光速不变原理其实便是爱因斯坦相对论的根底,相对论是建立在两条根本假定至上的科学理论,这两条根本假定,其间之一是光速不变原理,别的一个便是相对性原理。
相对性原理实际上便是咱们初高中所学的参考系的一些相关常识,在这里就不赘述了。今日,咱们来具体聊一聊:光速不变原理是咋来的?
关于光速的论争
关于“光究竟跑多快”这样的一个问题,自古以来就有许多的猜测和实践,第一个提出测光速并且真的去做这个试验的人是伽利略。伽利略找了两座山,然后一边点亮手里的灯,另一边看到后,立马点亮自己手里的灯,经过这样一来一回,咱们咱们能够计时,两座山之间的间隔除以时刻,再乘以2,就能够取得成果。
现在咱们来看伽利略这个试验,可能会觉得这个试验想当然了,究竟光速可是3*10^8m/s,一秒钟能够绕地球7圈半。现实也是如此,伽利略并没有成功地测出光速来。
不过科学家并没有抛弃丈量光速,除了丈量光速,科学家们也一直在探讨光究竟是什么?
最早,牛顿就提出了自己的观念,他除了《自然哲学的数学原理》这本巨作之外,还有一本光学的奠基之作《光学》,在这本作品中,牛顿提出光是一种粒子。
牛顿其时在学术圈是肯定的霸主位置,没有人敢来应战他的威望,因而,其时的干流学术观念便是:光是一种粒子。当然,其时也有像惠更斯和胡克这样的学者以为:光是一种波。
工作的转机发生在牛顿之后的150年左右,其时有个人叫做托马斯杨,他做了一个杨氏双缝干与试验。
这个试验其实便是很奇特的,它指引着人类创建了量子力学,不过这都是后话了。杨氏双缝干与试验,在那个年代是“光是一种波”的强有力依据。这是在试验上,但从理论上,科学家也搞出了一套理论,这便是大名鼎鼎的麦克斯韦方程。
麦克斯韦经过这个理论,共同了电和磁,让咱们咱们都知道电和磁其实是一个东西。一起,麦克斯韦预言了电磁波的存在,以及光是一种电磁波。
随后,赫兹经过试验证明了麦克斯韦的观念,应该说,截止于现在为止,光的动摇说彻底占有了优势。
牛顿 vs 麦克斯韦
当然,这个新鲜出炉的理论,处理了简直一切的电磁学现象,但却和牛顿力学发生了对立。这是由于麦克斯韦方程能够推导出光速的表达式:
1/ε0μ0
。其间ε0是真空介电常数,μ0是真空磁导率,它们都是常数项,也便是说,光速也应该是一个常数。
可咱们要知道的是,依据牛顿力学,任何物体的运动其实取决于选取的参考系,不同的参考系下,运动状况都有很大的可能是不同的。
可麦克斯韦的理论好像预示着光速是逾越参考系而存在的,它在恣意惯性参考系的速度都应该是共同的。其时的学者也懵了,究竟两个理论都是极端精确的。所以,他们就在想,假如光是一种波,那它的传达应该像水波那样需求介质的存在,水波的介质便是水。
其时的学者就把光波传递的介质叫做以太。不过,这是朴实地科学假定,究竟存在不存在还得依托观测试验。所以,许多科学家投身于验证“以太是存在”的试验中。成果出乎了一切人的预料,他们的试验纷繁指向了一个成果:以太不存在。
26岁的少年
当这个成果出来后,其时大多数的物理学家都是不想抛弃现有的理论,还在想各种方法来弥补。此刻有个专利局的三级专利员在1905年连续宣布了多篇论文,其间有两篇被称为狭义相对论。这个专利员便是26岁的爱因斯坦。
这两篇论文中,爱因斯坦抛弃了“以太假说”,并且提出了“光速不变原理”,也便是遵照着麦克斯韦理论推导的成果,光速在任何惯性参考系下都不变。加上相对性原理,就推导出了狭义相对论。
因而,光速不变原理的提出,在某种程度上说是为了谐和两个理论体系(牛顿力学和麦克斯韦电磁学理论)的对立。只是在谐和的过程中,爱因斯坦以此为根底,直接提出了一套全新的理论,并且适用面要比牛顿理论更广。
当然,爱因斯坦经过光速原理推导得到了物质、信息、能量的传递速度不能超过光速。这其实也是爱因斯坦留给其他科学家来证伪相对论的一个视点。可是100多年来,无数人应战了这个假定,至今没有人能够证伪相对论。因而,至少从现在来看,光速不变原理仍是很坚实的科学假定。