光速不變原理是怎麼被發現的?

光速不變原理實際上是愛因斯坦相對論的基礎,相對論是建立在兩條基本假設至上的科學理論,這兩條基本假設,其中之一是光速不變原理,另外一個就是相對性原理

相對性原理實際上就是我們初高中所學的參考系的一些相關知識,在這裡就不贅述了。今天,我們來詳細聊一聊:光速不變原理是咋來的?

關於光速的論戰

關於“光到底跑多快”這個問題,自古以來就有很多的猜想和實踐,第一個提出測光速並且真的去做這個實驗的人是伽利略。伽利略找了兩座山,然後一邊點亮手裡的燈,另一邊看到後,立馬點亮自己手裡的燈,透過這樣一來一回,我們可以計時,兩座山之間的距離除以時間,再乘以2,就可以得到結果。

光速不變原理是怎麼被發現的?

如今我們來看伽利略這個實驗,可能會覺得這個實驗想當然了,畢竟光速可是3*10^8m/s,一秒鐘可以繞地球7圈半。事實也是如此,伽利略並沒有成功地測出光速來。

光速不變原理是怎麼被發現的?

不過科學家並沒有放棄測量光速,除了測量光速,科學家們也一直在探討光到底是什麼?

最早,牛頓就提出了自己的觀念,他除了《自然哲學的數學原理》這本鉅著之外,還有一本光學的奠基之作《光學》,在這本著作中,牛頓提出光是一種粒子。

光速不變原理是怎麼被發現的?

牛頓當時在學術圈是絕對的霸主地位,沒有人敢來挑戰他的權威,因此,當時的主流學術觀點就是:光是一種粒子。當然,當時也有像惠更斯和胡克這樣的學者認為:光是一種波。

事情的轉折發生在牛頓之後的150年左右,當時有個人叫做托馬斯楊,他做了一個楊氏雙縫干涉實驗。

光速不變原理是怎麼被發現的?

這個實驗實際上是很神奇的,它指引著人類建立了量子力學,不過這都是後話了。楊氏雙縫干涉實驗,在那個時代是“光是一種波”的強有力證據。這是在實驗上,但從理論上,科學家也搞出了一套理論,這就是大名鼎鼎的麥克斯韋方程。

光速不變原理是怎麼被發現的?

麥克斯韋透過這個理論,統一了電和磁,讓我們知道電和磁其實是一個東西。同時,麥克斯韋預言了電磁波的存在,以及光是一種電磁波。

光速不變原理是怎麼被發現的?

隨後,赫茲透過是按證明了麥克斯韋的觀點,應該說,截止於目前為止,光的波動說完全佔據了上風。

光速不變原理是怎麼被發現的?

牛頓 vs 麥克斯韋

光速不變原理是怎麼被發現的?

當然,這個新鮮出爐的理論,解決了幾乎所有的電磁學現象,但卻和牛頓力學發生了矛盾。這是因為麥克斯韋方程可以推匯出光速的表示式:1/ε0μ0。其中ε0是真空介電常數,μ0是真空磁導率,它們都是常數項,也就是說,光速也應該是一個常數。

可我們要知道的是,根據牛頓力學,任何物體的運動其實取決於選取的參考系,不同的參考系下,運動狀態都有可能是不同的。

可麥克斯韋的理論似乎預示著光速是超越參考系而存在的,它在任意慣性參考系的速度都應該是一致的。當時的學者也懵了,畢竟兩個理論都是極其準確的。於是,他們就在想,如果光是一種波,那它的傳播應該像水波那樣需要介質的存在,水波的介質就是水。

光速不變原理是怎麼被發現的?

當時的學者就把光波傳遞的介質叫做以太。不過,這是純粹地科學假設,到底存在不存在還得依靠觀測實驗。於是,許多科學家投身於驗證“以太是存在”的實驗中。結果出乎了所有人的意料,他們的實驗紛紛指向了一個結果:以太不存在

26歲的少年

當這個結果出來後,當時大多數的物理學家都是不想放棄現有的理論,還在想各種辦法來補救。此時有個專利局的三級專利員在1905年陸續發表了多篇論文,其中有兩篇被稱為狹義相對論。這個專利員就是26歲的愛因斯坦。

這兩篇論文中,愛因斯坦放棄了“以太假說”,並且提出了“光速不變原理”,也就是遵照著麥克斯韋理論推導的結果,光速在任何慣性參考系下都不變。加上相對性原理,就推匯出了狹義相對論。

光速不變原理是怎麼被發現的?

因此,光速不變原理的提出,在某種程度上說是為了調和兩個理論體系(牛頓力學和麥克斯韋電磁學理論)的矛盾。只是在調和的過程中,愛因斯坦以此為基礎,直接提出了一套全新的理論,而且適用面要比牛頓理論更廣。

當然,愛因斯坦透過光速原理推導得到了物質、資訊、能量的傳遞速度不能超過光速。這其實也是愛因斯坦留給其他科學家來證偽相對論的一個角度。但是100多年來,無數人挑戰了這個假設,至今沒有人可以證偽相對論。因此,至少從目前來看,光速不變原理還是很堅實的科學假設。

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