2019-04-29 16:19:37 +0000   |     other special relativity einstein   |   Viewed times   |    

是怎么推出光速恒定的?

关于为什么光速是恒定的科学解释,可以看看下面这个视频。SpaceTime频道这整个关于相对论以及量子场论的科普都建议看看。 -> https://www.youtube.com/watch?v=nd8ruQA0X4Q

下面一步步整理思路。

相对论的两个基本假设

第一,参考系平权。即任何惯性参考系的物理定律是等效的。

举个例子,有只猴子在马背上玩滑板。马跑着穿过磁场。猴子身上带电。磁场中移动的电荷因为电磁感应会产生一种洛伦兹力。洛伦兹力的强度取决于猴子的速度。 monkey-pony-1

根据传统伽利略转换速度叠加,从我们观察者的角度看:

猴子的速度 = 马跑的速度 + 猴子滑板的速度

monkey-pony-2

从马的角度看,

猴子的速度 = 猴子滑板的速度

monkey-pony-3

如果是这样,我们和小马测到的洛伦兹力会不相等。但事实正好相反,无论是我们所在的惯性系,还是小马,甚至是猴子观察到的洛伦兹力是一致的。这就是所谓的参考系平权,即任何参考系的物理定律都是等效的。原来我们身边司空见惯的现象细想一下原来这么恐怖。

第二,光速不变。

如果要让小马和我们观察到的洛伦兹力完全相等,必须在不同惯性系之间进行一系列的代数变换,唯一可能的变换方式就是洛伦兹变换。只有洛伦兹变换能做到让所有惯性参考系的物理定律都是等效的。无论这个惯性系的位置,方向,速度,等等。而根据洛伦兹变换,宇宙必须有个速度上限,是宇宙中事件因果传递的上限,这个速度就是光速。所以光速的第一属性是宇宙中因果关系传递的速度上限。它叫光速只是因为光就是以这个最高速度运行的。

monkey-pony-4

如果我们以接近光速的速度运动,时空看起来应该像下面这个样子。

lorentz-transform

解释:沿着快速加速的观察者的世界线来看的时空。竖直方向表示时间。水平方向表示距离,虚划线是观察者的时空轨迹(“世界线”)。图的下四分之一表示观察者可以看到的事件。上四分之一表示光锥- 将可以看到观察者的事件点。小点是时空中的任意的事件。世界线的斜率(从竖直方向的偏离)给出了相对于观察者的速度。注意看时空的图像随着观察者加速时的变化。

我们所在的时空更确切的表达应该是闵可夫斯基空间(或称闵考斯基时空),即指由三维欧几里德空间与时间组成的四维流形,其中任意两个事件之间的时空间隔与所依照的惯性系无关。