能否简单的说一下光速不变现象?

以前貌似看过一个说法,在真空中不管你处于什么样的运动状态,测量到的光速都是C。这是为什么呢?

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25个答案
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LePtC物理学博士生

2013-12-29 21:13

真空中的光速不变就是「现象」不是「定理」
---------------12.30补充---------------
有人觉得我下面的批评莫名其妙,我不得不出来交代一下背景
题主的原问题是“能否简单地说一下光速不变定理”,我的回答也只有第一行而已
之后题主修改了题目并追问,我才补充了下面的批评

---------------批评开始---------------
我不知道现象还有什么好解释“为什么”的
我可以回答“怎么知道光速不变的?”
因为我们有迈克耳逊-莫雷等实验证实
我可以回答“怎么解释光速不变的?”
因为相对论时空服从洛仑兹变换
但是我回答不了“为什么光速不变啊?”

别扯麦克斯韦方程组,要是人们观察到光速会变,被改的就是麦氏方程组
麦氏方程组经受住了实验的检验,所以才会是今天我们所看到的这个样子
你拿麦氏方程组去证明一个自然现象,犯了循环论证的错误

因为我们先观察到光速就是特么不变,才用相对论时空观来解释它的
光速不变就和万有引力的存在一样,不为什么,自然规律

你题目问的就是“为什么”,我就不科普一堆验证光速不变的实验了
我觉得给以前和以后问这种问题的人都补习一下形式逻辑会更有帮助:

---------------12.31补充---------------
我们不证明公理,是因为人类不可能彻底认识自然,公理和原理还就是有变数的
这在数学上体现为修改公理,例如罗巴切夫斯基只是改了一个平行公理,就推出一套新的罗氏几何
这在物理上体现为发现新现象,例如下面这个历史上的“原理”

但这并不是说原来的公理就是错的了!这和反例推翻定理有很大区别!
我们只是扩大了我们的认知领域,原有的定理在原来的公理系统依然有效

我在引导你怎么看这个问题的本质,那就是我们的理论都是为现象而凑出来的
如果你想问的是,我们为光速不变现象凑出的理论是什么?
那你真的应该换一种方式提问的啊同学 TAT (答主是强迫症,不较真不幸福...)

题主表态他想要后面这个问题的答案,我就继续把坑填了吧

我们对参考系经典的理解是伽利略变换,相对速度直接相加
现在既然我们观察到光速不变,那变的就是时空了
这个变换叫洛仑兹变换,它是伽利略变换的升级版,在低速情况下和伽利略变换一致
继续讲就都是数学了,由于题主是文科生,我就不展开了,感兴趣的可以看前面维基百科的链接


笔记的模版传到 Github 上 啦

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峻舞涛天涯论坛科幻奥秘版首席版主

2014-07-29 17:27

作为科普狭义相对论的人,我觉得理解光速恒定是最应该科普的。不然的话,就像大学物理学课堂,虽然学生们知道方程式计算,但是为啥光速恒定,是怎么个恒定,却还是没有直观的理解…… 额, 停留在数学计算而已。下面我就把理解光速恒定的基本点列出来,完全不用数学,看看各位是不是被我痛骂的99.999%——— 怎么教都不理解:

1、请你理解: 时空是相对的, 也就是距离的长短,和经过这段距离所经过的时间是运动的本质状态,而且是可变的,也就是时空是具有相对性的,物体经过时空的速度,虽然由距离和时间决定,但是这个距离和时间其实是具有某种物理弹性的。

2、基于第一点的理解,我想说的是, 在地球上的人类,对于时空的这种相对性是很难理解的。因为我们的地球太小,环球8万里,不到0.14秒,光就跑了一圈,而只有速度达到光速级别的,你才能直观的感受到时空的相对性,这就是问题的关键,在我们人的感受里,空间距离一定是固定的,时间长短,那尼玛也是固定的。为啥理解不了? 因为是井底之蛙,只能感受到极小时空的变化,而时空的相对性,可能真得到了跑的和光那么快才能直观感受。

3、如果你是光,你自然可以一秒钟跑地球七圈多,在这个级别的感受下,你会发现,空间距离和时间是相对变化的,而不是很慢(地球上汽车飞机的速度就是太慢呗)级别的似乎时空固定。 然后你会惊讶的发现,光速才是不变的,变的是空间距离和时间长短。

