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爱因斯坦为什么会提出“光速不变理论”?

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只要是一束光,那么不管它相对于什么惯性参考系,它的传播速度都是一样的。在爱因斯坦的相关理论中,“光速不变”可以说是我们最难接受的一个概念了,但就这个与常识相悖的理论,却偏偏成为了现代物理学的公理。

那么这条公理到底是怎么来的呢?这事要从大名鼎鼎的英国物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell)的电磁学基础方程组讲起,这组方程不光统一了电磁领域,而且还计算出了电磁波在真空中的传播速度与光速一致,从而预言了光也是电磁波,这个预言随后被实验物理学家所证实。

于是一个问题就摆在科学家们的面前,那就是所谓的速度都是相对某个参考系的,那光在真空中的速度又是以什么为参考系呢?对于这个问题,当时的主流理论认为宇宙中存在着一个无处不在的、绝对静止的参考系-“以太”。

在当时的科学界,对“地球围绕太阳公转”这个说法早已认同。显而易见的,地球相对于“以太”是有一个速度的,如果真空中的光速是相对于“以太”这个参考系的,那么根据速度叠加原理,从地球上发射出去的不同方向的光,它们的速度必定不会是相同的。

为了验证这个理论,美国物理学家阿尔伯特.迈克尔逊(Albert Abrahan Michelson)和爱德华.莫雷(Edward Morley)于1887年利用迈克尔逊干涉仪做了一个著名的实验,即迈克尔逊-莫雷实验。这次实验的结果是,光速在不同惯性参考系以及不同的方向都是不变的。

这个实验结果在当时可谓是石破天惊,因为它似乎撼动了当时整个物理学的根基,于是科学家纷纷进行了相似的实验,实验的精度也大幅的提升,然而这众多实验的结果都是惊人的一致!顺便提一下,阿尔伯特.迈克尔逊也因此成为了美国历史上第一个获得诺贝尔物理学奖的人。

科学家们不得不面对这一事实,即经典运动学是对的,麦克斯韦方程组也是对的,但为什么把它们放在一起就不对了呢?于是他们提出了各种理论来试图解释这个现象,但这些理论都不能做到完美的程度。

这个时候爱因斯坦大胆地指出,既然事实就是这样的,那么在宇宙中“以太”就不应该存在,而“光速不变”就应该做为一条物理学中的定律。

在此基础上,爱因斯坦提出了著名的“狭义相对论”,假设光速对于任何惯性参考系都是不变的。为了支持“光速不变”,时间和空间就不应该是绝对的了,这就是“钟慢尺缩效应”。

当一个物体在低速运动的情况下,因为时间和空间的变化程度极其细微,所以经典运动学可以给出近似的解释,而当这个物体的速度越接近光速,时间和空间就改变得越明显,这个时候就只能用相对论来解释了。

爱因斯坦就这样把这个问题解决了,我们也可以看出,“光速不变”这条定律,是爱因斯坦基于观测到的自然现象提出的一个合理的假设,简单的讲,就是猜的……如果有一天,你发现了真空中的光速其实是可变的,那么整个世界将因你而改变!

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见`

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