17世纪丹麦天文学家奥勒·罗默观测到木星的一颗卫星(木卫一)的围绕木星的公转周期(木卫一蚀)的规律变化,从而推算出光的传播速度。 罗默注意到当地球从(冲日点运动到合日点观测到的木卫一的公转周期之和)比从(合日点运动到冲日点观测到的木卫一的公转周期之和)多44分钟,从而确定光从冲日点到合日点的传播时间需要22分钟,根据地球公转直径除以22分钟得出光的速度。
罗默对光速计算方法的描述显然没有表达清楚,当时多数科学家并不接受罗默对木蚀现象(木卫一蚀代表一个公转周期)的解释。
几百年来,罗默对光速计算方法的数学模型一直是个迷。 要解决这个迷题,只要做两个假设。1. 光的传播速度有限,为速度C; 2. 木蚀信号之间的距离是固定值,为42.5小时乘以C。(42.5小时为木卫公转周期)。 在这个罗默的理论模型>中光的运动是以太阳系为参考系>,地球的运动也是以太阳系为为参考系。也就是说光的运动与地球的运动符合伽利略变换。那么我们能不能用C+V或者C-V来计算光的速度呢? 地球从冲日点运动到合日点的时间为102个42.5小时加上22分种,平均速度为 V = 地球轨道直径D 除以102个42.5小时加上22分钟,即V=D/(102T+S)。木蚀光信号相对地球的运动速度为C-V。当地球与第1号木蚀光信号相遇时,它们的距离为零。当地球与第1号木蚀光信号距离为102个L(L= 42.5小时乘以C)时,地球与第103号木蚀光信号相遇。则满足等式:102个L = 地球与光相对速度 (乘以) 102个42.5小时加上22分钟。即: 102L=(C-V)*(102T+S) 其中 V=D/(102T+S) L= TC 整理可得C=D/S。 与罗默的计算相同。 罗默木蚀计算光速使用了经典时空观,承认地球与光有相对运动,光速与地球运动速度服从伽利略变换,承认地球上观测到的光速是变化的。 光速不变的相对论理论直接否定了罗默木蚀计算的全过程。
在经典时空图中,木蚀光信号的距离是固定值,与地球运动无关。假设地球与木星很遥远,地球与木星之间有很多木蚀光信号. 在相对论时空图中,木蚀光信号的距离是变化值。观测者地球是不运动的,运动的是太阳和木星。当木星朝地球运动时木蚀光信号之间的距离更短,当木星背向地球运动时,木蚀光信号之间的距离更长。 这是多普勒效应。
光信号之间的距离变长变短,意味着相同距离间的光信号数量随之发生变化。假设地球与木星很遥远,地球与木星之间有很多木蚀光信号,地球快速地来回运动,木星之间的木蚀光信号的数量也会随之发生改变。这会有什么问题吗?
让我们用带着这个问题来理解和计算一下双生子佯谬。
地球上孪生兄弟甲和乙,出生后甲就乘坐速度为0.9999 c的火箭到达距离地球35光年的星球,然后再以0.9999 c的速度返回地球与乙相遇。根据相对论计算相遇时乙已近时70多岁的老人了,而甲还不到1岁。为了核对数学计算,让甲乙分开时始都向对方发射频率为1(每秒1 次)携带信息的光信号,比如现在的当地时间,比如家里的狗死了,特朗普当选美国总统了。。。
那么在地球上乙收到来自甲发出信号总数计算如下: 由于多普勒效应,乙分别收到红移信号和蓝移信号。 收到红移时间为甲到达星球的时间加上光信号从星球返回地球的时间 然后火箭在极短的时间减速,并加速到0.9999 c飞向地球。注意:这是一个极为重要和神奇的过程,因为就在火箭调头180度的短暂时间,地球时间经历了约70年的时间。下面解释来源于百度百科词条原文:
“在掉头过程中,地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周,到达火箭的前方很远的地方。这是一个"超光速"过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾,这种"超光速"并不能传递任何信息,不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程,火箭与地球就不能相遇,由于不同的参考系没有统一的时间,因此无法比较他们的年龄,只有在他们相遇时才可以比较。 火箭掉头后,甲不能直接接受乙的信息,因为信息传递需要时间。甲看到的实际过程是在掉头过程中,地球的时间进度猛地加快了。在甲看来,乙先是比甲年轻,接着在掉头时迅速衰老,返航时,乙又比自己衰老的慢了。重逢时,自己仍比乙年轻。也就是说,相对论不存在逻辑上的矛盾。” 这里还有个重要信息:返航减速前,地球只发出约2天半的光信号。在返航加速完成后地球已经向火箭发出了约70年的(每秒一个)光信号,而且这些从地球到火箭的光信号均匀排列空间距离相等。也就是说火箭180掉头后,收到的信号就是蓝移信号。火箭掉头后与地球相遇经历的时间乘以蓝移的频率,得到掉头后返程收到的信号数量:
通过计算我们得出,当火箭180度掉头速度再次达到0.9999 c时,地球上的乙必须是70岁的老头了。因为当火箭稳定在0.9999 c时,从火箭视角,地球上乙的时钟又变慢了,没有机会经历70年的时间来发来该数量的光信号了。而且从火箭视角,火箭与地球之间必须存在这么多信号,否则火箭收到的信号频率的总数也不能符合了。
再一次强调在火箭甲的视角,火箭180度掉头达到0.9999 c时地球上的乙已经变成70岁的老人了,结婚,生子,做爷爷了,邻居家狗死了,特朗普当选美国总统了,韩国总统朴槿惠被抓了等等携带信息的70年的光信号已经从地球上发出,正以光速向火箭甲飞奔。虽然还没有收到,但很快就可以收到了。
假设火箭180度掉头刚达到0.9999 c,正准备飞向地球时,地球上的乙已经将70年的(每秒一个)光信号发出的瞬间与星球上的小山坡相撞了,火箭停在了星球上。幸运的是,火箭完好无损,甲也还活着。火箭甲与地球乙的距离为35光年。只要35年就甲就要收到地球上就70年发出的光信号,接收的频率约为2(每秒收两个信号)。 而星球与地球相对静止,收到的频率只能是1(每秒1 个信号)!!!!!
我们的理论自相矛盾了。
或许有个办法做出弥补,那就是让地球上的时间倒流,回到35年前。可以吗?
再假设火箭又重新加速0.9999 c远离地球而去,那时间得再次倒流地球上的乙又得回到1岁。然后火箭又停止,地球时间又飞速向前,地球上的乙又快速到了35岁。然后火箭又加速到0.9999 c飞向地球,地球上的乙又快速来到了70岁。火箭以0.9999 c来回运动,地球上的乙就不断地从1岁到70岁之间穿越。
回到第一个问题:假设地球与木星很遥远,地球与木星之间有很多木蚀光信号,地球快速地来回运动,木星之间的木蚀光信号的距离随地球运动发生改变吗?地球与木星之间的信号数量会随着地球运动的改变而随之发生变化吗?。
现有的物理理论,为什么改变木蚀信号之间的距离,唯一的目的就是要满足光速不变的假设。为了这一假设,科学允许空间距离根据观测者的运动而改变,允许时间根据观测者的运动状态自动调节,允许质量根据观测者的不同自动更改。
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黎卡 2017.6.29
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