根据狭义相对论的光速不变原理,任何观察者测得的真空中的光速(c)都没有区别,无论观察者相对于光源存在怎样的运动。例如,假如一列火车以速度v向前做匀速直线运动,A在火车上以速度u向前抛出一个小球(PS:现实中不要去尝试),B在火车上以速度b向前走动,C静止在地面上,问小球相对于这三名观察者的速度有多快?我们很容易会得出以下的结论:A测得小球的速度为u,B测得小球的速度为u-b,C测得的小球速度为v+u。然而,如果把小球换成光,那么,三名观察者测得这束光的速度都是c,无论火车的运动速度有多快,这个结果不会有任何的差别。这个原因在于如果速度趋于光速,速度叠加方法不能再用平行四边形法则,而是需要用到狭义相对论的形式: 根据上式可知,无论观察者相对于光源的速度有多快,最终测出的光速都是c。此外,观察一下上式中的分母1+uv/c^2,对于低速的情况,1+uv/c^2≈1,上式就变成了我们平时都会用到的形式。因此,我们平时用平行四边形法则计算合速度都只是实际情况的近似,只是这个误差相当小,可以忽略不计。 至于“为什么非得光速不变?”这个问题,如果非要说个原因的话,只能说这就是一个事实。联立麦克斯韦方程组,能够得到如下的关系式: 其中ε0是真空介电常数,μ0是真空磁导率,这两者都是常数。所以光在真空中的传播速度是一个定值,不同参照系中的观察者测得的结果不会有任何的区别。后来,迈克尔逊和莫雷通过光的干涉实验证实了光速不变原理。因此,狭义相对论的基石是非常牢固的,这也是为什么这个理论能够不断地经受住考验。 |
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