也就是说,如果你开车从天安门向南是时速50,你朋友则相向而行,时速也是,50,然后你们的相对速度就是100,但是如果你是光, 那事情就不那么简单了, 你从天安门向南 是30万公里每秒, 你朋友向北漂,也是30万公里每秒, 按汽车的经验,你们的相对速度应该是60万公里每秒…… 但是在光速这么快的速度级别里, 时空的相对性就很明显了!绝不是你开车坐飞机那种完全体会不到时空相对性的程度!而是时空相对,速度恒定, 你和你朋友的相对速度,还是30万公里每秒……

这就是光速恒定!!!

怎么样, 没有半个数学公式啥的吧, 如果看完上面的文字,还是无法对光速恒定有直观理解, 这辈子你就别理解了……

要啥自行车啊……这辈子也就这样了……

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一张SHOUJI买卖人,买人卖人。

2014-07-30 14:59


误解来源于语言的不当性。物理学中的很多理解障碍,源于人类提出的问题不恰当、不合理。比如,光的速度是多少?这个问题是不恰当的,因为速度不是一个好的物理量。我们要学会区分物理量的好坏,从而问出有意义的问题。

速度为什么不是好的物理量呢?这跟速度的定义有关。速度是定义为空间对时间的导数。这就隐含了一层意思,就是认为时间是标记物体运动的一个参数,空间坐标是时间的函数,所以我们要了解空间关于时间的变化率,也就是速度。

这种定义明显地把空间和时间放在了不对等的位置上。一个粒子在时空中运动,划过一条世界线。按照狭义相对论的时空观,时空是等价的。粒子不仅在空间方向上运动,也在时间方向上运动。你凭什么要求空间对时间求变化率呢?这就好像你看到一个抛物运动的轨迹以后,问出一个问题:水平位移对垂直位移的变化率是多少?这有意义吗?有意义的问题应该是水平速度和垂直速度分别是多少。水平运动和垂直运动是两个平等的自由度,我们应该分别询问它们关于一个共同参数(比如时间)的变化率,才有意义。

作为类比,在相对论中,时间和空间都变成了平等的自由度,因此我们不能要求一个自由度对另一个自由度求变化率,而是要分别询问,时间和空间关于某个共同参数(比如世界线轨迹)的变化率,这才有意义。所以我们要定义一个有4个分量的速度:它的三个空间分量分别是三个空间坐标对proper time (固有时)的变化率,反映了物体在空间中的运动;还有一个时间分量是时间对 proper time 的变化率,反映了物体在时间方向上的运动。这种速度被称为恰当速度(proper velocity),又称为 velocity 4-vector,它是Lorentz 协变的。我们容易感受到,这样的速度才是好的速度。

这样,我们会发现,即使是一个静止的物体,它其实也在运动。静止的物体沿着时间的方向运动,从过去走向将来,其恰当速度的“大小”(scalar product of velocity 4-vector)正好就是光速。所以从这个意义上说,每一个物体都在时空中以光速运动!光速不是光所特有的,而是一切物体都共有的恰当速度。静止的物体和光的唯一区别就在于,静止的物体把所有的恰当速度都用到了在时间方向上的运动上去了,而光则把恰当速度“平均分配”到时间和空间两个方向上的运动上去。

那么这下好了,所有的物体在时空中的恰当速度都是一样大的,那么我们怎么比较物体运动的快慢呢?由于恰当速度不能够再用于衡量物体的快慢,我们需要专门针对物体的快慢定义一个新的物理量,叫做快度。

快度定义为:arccosh( v0 / c ), 其中v0 是恰当速度的第四分量,c 是真空光速。也许,我们会觉得很奇怪,为什么快度这么复杂的概念反而是一个好的物理量呢?这与我们看问题的角度有关,在狭义相对论的时空观看来,快度是衡量物体运动快慢最自然的物理量。因为它就是时空转动的转角(如果我们把 Lorentz boost 想象成一种旋转的话),从某种意义上,我们可以认为快度衡量了世界线和时间轴的“夹角”。对于静止的物体,世界线沿时间轴方向,夹角为0,所以快度也为0,故称之为静止。对于光来说,比较奇特一些,因为时空是 Minkowski 空间,所以夹角这件事情不是我们直接用量角器可以量出来的。实际上,按照定义式计算,光的快度是无穷大。

