问题标题:
【物理问题光在一切惯性参照系中的速度都各向同性总为c科学家是如何得出此结论的为什么不会是因为光速过快,差异无法察觉?】
问题描述:
物理问题
光在一切惯性参照系中的速度都各向同性总为c
科学家是如何得出此结论的
为什么不会是因为光速过快,差异无法察觉?
乔奇峰回答:
1887年,人们认为宇宙中弥漫着一种叫以太的物质,为了知道光速到底是对哪一个参考系而言的
人们做了一个实验,即迈克尔逊-莫雷实验,实验发现,无论参考系如何运动,光速总是c,于是爱因斯坦猜想不存在以太,光速对于任何参考系都是一样的,并以此做为相对论的第一个基本假设
迈克尔逊-莫雷实验
一种用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光在同一方向上光速差值的实验.但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,由此确定了光速不变原理.根据伽利略变换,光速应该与其所在的参照系有关,这一结果表明伽利略变换并不适用于高速运动的光子,洛伦兹由此提出洛伦兹变换来解决这一问题.虽然爱因斯坦只是将洛伦兹变换引入狭义相对论,但是他系统性地提出了一个全新的物理理论,并划时代地提出时间相对性的概念,因此人们最终将这一功绩归功于爱因斯坦.但是狭义相对论并不完整,直到广义相对论的出现才完美地解释了孪生子佯谬.既然存在以太,则当地球穿过以太绕太阳公转时,在地球通过以太运动的方向测量的光速(当我们对光源运动时)应该大于在与运动垂直方向测量的光速(当我们不对光源运动时).1887年,阿尔贝特·麦克尔逊(后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者)和爱德华·莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验.目的是测量地球在以太中的速度(即以太风的速度).如果以太存在,且光速在以太中的传播服从伽利略速度叠加原理:假设以太相对于太阳静止,实验坐标系相对于以太以公转轨道速度u沿光线2的方向传播,
由于光在不同的方向相对地球的速度不同,达到眼睛的光程差不同,产生干涉条纹.从镜子M反射,光线1的传播方向在MA方向上,光的绝对传播速度为c,地球相对以太的速度为υ,光线1完成来回路程的时间为2d/C,光线2在到达M2和从M2返回的传播速度为不同的,分别为C+υ和C-υ,完成往返路程所需时间为:d/(C+u)+d/(C-u).光线2和光线1到达眼睛的光程差为:c[d/(C+u)+d/(C-u)-2d/C]=2du^2/(C^2-u^2)干涉仪整体可以旋转,旋转的过程中,以太速度方向与实验参考系中光线2的夹角改变,从而使得速度分量u改变,旋转90°时,光线1和2交换了状态,光程差可以增加一倍.:ΔL=4du^2/(C^2-u^2)≈4du^2/C^2.移动的条纹数为ΔL/λ.实验中用钠光源,λ=5.9×10^-7m;地球的公转轨道运动速率为:υ≈10^-4C;干涉仪静止参考系下的光程2d=11m,应该移动的条纹为:ΔN=2×11×(10^-4)/λ=0.37干涉仪的灵敏度,可观察到的条纹数为0.01条.但实验结果是几乎没有条纹移动.因此以太存在且光速满足伽利略速度叠加的前提是错误的.结论是要么是以太不存在,光速相对于任何参考系的速度都一样,因此旋转迈克尔逊干涉仪时光线1和2不存在时间差.要么是以太存在但是光速不满足伽利略速度叠加.在1887年到1905年之间,人们曾经好几次企图去解释麦克尔逊——莫雷实验.最著名者为荷兰物理学家亨得利克·洛伦兹,他是依据以太存在,但是伽利略速度叠加原理需要修改,从而引进了洛伦兹变变换.然而,一位迄至当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔贝特·爱因斯坦,在1905年发表的一篇著名的论文中指出,只要人们愿意抛弃绝对时间的观念的话,整个以太的观念就是多余的.几个星期之后,一位法国最重要的数学家亨利·彭加勒也提出类似的观点.爱因斯坦的论证比彭加勒的论证更接近物理,因为后者将此考虑为数学问题.通常这个新理论是归功于爱因斯坦,但彭加勒的确在其中起了重要的作用.【猜想】该实验让世界上的人们抛弃了以太的存在,在物理学发展史上是重大转折点.------但是有网友猜想该实验结果也许是由物体在以太中运动变形引起的,观测臂是由原子分子组成,也许由于某种原因,观测臂内部的原子不再是维持原来说的形状.观测臂的整体长度也会产生相等于光行程差的相应变化.所以永远也别想看到条纹移动.相对论说是空间扭曲,是等效的数学方法,也许不是真实情况.也有可能真空是一种刚性粒子组成的高弹性流体,不同于空气、液体.液体,空气中横波无法传递,但电磁波是横波.原子科学上的发展也许可以用来解释这个实验.不过,这些都只是猜想,从未有实验支持它.目前,爱因斯坦的相对论还是最能解释各种实验现象(原子弹、miu子、加速器、天文观测……),也最简洁(只有两条看起来很自然的公理)的理论.
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