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28, 6月 2022
爱因斯坦提出了光速不变原理?不他只是假设而已!

在大家的印象中光速不变的原理是随着爱因斯坦1905年狭义相对论发表时,同时提出的两条基本假设

前者说的是一切物理定律(除引力外)在洛仑兹变换下保持形式不变,不同的时间内进行的实验得出的物理定律是一致的。

后者字面意思理解起来就更简单:即无论你怎么折腾,光速始终是一个常数,即:299792458米/秒。

当然爱因斯坦将其放在狭义相对论的基本假设中,也就是狭义相对论在这两条假设之上,让这个假设成了真设,随着相对论的传播,在大家的印象中就是爱因斯坦发现了光速不变原理,其实不然,在十九世纪末,至少有两位科学家发现了光速不变原理。

比较了解科学的朋友都知道麦克斯韦是是在爱因斯坦之前仅次于牛顿的人物,都知道他是玩电的,而且前无古人后无来者,但对于麦克斯韦伟大成就的意义却知之甚少

费曼如此评价麦克斯韦,我们就不废话了,反正就是说他的影响力远超美国内战。要来定义麦克斯韦成就的意义,必须来了解他的四个著名方程组:

当然只有最后一项麦克斯韦独立发现,这个意义非凡,因为变化的电场能产生磁场,变化的磁场又能产生电场,往复循环……这就是传说中的电磁波,但当时并没有发现电磁波,麦克斯韦仅仅从理论上推导出来了。

因为ε0和μ都是常数,因此计算出来的电磁波速度也是一个常数,当然那会还是电磁波速度,麦克斯韦仅仅是根据这个速度和当时已经测定的光速一致,判断光就是电磁波的一种,但麦克斯韦并无实锤证明,不过两者一致非常诡异啊。不过后来发现光是电磁波的一种也就释然了,只不过它的频率比较窄,只是电磁波中的可见光波段一小段。

这个实验的起始要从牛顿时代开始说起,自牛顿发现万有引力以来,他就一直为一件事苦恼,是什么传播了天体之间的引力?最终他选择了借用亚里士多德的“以太”来作为引力传播的媒介,包括天体以及光都在以太中传播!

1660年,胡克认为光在一种叫做发光以太的介质中传播,并且波不受重力影响。1800年,托马斯杨发现了光的干涉以及偏振性,托马斯杨用衍射实验证明了光的波动性。光是一种波绝对是一种新玩意儿,但波大家都很熟悉,水波,声波等,前者借助水传递,而后者则依赖介质,比如空气和或者其他物体等。那么光借助以太传播,那么可以测量光与以太之间的相对速度(伽利略变换)来证明以太是否存在。

1887年迈克尔逊和莫雷在美国克里夫兰的卡思应用科学学校进行了此次实验,实验原理当时看来实在非常巧妙,如下图:

当时并没有激光器,用的是相干光源,通过分光镜分成两束,然后通过反射镜反射回分光镜,最终回合于检测平面上,如果在“绝对静止”的条件下,两束光在检测屏上不会留下干涉条纹,但如果相对以太运动,那么将会出现速度差而出现干涉。这个实验装置非常巧妙,当然现在已经很常见了,包括LIGO检测引力波用的也是这个原理。

迈克尔逊和莫雷实验结果发现,相对于以太的速度远小于地球公转的速度30千米/秒,因为系统仍然存在误差,当时并不敢判定以太到底是否存在,但实验传开后各方都投入了大量的红拂验证实验。

各位可以发现迈克尔逊最早在1881年就已经独立测试,那时误差比较大,但后期其他科学家验证越来越小,但仍然存在。当时仍然有部分科学家认为地球可能带着以太一起跑了,不过这个很快就被天文观测所打脸,因为如果存在地球带着以太跑这个可能的话,天文观测早就发现光线的异常传播现象了。

洛仑兹和庞加莱1904年,物理学家洛伦兹在论文《以任意小于光速的系统中的电磁现象》提出了著名的洛伦兹变换,用于解释迈克耳孙-莫雷实验的结果误差。他认为运动物体的长度会收缩,并且这个收缩只发生运动方向上。

引入洛仑兹变换后,迈克尔逊-莫雷实验中的“误差”被成功解决。在著名的洛仑兹变换之前的1895年,洛仑兹就提出了长度收缩的假设,并且提出了“本地时”的概念来解释光行差以及多普勒频移等,洛仑兹变换概念也于这一年被提出,在1899年修正和1904年再次修正后正式发表。1900年庞加莱认为洛伦兹的本地时是来自不同坐标系之间通过光速进行的时钟同步,这就是后来爱因斯坦狭义相对论中同时性的相对性的概念。

当洛伦兹和庞加莱小心翼翼的在通往狭义相对论道路上摸索的时候,爱因斯坦大胆地提出了两条光速不变和下一相对性原理为基本假设的狭义相对论,当然爱因斯坦并没有独占狭义相对论的功劳,他将洛仑兹和庞加莱成为狭义相对论的先驱,爱因斯坦也是站在了巨人的肩膀上!

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