年版 第9798頁，第100101頁，第109頁，第127頁。） 系統(tǒng)證明光速不變原理光速不變原理：無論在何種慣性系（慣性參照系）中觀察，光在真空中的傳播速度都是一個常數(shù)，都為299792.458公里/秒。 證明光速不變的四項事實。 1） 恒星光行差。 2） 恒星都是一個一個的小圓點。 3） 恒星都靜止。 4） 太陽光邁克爾遜莫雷實驗。 任意恒星光行差都長期保持不變，證明：光行差不隨時間變化，所以光速也不隨時間變化。所有恒星的光行差都為20.5角距，證明：所有恒星的光速都相同。 系統(tǒng)分析恒星光行差中已經(jīng)詳細論證了“光速不變”，所以不再重復。 恒星都是一個一個的小圓點，證明：任意一個恒星的所有的光線的光速都相同，即沒有不同光速的光線。 因為沒有任何光速變化的現(xiàn)象，所以只有采用反證法。 設：某恒星發(fā)來兩種光速的光線；光速為c的光線，用c表示；光速為C的光線，用C表示；光速cC 因為c和C都是連續(xù)的，所以觀測者能夠同時接收到c和C；但觀測者同時接收到的c和C，必然不是同時從恒星發(fā)出的。 因此設：c發(fā)出的時刻為零；C發(fā)出的時刻為t；恒星零時刻的位置為A；t時刻的位置為B；因恒星周日視運動角速度15.0411/秒，所以A、B之間的角距t 再設：10（太陽直徑的1/3）；恒星距離L30光年。 則：t106015.041140（秒） c傳播的時間T1L/c30（年）86400365946080000（秒） C傳播的時間T2L/C 據(jù)題意知：T2T1tL/ct94608000040946080040（秒） 所以：CL/T2946080000c/9460800400.9999999577c299999.987（公里/秒） 即：如果10，則cC300000299999.9870.013（公里/秒）13（米/秒） 也就是說：如果兩條光線的光速差為13米/秒，則這顆距離為30光年的恒星，就同時在角距為10的A和B兩個位置上。 光速連續(xù)比間斷變化的可能性大得多，如果恒星光速是在C和c的范圍內(nèi)連續(xù)變化的，則看起來，該恒星應該是：長度為10角距的線段。 因為從未看到過：恒星具有多個位置和任何拉長的現(xiàn)象，所以結(jié)論正確。 恒星都靜止，證明：所有恒星的光速都不隨時間變化，都始終恒為常數(shù)c不變。這是因為如果光速不斷變化，則看起來恒星必然是運動的。證明方法與上述類似，不再重復。 太陽光邁克爾遜莫雷實驗證明：太陽光的光速不變。 邁克爾遜莫雷實驗的依據(jù)是：光速波長頻率 光波長和頻率都是根據(jù)光干涉條紋確定的。根據(jù)楊氏雙縫干涉實驗干涉條紋之間的間距，能夠獨立推算出光波長，自然可確定光頻率。 這樣推算確定的光波長和頻率的乘積為常數(shù)，即不同顏色光的波長和頻率的乘積相等；而且乘積數(shù)值等于檢測的光速值；從而充分證明：光速波長頻率成立。 邁克爾遜和莫雷通過長期多次分別檢測，來自不同方向的陽光的光速，充分證明：陽光的光速不變。 反對光速不變原理的觀點大家可以注意到，在愛因斯坦論述的光速不變和文章開頭論述的光速不變是不一致的，這是為什么呢？ 牛頓時空觀認為距離和時間，在各個參照系測得的都相同，因此光速是相對的，可變的，而不是絕對的。 首先我們定義1光秒的含義：光在某種穩(wěn)定介質(zhì)中一秒所運動的距離。介質(zhì)可以是水，這個長度是2.25*108米，介質(zhì)可以是玻璃，這個長度是2.0*108米，甚至可以是聲音一秒的運動距離，介質(zhì)是空氣，這個長度是340米，還可以是報道過的試驗，在某種介質(zhì)中，光速是17米/秒，在這種介質(zhì)中1光秒長度為17米，這都不影響下面的論述。 假設有一個1光秒長的玻璃，我們從起點A發(fā)出光，一秒時到達B，我們說測得光速1光秒/秒，多次試驗結(jié)果不變。現(xiàn)在我們處于一個以1米/秒相對玻璃運動的參照系，方向與光相同，一秒時，我們距離B為1光秒-1米，我們在這個參照系測得光運動的距離是1光秒-1米，光速是(1光秒-1)/秒。光速是相對的，這是牛頓時空觀結(jié)果，速度是相對的，是以變化距離除以時間得到。我們在學習相對論之前，全是用的這種算法，例如A車對地面車速50公里每小時，B車30公里/小時，A相對于B的車速為50-30=20公里每小時，這是速度疊加原理。 所以說相對論必須假設光速不變才能推導，而在牛頓時空觀中，是不能被證明光速不變的。很多人以為愛因斯坦相對論可以離開光速不變假設，這是不對的。