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作者: jfsu (水精灵)
标题: Re: [问卦] 呐 为什么光速不变
时间: Sun Dec 26 21:17:04 2021
※ 引述《encoreb00124 (江帅)》之铭言：
: 爱因斯坦说光速不变
: 就算A和B都以光速前进，实际观测还是相对对方以光速前进
: 为什么呀
: 想了一整天想不出答案QQ
: 光速是外星人吗
以数学来说，你从马克士威方程组推导出的波动方程式，隐约从中能看到光速是个
定值的影子。虽然爱因斯坦提出光速不变原理并不全是基于著名的迈克森-莫立实验
(Michelson-Morley Experiment)而是当时已经发展成熟的电磁理论提出的必要假设。
Anyway，底下就来聊一下这朵在热力学之父克耳文爵士(Lord Kelvin)口中的乌云，
更是让物理学家动笔也算不出内心阴影面积的实验。
19世纪末期，从牛顿力学、热力学和统计力学到马克士威电磁理论，形成了经典物理学
(或称为古典物理学)大厦的三本柱。当时，英国著名的物理学家克耳文爵士在英国皇家
研究所的新年庆祝会上，发表了一篇名为《在热和光动力理论上空的十九世纪乌云》
（Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light）
的演讲。他认为今后物理学家只要替大厦的外观做些补强的工作，使它更加完美即可，
只不过“动力理论主张热和光都是运动的方式，现在这个理论的优美性和清晰性，
正被两朵乌云所笼罩。”
这两朵乌云分别指的是经典物理在光以太和马克士威-波兹曼能量均分学说上遇到的
难题，它们带来了一场前所未有的狂风暴雨，从根基上动摇了这座大厦，完全颠覆对
经典物理理论的认知，最后分别诞生出相对论和量子力学。
大家都知道，水波的传播需要有水做媒介，声波的传播则是需要空气做媒介，可是，
地球离太阳一亿五千万公里，这之间既无水也无空气，在这近乎真空的环境，太阳光
靠什么来传播？
于是物理学家就给光找了个传播介质：“以太”，这个词是源自于古希腊，原意是
高空，亚里斯多德认为下界为水、火、土、气四个元素所组成，上界加第五元素，
以太(ether)”，即是一种媒介物质。1664年，笛卡儿(R.Descartes)首先将它用于
科学，说天体或其他物体间的作用就靠它。
牛顿发现万有引力之后，碰到了第一个难题：在宇宙真空中，引力是由什么介质传播？
为了能有一个解释，他只好采用笛卡儿的说法，认为以太是宇宙真空引力传播的介质。
如此一来，许多难题迎刃而解，法拉第的电磁力不能没有它，马克士威证明光也是一种
电磁波，当然光的传播也要靠它。更重要的是，以太的存在正好说明牛顿的绝对
时空观，它是一个绝对静止的参考系，地球、太阳等一切运动都相对于它而进行。
“笛卡儿所设想的以太是一种作漩涡运动、球形的无重物质，充满了整个宇宙”，
当德国物理学家麦古拉指著天空侃侃而谈时，对黏性流体的运动十分感与趣的
英国物理学家斯拖克斯(George Stokes)说：
“啊，好像沥青似的。”
“我看倒有点像蜡。”克耳文说。
“真像伸缩自在的爱。”幻影旅团4号成员舔舔嘴唇紧接着说。
我们不禁哄堂大笑，同样的一种以太，每个人却有不同的感觉
麦古拉连忙放下手臂，他觉得以太就是以太，不是沥青，也不是蜡，更不是念能力。
由于以太涉及的范围太广，加上没有实验可做为依据，许多物理学家都参与其中，
提出不少研究以太的理论，逐渐变成物理学界中的显学，甚至最后以太成为啥都能解决
的万能药，几乎可以媲美上帝。
1884年，克耳文到美国来作一场科学报告。会后一群人挤在他身边，想听听他对于以太
的研究。汤姆生说：“虽然以太解决了不少问题，但新的问题又接踵而来：以太代表了
