说之前说明下个人普通工科毕业,物理水平也就是修过大学普通物理,下面的内容也不涉及任何具体公式。有不对的地方请指出


1、所谓的“光速不变”的话题,究竟哪些内容是爱因斯坦提出的,哪些不是?
爱因斯坦提出的光速不变原理,不是凭空提出的,而是建立在物理界对光速问题的研究基础上的。在爱因斯坦研究这个问题之前,物理学界通过各种实验,就已经发现光速在不同惯性系和不同方向上的测量结果都是相同的。打个比方,当地球相向太阳运动时,在地球上测到的太阳光的速度是c,而当地球远离太阳运动时,在地球上测到的太阳光的速度也是c。或者,将一个发光体静止在地面时,在地面上观测到该发光体发出的光速是c,将该发光体放到运行的车辆上,在地面上观测到该发光体发出的光速也是c。换言之,光在不同惯性系和不同方向上的速度不变(可以简称为光速测量结果不变),是现实现象,客观存在的,不是爱因斯坦提出来的。爱因斯坦提出的光速不变原理其实另有含义。
此外,由上面可以看出,“光速不变”的话题中的光速不变,和光在不同介质中的传播速度变化没有关系,是完全不同的话题。
2、光速测量结果不变,为什么会让之前的经典物理学家如此纠结?
因为之前的经典物理学家沿袭牛顿力学原理,根据牛顿力学,在不同的参考系中,速度是应该叠加的。按上面的例子,假设地球相对于太阳的运动速度是v,那么根据牛顿力学,当地球相向太阳运动时,在地球上测到的太阳光的速度应该是c-v,而当地球远离太阳运动时,在地球上测到的太阳光的速度应该是c+v。同理,假设运行的车辆相对于地面的速度是v,那么地面上观测到安装在运行的车辆上的发光体发出的光速应该是c+v。即牛顿力学是持光速在不同惯性系和不同方向上的应当变化的观点(可以简称为光速改变)。由于光速测量结果不变与牛顿力学的光速改变产生矛盾,使得经典物理学家非常抓狂。
3、经典物理学家抓狂后采用哪些办法?
客观现象与理论的矛盾是不能回避的,必须要解决,否则就会动摇理论的正确地位。而客观现象又是不能否认的,所以经典物理学家只能通过打补丁的方式来弥补。总体而言他们的思路是:光速测量结果不变是对的,无论地球相对于太阳运行还是远离太阳运行,在地球上确实只能观测到太阳光的速度都是c。但是牛顿力学原理也是对的,当地球相对于太阳运行或是远离太阳运行,在地球上测到的太阳光的速度应该受到地球速度的影响,只不过由于存在其它的待解释的物理现象的存在,导致在地球上测到的太阳光的速度在综合地球速度及其它的待解释的物理现象的影响后,最后无论怎么测量都是c。这种补丁的极致就是洛伦兹变换,按照洛伦兹变换得到结果和狭义相对论的结果是一模一样的,完全消除了光速测量结果不变与牛顿力学在数学结果上的矛盾。
4、既然洛伦兹变换已经消除了光速测量结果不变与牛顿力学在数学结果上的矛盾,爱因斯坦又干了什么?
洛伦兹变换试图承认光速测量结果不变与牛顿力学都是对的,也确实在数学结果上消除了矛盾,但是洛伦茨变换是要维持光速改变的观点。但爱因斯坦则更进一步,他指出根本就不需要去考虑其它的待解释的物理现象,光速在不同惯性系和不同方向上的就应该不变的,即光速不变原理。换句话说,他将光速测量结果不变由一个客观的现象上升为了物理理论,在这种情况,牛顿力学理论自然就是错的,接着爱因斯坦将洛伦兹变换赋予了新的物理解释,从而提出了狭义相对论,改变了整个物理学的面貌。
5、小结一下
光速在不同介质中的传播速度是否会发生变化,这与光速不变原理毫无关系。
为什么测到光速是c、是个恒定值,这与光速不变原理也毫无关系,光速不变原理不涉及光速为什么是c的任何内容。
为什么光速在不同惯性系和不同方向上的测量结果都是相同、不会变化,这也不是光速不变原理要回答的问题,相反的正因为客观世界中光速在不同惯性系和不同方向上的测量结果都是相同,才产生了光速不变原理。即光速测量结果不变是光速不变原理的基石。
为什么光速在不同惯性系和不同方向上的测量结果与牛顿力学理论矛盾,这是光速不变原理要回答的问题,其答案是牛顿力学理论是错的,因此自然会矛盾,而不是如洛伦茨变化那样,牛顿力学理论也是对的,只不过有其它物理现象存在而已。
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本帖最后由 Oldman 于 2019-1-13 12:14 编辑]