愛因斯坦為了保證光速不變，需要修改長度（尺縮），時間（鐘慢），就是認為運動的參照系測得的時間，與靜止參照系不同，這已經(jīng)是與牛頓理論完全不同了，而不是兼容關(guān)系。 愛因斯坦論述的光速不變，是在“靜止”的參照系測得的（可以是相對做勻速直線運動的參照系，這就是伽利略相對性原理），但是，從一個參照系去測量另一個參照系是否還能夠得到光速不變？牛頓理論將給出否定答案，而愛因斯坦并未解釋為什么還是光速不變。 于是有人提出：各參照系測得的真空中的光速不變。似乎可以解決這個問題了。 但是除光外的其它波都是靠介質(zhì)傳遞的，在各參照系中，測得的真空中所有機械波的速度都不變，都是0。這個不用假設，有這個前提，是否足夠推導相對論？如果不能，說明真空假設的推論是有問題的，如果能，則說明任何波都有對應的相對論。這個結(jié)果結(jié)果奇怪嗎？ 光速不變是正確的但相對論對光速不變的理解有誤 參考系之間做相對運動很復雜，在三個軸向可能上都有相對運動，而且可能都不是勻速的運動，搞起來很麻煩，要微分還要積分，累死。 把問題簡化如下：參考系K相對參考系K沿X軸做勻速直線運動，速度是u。假設在t=t=0時，兩參考系重合，此時位于參考系K原點的物體發(fā)光。在t時刻，光與參考系K原點的距離是x，與參考系K原點的距離是x。 洛倫茲變換如下： x=x+ut；x=x-ut x=k(x+ut)；x=k(x-ut) 加系數(shù)k和k x x=k(x+ut) k(x-ut) x x=k2(x+ut) (x-ut) k=k (x/t)(x/t)=k2(x/t+u) (x/t-u) (x/t)=(x/t)=c 其中c為光速 c2=k2(c+u)(c-u)=k2(c2-u2) 這里的關(guān)鍵是(x/t)=(x/t)=c，這意味著什么呢？(x/t)=(x/t)=c意味著在參考系K和參考系K中的光速相同。那么這是合理的嗎？這是符合事實的嗎？ 在洛倫茲變換開始時，t和t始終是同一個量t，即認為t=t，在u0且uc時，x是小于x的，在洛倫茲變換中強行認為(x/t)=(x/t)=c，即將原本變化的速度認為是不變化的，必然推導出不變的時間是變化的。顯然這樣的變換是錯誤的。 問題的關(guān)鍵是如何理解光速不變。 光速只與傳輸介質(zhì)有關(guān)（麥克斯韋證明了這一點）。怎么理解呢？ 假設光源一直處在運動中，無論是勻速運動還是變速運動，光源在某一時刻發(fā)光，令這一時刻t=0。由于光不同于有質(zhì)量的物體，不會因光源的運動得到慣性速度，在t=0時，光源有個確定的位置，周圍有確定的介質(zhì)，無論介質(zhì)是真空、玻璃，或是其它什么，光速只與傳輸介質(zhì)有關(guān)，按周圍介質(zhì)所決定的特定速度遠離t=0時的發(fā)光位置，也就是說光速是相對于介質(zhì)中發(fā)光位置而言的，與光源無關(guān)。 光與物體的運動規(guī)律不同在于質(zhì)量（靜止質(zhì)量）。 物體是有質(zhì)量的，伽利略大船上的物體隨大船運動，物體的質(zhì)量使物體隨大船的運動得到了慣性速度，物體在大船上相對大船運動時，物體的速度v等于大船速度v1加物體對大船的運動速度v2。由于光是電磁波，并沒有質(zhì)量，因此光沒有慣性，不會因伽利略大船的航行獲得慣性速度，如果伽利略大船船頭有一盞燈，并且大船以光速前進的話，燈光將不能照亮大船前方的水路 (能量守恒決定物體運動速度達不到光速，伽利略大船也不可能達到光速) 。 質(zhì)疑：伽利略大船是一個密閉的參照系，其中的波介質(zhì)，都隨船運動，因此只要外界對船內(nèi)物體施加的引力電磁力等一致，船內(nèi)的任何物理實驗都不能測出船是靜止的，還是做勻速運動的，包括光學實驗。因此大船內(nèi)測得的光速，還是光速。這一點，相對性原理與相對論結(jié)論一致，任何認為相對性原理應該得到其它結(jié)果的人，都是沒有學好相對性原理，請自行復習。物體的運動速度，也是有相對性的，對不同的參照系，物體的運動速度不同，這是經(jīng)典物理理論結(jié)果，相對論的支持者，至少也會承認低速下是這樣，而上面的論述者，根本沒考慮速度的相對性，只簡單的認為速度疊加，顯然是要被所有人批判的。認為相對論是經(jīng)典框架內(nèi)的人，會認為空氣、水、玻璃，都是光介質(zhì)，因為這些介質(zhì)隨大船運動，所以船內(nèi)的光速才不變，如果是一個平板無厚度火車，則除非摩擦力起作用，否則任何聲音、光實驗結(jié)果，都與在地面靜止時得到的結(jié)果一致。很多人都是在這個地方