光是一种非常特殊的东西。我们知道它是一种“电磁波”,但是电磁波这种东西太特殊了。因为它没有空间上的尺度,所以确实没有太好的方法绘制出形象的图形来,所以我们必须要有很强的抽象思维能力来理解它。因此在讨论光速不变原理之前,希望你已经看过《光的实质是“波动”形状的“粒子”串》。这里面介绍了光的本质及真实的传播方式。
形象一点说,电磁波其实更像一列装满货物的火车,是一串装载着"波形"的电场(列车)串。与其说是"波"不如说是"串"。 光是"频率"很高的电磁波(颗粒很小的电场串),因为我们的眼睛能感觉到这种频率的光,所以我们能看见东西了。我们所有观测到的事物都是通过光的传递而得到的结果。没有光,我们就不可能进行观察和测量。 因为测量是通过光完成的,因此测量结果必然存在光的影响。比如光的速度就被叠加在我们观测到的物体的运动速度中了。理论上速度是物体单位时间的位移量,这点毫无疑问无可厚非,但是我们测量速度时却必须通过光作为媒介,光在这里面了测量结果,使得我们测量到的距离发生了光程时间差。因此我们测量到的一切速度都是包含了光程时间差的速度,与理论上的速度有区别。 我们都知道迈克尔逊-莫雷实验发现光速不与惯性系的速度叠加。说起来当时的人们真的很好笑,竟然想出这样的方法来测量光速的变化。 速度是单位时间的位移距离,也就是物体在单位时间内离开原位置的距离,这是经典物理学速度的定义。但这只是理论上的速度,事实上测量到的速度因为需要光进行传递,在物体移动了一段距离后,光的传播时间会变化,这样得到的速度就不是理论速度了,而是测量速度。 假如一个物体的速度是v'通过光传达这个信息后得到的是叠加了光程差的结果是v,这个v就是我们平时测量到的速度,是经过光的传递后的数据。因为运动就包含着位移,包含了位移就包含了光从不同距离传播的时间差,因此我们无论如何测量速度,都无法回避光程时间差的问题,我们无法直接测量到理论速度,只能使用测量速度。 显然从理论上说物体相对光速会产生速度差,但是因为我们测量到的速度本身已经包含了这个因素,所以就不能再与光速进行相加减了。比如火车上的人看地面上的人,他看到的速度是带有光程时间差的,反过来,地面上的人看火车上的人也一样,看到他的移动速度是包含了时间差在内的合并速度。这个时候,火车上的人相对自己是静止的,不存在光程时间差的影响,因此他在测量光速时实际上相对地面上的观测者来说要去掉一个光程时间差,而这个时间差恰恰是地面上的人观测时产生的时间差,因而导致光速被还原。反过来地面的人也一样,相对火车上的测量结果而言,地面上的人自己看自己是静止的,不存在时间差问题,所以测量到的光速是相对自己的光速,不是火车上的人看到的光速。因此,无论是谁,测量到的光速都与对方测量的不同,两个测量结果中包含的光程时间差正好使测量的结果互相抵消,因而火车上的人认为光相对自己的速度是c,地面上的人认为光相对自己的速度也是c。 测量到的速度是包含了光程差的速度,这是无法回避的现实,用这样的"视在速度"来测量光的速度,正好把光程差抵消掉,结果光速不变。这就是理论上光速与运动速度能叠加,而现实中却测量不到叠加效果的原因。因为现实中不可能测量到没有光程差的速度。 我们看一些更简单的例子:假如远外发生了一个闪光,在闪光的光到达之前我们不可能未卜先知,不可能事先发现那里产生了闪光。只有在光到达时我们才知道闪光发生了。 那么闪光是什么时候发生的呢?我们根据几何原理能知道闪光发生点的距离,我们根据"已知"的光速计算出了闪光发生的时间。 假如那个闪光的物体正以高速远离我们(或者我们正在高速远离那个光源),现在反过来计算一下光速,我们用"已知的光速计算出来的时间"和"距离"一算,光速没变。