深層分析:我們都知道“速度是相對的”,但光速為何是絕對的呢?

日常生活中,我們時刻能感受到速度,也正是因為在我們身邊速度的概念太常見了,所以我們都習以為常了,所以不太容易去思考有關速度的一些更深層的東西。

從古代社會,人們就開始認識並定義速度。比如說在古希臘,人們對速度的定義可謂簡單粗暴,認為只要物體不受力,一定處於靜止狀態,而且是絕對意義上的靜止。同時,任何運動的物體都有速度,這個速度是絕對的,在任何人眼裡都是一樣的。

舉個例子,你面前停著一輛汽車,在你眼裡它就是靜止的,在其他人眼裡也是靜止的。除非汽車受到外力作用,否則會一直保持靜止。如果汽車受到外力獲得一定的速度,比如說每秒20米的速度,那麼在任何人眼裡汽車的速度都是20米每秒。

這種對速度的理解方式在我們現代人眼裡顯得有些可笑,但我們不能嘲笑古人對速度的認知,畢竟任何時代都有很難突破的侷限性。古人對速度的錯誤理解主要是忽略了一點,那就是:參照系!

沒有參照系,速度將因此失去意義。

深層分析:我們都知道“速度是相對的”,但光速為何是絕對的呢?

比如說,甲靜止在地面上不動,乙和丙在一輛高速行駛的汽車上。在甲眼裡,乙和丙的速度很快,但在乙眼裡,丙是靜止不動的。

所以,丙到底是靜止的還是在高速運動?或者說丙的速度到底是多少?

這個問題也再次強調了參照系的重要性,沒有參照系,速度將沒有物理意義。

在如今的我們看來,給速度定義合適的“參照系”是理所當然的事情,但在幾百年前的古人眼裡,能夠提出“參照系”的概念是非常不容易的。而“參照系”概念的提出,使得人們對速度本質的理解有了更深刻的認知。人們開始明白,世間一切速度都是相對的,沒有絕對的速度,這也被稱之為“相對性原理”。

看到這裡,或許你會不屑於顧:如此簡單的物理現象,幹嘛說得這麼神秘呢?

簡單的物理現象背後,往往隱藏著更深層的規律。而光的出現,讓人們開始從簡單的相對速度思考更深層的物理現象。

我們都知道,光在真空中的速度是30萬公里每秒。但前面已經說過,任何速度都是相對的,都必須有參照系才有意義。如此說來,“光在真空的速度是30萬公里每秒”的說法就是不嚴謹的,因為這種說法沒有給光定義“參照系”:也就是說,“光相對什麼能達到30萬公里每秒的速度呢?”

不要小看這個問題,科學家對這個問題的思考和辯論極大地推動了現代物理學的發展,可以說完全顛覆了人們的傳統認知。

深層分析:我們都知道“速度是相對的”,但光速為何是絕對的呢?

偉大的麥克斯韋方程組表明,光就是電磁波,同時推匯出光的速度只與真空的磁導率和介電常數有關,公式如下:

深層分析:我們都知道“速度是相對的”,但光速為何是絕對的呢?

從公式中可以看出:光的速度公式中沒有涉及到任何參照系,也就是說光速是絕對的,光不需要參照系,或者說在任何參照系下,光速都是不變的。這也是光速

不變

原理。

舉個例子,假設你和一束光沿著一個方向飛行,你的速度為20萬公里每秒,按照傳統的相對速度計算公式,那束光相對你的速度應該是10萬公里每秒。

深層分析:我們都知道“速度是相對的”,但光速為何是絕對的呢?

但事實上並非如此,那束光相對你的速度仍舊是30萬公里每秒,而且不管你的速度有多快,哪怕無限接近光速,光相對你的速度仍舊是30萬公里每秒!

如果你穿越到古代,向人們講述上述光速的特殊性,古代人們肯定會認為你瘋了,哪怕是牛頓估計也很難接受光的這種特殊性。

不要說古代人類,19世紀末20世紀初的科學家也很難接受光的這種特殊性,但除非麥克斯韋方程組錯了,否則光就是如此特殊。

但麥克斯韋方程組是如此的優美,甚至被認為是人類歷史上最偉大的公式。在後來的不斷驗證中,麥克斯韋方程組都被證實沒有錯誤。

既然這樣,當時的物理學家們就應該心平氣和地接受“光速不變原理”。但說起來簡單,由於光的這種特殊性與牛頓的經典力學相悖,而牛頓經典力學統治了物理學界幾百年歷史,早就被“奉為神明”,當時的物理學家想盡各種辦法來“左右逢源”,試圖調和牛頓經典力學與麥克斯韋方程組之間的矛盾,但都沒有成功。

深層分析:我們都知道“速度是相對的”,但光速為何是絕對的呢?

偉大的愛因斯坦用他那天才般的大腦思維,用“奧卡姆剃刀”把經典力學的思維方式一下子“咔嚓”掉了,提出了完全顛覆傳統認知的理論:相對時空觀。

深層分析:我們都知道“速度是相對的”,但光速為何是絕對的呢?

愛因斯坦認為,時空並不是絕對的,而是相對的。時間和空間是一個整體,兩者不可分割。為了迎合光速的絕對性,意味著某些東西必須發生相應改變,這些東西就是時間和空間。簡單想一下也比較容易理解,你在地球上靜止不動,我以90%光速飛行,你和我看到的光的速度都是一樣的,都是光速,這意味著某些東西(就是剛才說的時間和空間)必須發生改變,不然我們看到的光的速度不應該是一樣的。當然用數學也能推匯出來時間和空間到底如何改變的,之前的文章有詳細說明,這裡就不詳述了。

深層分析:我們都知道“速度是相對的”,但光速為何是絕對的呢?

簡單講,時間和空間會因為速度(還有引力)的變化而發生改變,這就是時間膨脹(鐘慢效應)和尺縮效應。速度越快,時間流逝就越慢。

深層分析:我們都知道“速度是相對的”,但光速為何是絕對的呢?

而相對時空觀的一個重要前提就是光速的特殊性:光速是絕對的,在任何運動狀態下或者任何參照系下,光速都是恆定的。

嚴格來講,你我,地球上每個人的時間流逝速度都是不一樣的。只不過由於我們生活在低速世界,我們的速度與光速相比實在太小了,完全可以忽略不計,所以我們很難察覺到時間膨脹和尺縮效應,只有在亞光速世界,才會變得非常明顯。