一个绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中绕日运行，如同一艘船在高速行驶，
迎面会有一股强烈的‘乙太风’不断吹来，同时也会对光的传播造成影响。谁能用
实验证明了这股风的存在也就证明了以太的存在！”
这时在场的人群里有一名觉醒青年，听到这位物理大师的开示心中不由一怔，决定
投入更多的热情在这个问题上。
这位青年就是迈克森，两岁时父母带着他自波兰过咸水到美国来谋生。17岁时他考进
安那波利斯海军学院，毕业后到柏林、巴黎等地留学了两年，然后又重返美国。
1879年，马克士威写信向美国航海年历局的托德，讨论测定地球相对于以太的速度
问题。他在信中认为，由于量测精确度的限制，目前所有测量光速的方式都不足以
证明检验地球的绝对速度。迈克森得知之后，立即着手设计一台可以测定微小长度、
折射率和光波波长的干涉仪(后来被称“迈克森干涉仪”)来进行这个最困难的实验。
ps.实验的简图在教科书都有，此就不附上了。如果存在地球与以太的相对速度，
借由测试两束互相垂直的光的传播速率会有微小的差别。
1881年，迈克森首次测量，却是 404 not found，拍谢，是“零结果”。1884年，
在克耳文的鼓励之下，迈克森与另一位科学家莫立(Morley)合作，改进了实验装置，
精确度达到40亿分之1。1887年，迈克森重复了6年前的实验，但得出的结果仍是
否定的。
这告诉我们，地球相对于以太的运动并不存在，或者说以太本身就是一个子虚乌有
的东西。迈克森，本来是想以精确的实验为以太的存在提供证据，但却适得其反，
真的很会。
ps.严格来说，单凭这点并不足以断定以太是不存在，这只是证明了乙太风不存在。
爱因斯坦证明以太存在与否其实并无关紧要，认为可有可无。根据奥坎剃刀
(Occam's Razor)原则，物理学家便从此不提以太了。这是后话。
这项实验结果一宣布立即在物理学界引起一场轩然大波，本来万里无云的蓝天上突然
出现了一朵乌云。因为一旦放弃这个曾经可以解释许多光电磁现象的以太说，那
牛顿力学的绝对时空观将要从根本上动摇，经典物理学的大厦突然出现了裂缝！
为了挽救以太，1889年英国物理学家斐兹杰(George FitzGerald)、1892年荷兰物理
学家洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz0分别提出了物体在以太风中运动、长度收缩
的假设。
虽然这个假设让以太说得以残存，犹如风中蟾蜍，但现实的风向已经改变了。
爱因斯坦自16岁开始，他经常问自己一个问题：
“要是你追上一束光线，会花生省魔术？”
他花了10年的时间来思考这个问题，并研究了光在“以太”中的传播，最后得出结论：
“牛顿的‘绝对时间’与‘绝对空间’是错的！”
因为根据牛顿的理论，光速就是光速，没有什么特别，要超越光速绝对办得到。只要
你跑得跟光一样快，光在你眼前看起来就是冻结在时间中一串静止的波。不过，
并没有人看过光完全静止的状态，因此，牛顿的理论在此是说不通的。
爱因斯坦更在电磁大师马克士威的理论中发现，光速是一个定值，不管你跑得多快，
光永远以相同的速度前进。因此他认为，时间的同时性都是相对于某个参考系而来，
绝对的“同时”是不存在的，即“相对性原理(Principle of relativity)”。
从这样一个超越牛顿理论的时空观点出发，经由复杂的数学推导和运算，爱因斯坦
得出了狭义相对论（Special Relativity）结论，他抛弃了古典物理学中的乙太假说
和绝对时间、绝对空间的概念。不过一般人都很难理解这个狭义相对论，因为日常生活
中，大家所接触到的都是远小于光速的运动．．．。
至此，爱因斯坦自少年时期的疑问终于获得解答：
“不论你跑得多快，光永远会以同样的速度离开你。”
以上
Reference
1.Wiki
2.科学五千年
3.量子物理史话
4.雅量