这是A=B、B=A的事嘛,不用算也知道。 假如我们正高速接近那个闪光物,我们也一样,用已知的光速计算出了时间,再用这个时间来计算光速,当然光速还是已知的那个光速。 事实也一样,测量到的光就是物体远离或接近时的光,反过来用这个光再与它自己相对比,结果一定是相同的。 这就像橡皮尺子自己测量自己的长度。不管怎么拉伸还是压缩,测量到的读数都不会改变。如果因为远离而使光被"拉长"了,则用拉长了的光与拉长了的光相比"长度"没有改变。如果高速接近使得光被压缩了,则用压缩了的光与压缩了的光相比较,"长度"也没变。 理论上物体的运动速度与光速会有一个差,但现实中因为我们只有光这个媒介,只能用橡皮尺子自己量自己,所以无论如何我们测量不到光速的变化。除非人们找到一种速度远远比光速更快的测量媒介,否则人们永远无法测量到光的速度变化。这就是光速不变的真正原因。 不是光速不变,而是变了也测量不出来。这是现实,不认可也没有任何办法,是无法回避的现实。但是我们还必须相信测量的结果,如果不相信测量结果,那测量就不存在了,物理学本身也没任何意义了。 除了上面的原因之外,光还有另一个问题也是不可回避的,就是不到达我们的眼睛就无法察觉。前面说了一个闪光在没有到达前不能预知,其实就算到达了只要没进眼睛也不可知。比如我们看到天空是亮的,原因是光照射到的空气。是空气的反射光到达了我们的眼睛。如果没有空气,比如在月球上,只要光没射入眼睛,就不会感觉光到达了。 我们看到的任何物体都是光线照到物体上之后由物体反射的光,由这些光构成的物体的影像,从这个角度上说,我们感觉到的物体其实是由光构成的影像,我们从来没有看到实际的物体是什么形状。因此,我们看到的物体也会因光的速度和方向的改变而改变。 就像用放大镜看物体一样,我们看不到光线拐弯,看到的只能是物体被放大了(空间变形)。 因为我们无法感觉到光的速度变了,我们就会感觉是空间和时间变了。这是测量学上的必然结果。 我们无法直接观察到光的运动规律,我们所有的测量和实验都是借助介质来进行的,而光的本质决定了只要经过介质,则光源就变成介质了。也就是说我们看到的光,其实就是介质上发出的光。比如看到一个物体,是那个物体上发的光形成的影像,不是照亮那个物体的光源的光。这和机械波完全不同,机械波在没有到达我们时我们就能"看"或用仪器"感知"到,因为有光的存在。因此我们可以观测到机械波的运动规律。而光不行,我们只能通过"次波源"发的光来"观测"光。而次波源往往是和我们相对静止的。比如迈-莫实验的两个反射镜相对就是静止的,相对干涉屏也是静止的。都是静止的光源无论两束光的速度是否相同,干涉纹也一定是固定不变的。 我们想象一下,抓个苍蝇放进一个水盆里,苍蝇会振动翅膀发出水波,端着水盆移动会发现水波相对水面的速度恒定。假如外面的振动传到盆上引起水的振动,可想而知,水的振动与外界振动源的速度没任何关系。对水来说,振动是水盆这个次波源发出的。 综上所述,光速即变发生了变化,我们无法测量到,因为我们只能用光来测量光自己,无论如何都无法感知速度的变化。其次,我们不能直接观测光,而必须通过介质来间接感知光的存在,经过介质后的光速不再是相对原光源的光速。所以,不论我们相对光源的速度是多少,我们测量到的光的速度不会改变。这就是光速不变原理的物理意义。
我们放一盆水,把眼睛靠近水面观察盆底会发现盆底变得很大,因为感觉不到光线弯曲了,所以感觉是盆底变大了。 因为我们观察任何东西都通过光,而光的弯曲或速度改变又无法感觉,所以结果是感觉空间变形和弯曲了。特别是光速的改变,因为无法察觉,所以感觉必然是时间发生了改变。
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