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为什么真空光速相对所有参考系速度不变？——因为真空光速不变是一个观测事实。以下是我的讲述： 一、物理思维 昨天在私信里，回答了一个小伙伴出的高中物理题，在给出答案后，我强调了一句：解答这种问题的关键是对整个物理过程有一个清晰的图像，至于数学公式，只是这种过程的一种描述，把参数代入公式后，答案就自然出来了。 其实，建立物理过程的图像就是物理学中所说的要尊重客观现实。那么对于真空中的光速来说，客观现实就是——事实上观测到的真空光速是不变的。爱因斯坦把这个观测事实上升到了一条基本原理作为相对论的基础，即真空光速不变原理。 二、原理和公理的区别 我们都知道数学中是有很多公理的，比如欧几里得几何中，过任意两点有且仅有一条直线。数学中的公理是不需要证明的，是大家公认的，直接拿出来就可以用。 而物理学中的原理的含义与公理不同点是，原理在当下可以拿出来直接用，在一个阶段内不需要证明，已经经过大量的实际检验，是一个直接观测到的基本事实。 但原理有可能被推翻，如果有一天我们测量到的真空光速不再是固定值，那么这条原理就需要被修正，或者是被废弃。不过目前为止，人类还没有发现真空中光速存在变化，所以这条原理仍然正确。 三、光速测量简史 了解了物理思维和什么是原理之后，我们要来看一下真空光速不变是怎么发现的。17世纪之前，天文学家和物理学家都认为光速是无限大的，宇宙中的星光可以瞬间到达地球。 伽利略是第一个对此提出质疑的科学家，为此，他在1600年左右曾经尝试过用简陋的仪器测定光速，结果大家都知道，没测出来。光速太快了，他的仪器不行。 1676年，罗默提交了一份利用卫星食计算的光速报告，报告中依据11月娥下一次卫星食要比改革局8月份观察进行计算得到的时间推迟了10分钟左右，这个矛盾可以假定从光到木星到地球需要时间而得到解释。 这是人类历史上第一次以测量为依据提出了光以有限速度传播，不过我们要很坦率地说，这个观点其实证据不足。这是因为，当时对于木星卫星的运行规律还没有完全掌握，所以计算肯定会有比较大的误差。 1728年9月，布拉德雷发现了光行差现象，即星的表观位置在地球轨道速度方向上的位移。根据光行差角α＝v/c(v是地球轨道速度)，可以估算光速值，这项独立观测使科学家确认了罗默当年所观测的木星卫星食的延迟就是光速有限的有力论据。 1834年，英国物理学家惠斯通设想了一种用旋转镜来测定电火花持续时间来测定光速的方法，虽然这种方法的思路是正确的，但是惠斯通自己没能完成，最后这个办法是由发过物理学家菲索于1849年实现的。当时测得的光速值为312000千米/秒。这个数值与天文学家公认的光速值差距很小。 菲索之后，有很多的物理学家参与到光速测量中来，比如傅科（做傅科摆证明地球自转那位）、其中法国的科尔尼于1874年和1878年两次测得的光速分别为2.985X10^8米/秒和3.004X10^8米/秒、1881年，英国詹姆斯和福布斯测得的数值为3.01382X10^8米/秒。 迈克尔逊对傅科的装置进行了改进，把其测量精度提高了200倍以上。1879年，迈克尔逊用这套新的旋转棱镜装置，安装在不同地点，旋转春、夏、秋季节最好的时候，只有在日出后一小时和日落前一小时大气条件最佳的情况下，才能在他的狭缝得到稳定的像。迈克尔逊的测量实验历时3年多，共得到504组数据，最终获得的光速值为299853±30千米/秒。 1923年，迈克尔逊再次利用重新改进的旋转棱镜，在加利福尼亚的两个相距约35公里的山头之间重做实验，这次把这个光速数值的精度提高到299798±4千米/秒。这是当时得到的最精确数值。 四、光速测量的其它方法 最早光速的准确数值是通过观测木星对其卫星的掩食测量的。还有转动齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法。如今我们在实验室中主要是使用光拍频法测量光速。 我们知道，光速c=s/Δt，s是光传播的距离，Δt是光传播s所需的时间。例如c=fλ中，λ相当上式的s，可以方便地测得，但光频f大约1014Hz，我们没有那样的频率计，同样传播λ距离所需的时间Δt=1/f也没有比较方便的测量方法。如果使f变得很低，例如30MHz，那么波长约为10m。这种测量对我们来说是十分方便的。这种使光频“变低”的方法就是所谓“光拍频法”。 在现在的实验室中我们可以利用激光束通过声光移频器，获得具有较小频差的两束光,它们迭加则得到光拍；利用半透镜将这束光拍分成两路，测量这两路光拍到达同一空间位置的光程差（当相位差为2π时光程差等于光拍的波长）和光拍的频率从而测得光速。 五、光速不变与相对论 我们在网络上能看到很多质疑相对论的言论，这些言论最具代表性的就是利用迈克尔逊莫-雷实验。通过对这个实验的各种解释，来质疑光速不变原理。然而我们从光速的测量历史上可以看出。确定光速不变这一事实的过程中，根本没有MM实验什么事。 MM实验的目的并不是为了测定光速，而是为了寻找以太。MM实验的结果是，以太不存在。这也能解释，为什么爱因斯坦在提到光速不变原理的时候，并没有提及MM实验的原因。 1983年，光速取代了保存在巴黎国际计量局的铂制米原器被选作定义“米”的标自准，并且约定光速严格等于299,792,458米/秒，此数值与当时的米的定义和秒的定义一致。后来，随着实验精度的不断提高，光速的数百值有所改变，米被定义为1/299,792,458秒内光通过的路程。 根据现代物理学，所有电磁波，包括可见光，在真空中的速度是常数，即是光速。强相度互作用、电磁作用、弱相互作用传播的速度都是光速，根据广义相对论，万有引力传播的速度也是光速，且已于2003年得以证实。 根据电磁学的定律，发射电磁波的物体的移动速度不会影响电磁波的速度。结合相对性原则，观察者的参考坐标和发光的移动速度不会影响被测量的光速，但会影响波长产生红移、蓝移。这是相对论的基础。相对论探讨的是光速而不是光，就算光速的值会发生微小的变化，也不会影响相对论。 结束语——真空光速不变是测量得到的客观事实 光速是不是在所有的宇宙空间内不变，物理学家们并不知道，但已知的是，在我们目前的测量条件下，在我们可观测到的宇宙范围内，真空光速不变是一个观测得到的结果。 科学之所以科学不是因为其能够对可观测的事实作出精确描述，同时还因为其可证伪性。这就是说，在没有观察到真空光速存在其他速度的前提下，真空光速不变可以作为一个基本原理直接引用。 欢迎对所有的科学基本原理提出质疑，但需要注意的一点是——请拿出可以重复的观测实证，而不是对已知的实验进行无脑解读。对于已知实验的各种解读，科学家们已经考虑得太多了，才确定了最后的结论。 我是郭哥聊科学，欢迎您的点赞、转发、评论和关注支持，持续为您输出高质量的科普文章，期待与您的深入沟通。 |
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