光的快度是无穷大,这说明了两个问题:第一,没有任何物体的快度可以比光更大,所以光是最快的;第二,无穷大加减任何有限的快度,仍然是无穷大,所以光在任何有限快度的参考系中,都是无穷快的,也就是说,光速不变。

(以上来自豆瓣的 Everett )

按:如果我说的没让你理解,那只有两种可能:1、我根本没理解;2、我表达不清楚,语文是体育老师教的。

最后,让骗自行车和手表的科学装逼犯见鬼去吧。

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支持者: 蟹小鱼 尘...曦...

当人们问“为什么光速不变”的时候,其实是在问——为什么常见的有质量物体的运动速度在不同参考系中不同,但达到光速后,在不同参考系中都相同?

他们并不是在问“为什么光速不变这现象不能用理论证明”……

人问为什么的初衷就是因为新认识的现象或者理论与先前已知的有不同。

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支持者: 追风狗蛋

如果看科普 有聊聊狭义相对论 果壳上也有走进量子纠缠 相对论实话。

我也是爱好者

看了这些科普书 C是一个实在的观测现象 很早就观察到 牛顿后时代就是物理世界的阴影 光速为相对以太的速度。

打电磁学土匪猛进后

这个问题开始撼动 整个经典物理的大厦 就是牛顿力学

然后 就是爱因斯坦相对论。

而起基础是C为一个绝对的不想对任何参照系变化的数值。

这个的 产生是

1基于麦克斯韦方程组
2光速不变的实验 迈克耳孙-莫雷实验

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榆木做的脑袋计算机与数学领域的学渣,在途者

2014-07-29 21:11
支持者: 白色猎手

楼上几位回答的都很清楚了,补充一些:
1.光速不变是相对论的基本假设,并没有说它一定是对的。
换句话说,如果光速不满足这个假设,这里面的东西大部分都会出错

2.为什么要有这个假设呢?原因很简单,因为我们做实验观测到的现象就是光速不变

3.题主要注意这样的一个事情,物理的关注点并不是在解释为什么会这样,而是在说这样了会导致什么后果。
至于世界为什么会这样,那是哲学家的事情

4.综上,物理只能回答你“光速不变”会怎样,回答不了“光速不变”为什么。
如果你要问为什么,请移步哲学区讨论。

ps(个人脑洞):我觉得整个世界乃至宇宙都是计算机模拟的结果,所以既然是模拟就必然有运算极限:一来是受限于存储器的大小,也就是说你不可能存储无限大的数字,二来是在处理非常大的数字时运算效率会降低。于是乎,那个万(ku)能(bi)的(cheng)上(xu)帝(yuan)就设定宇宙最高速度就是光速,免得哪天人类(答主)脑洞大开创造了一个速度无穷大的东西把他的电脑搞死机了。于是乎人类根据这个设定提出了光速不变原理
╮(╯_╰)╭

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支持者: 不靠谱的人

光速为什么是不变的,目前只能知道现象,对其本质原因仍然无法解释,只能确认与我们的时空特性有关。这样的无法解释就像量子纠结态一样,只能证明有这样的现象,还无法解释原因。

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支持者: 蟹小鱼

因为运行我们世界的母体(Matrix)计算机在不同线程间传递消息的最快速度就是光速了,哈哈哈(狂笑ing,无知的人类啊)
PS:忽略我吧,我神经质

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domino314自动控制助理工程师

2014-07-30 10:48
支持者: Miu_17270

我觉得吧,这个问题应该可以这么理解,无论什么物理现象,都是物质之间相互影响产生的现象,而物质之间互相影响都是通过力的传导,而力是以光速进行传导的,于是我们就可以理解为无论什么样的物理现象都是以光速发生的,所以光速是衡量时间流动的唯一标准,是一个绝对值,所以光速是恒定不变的,改变的只会是时间和空间。

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支持者: 蟹小鱼

可以类比声波,不论你在汽车上说话,还是在地面上走着说话,声速都是不变的,改变的只是说话的频率(改变的只是声源的位置),这一切都是因为声是靠空气传播的,声源在动,而空气没动。同理,光是一种电磁波,是一种场,火车动,飞机动,也影响不到它的场,除非弄面镜子改变它的方向,或者弄个透明介质减缓它的速度,再就是你的质量足够大,弯曲它的场。

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看作客观事实,或者是实验结论

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我觉得就像一楼说的,这是一个原理,其他所有的定理都建立在这个原理之上,谁也没办法解释他为什么是这样,就像我觉得我们应该也没办法解释牛顿第一定律为什么存在一样,我们没办法解释说为什么物体就一定有惯性。当然原理也可以理解为一个体系的一个基本假设,是长期试验得出的结果,类似于数学的公理(几何原本的那一套方法影响了整个科学史,直到现在这种方式还在用),要推翻一个定理,只要证明他的基本假设或者说他的原理是错的,那么整个体系也就土崩瓦解了。以上为本人愚见= =

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是不是信息的传递速度,不会超过光。所以这个宇宙的熵增加的速度是有极限的。所以宇宙才会比较稳定。

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这个很好解释啊。你开一辆电动车,而且这辆电动车是没有排挡的,只有一种速度。于是你的车就只能开这么快。一直到电池用完。在电池能量不够的时候车子就不动了。

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因为说光速不变的似乎有凭有据,而说光速可变的还不能找出依据,于是听话的人就把似乎当为真理,而不喜欢的也可再寻死理,最后是有可能死理压倒似乎的真理,到那时也许一切才从头再起。

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其实是提了一个好问题,因为物理的想象力应该是很形象的才对……

其实这个问题归结到一点就是:速度如何测量

测量速度,是依靠距离除以时间……

在伽利略变换中,两个相对匀速运动的参照系,看到的同一个位移现象,(从启动到结束)应该有相同的时间跨度,但是不同的距离,于是测到的速度是不一样的。

本来大家对这个结果挺满意的,忽然发现对于光速,无论哪个参照系测到的结果都是一样的……没办法,于是只好修改以前的假定了

例如,同一次位移,两个不同的参照系测到的时间跨度是不一样的……那么简单点,你先假设如果参照系和光速同方向,他的时间会走的慢些……慢多少呢?例如说和按比例来……系统和光速的差速比例是多少,其时间放慢的比例就是多少……的这样虽然测到的位移小了点,但测到的时间也小了点……于是就符合光速不变的现象了……OK!

不过后来发现事情没那么简单,万一有一堆不同的系统,你要想搞一个统一的方程,能够解释各个不同的参照系之间的反复变换都是正确的……又乱了,又乱了……这就变成要“猜”一个变换方程出来了能够应对这个局面……一堆大牛猜了半天,恩,洛仑兹变换似乎可以……那么就是相对论了……

什么?你问我为什么光速怎么测量都是一样的……这个问题赛过问为什么世界上有空间,有时间……他们背后深层次有没有关系……这个问题就不是洛仑兹变换去回答了的……如果有人知道你千万告诉我……

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依据上面大神的进一步形象化解释,我想可以这么理解:

想象一个气球的表面(关于宇宙和光速,很多时候都会拿气球来打比方啊),上面有A、B两点。
情形I:在气球瘪的时候,AB距离为1mm;
情形II:我们往气球中吹气,气球膨胀的过程中,AB的距离也在增大。

低速下我们讨论速度时只关注距离(即空间),因此以同样的速度从A走到B,两个情形下花费时间不一样。
而讨论光速时,时间是可变的,可以理解为情形II下多出来的那部分距离就是时间,光速在时、空上都有分量,因此两种情形对光需要的时间没有影响。只不过低速下,我们感受不到光速的时间分量。
而低速下我们所说的速度,只有空间概念上的意义,自然是相对的咯。

有的比喻原理上不是很正确,权当帮助理解就好。如有错误还请指教。

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这让我想起了三体中的那个 射手假说

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就像世界是由金木水火土组成的,没有为什么,就是这样的。理解不了!那你就别骑自行车了!

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蟹小鱼食品安全,出入境检验检疫

2014-08-01 09:56

上面解释的很清楚了。

对于光速的纠结主要来自于人们对于 速度 的固有观念。

抛去速度这个概念不谈,物理学的发展不断证明,我们的宇宙世界实际上是一个统一的场,从宏观到微观。

在这个场里面,最重要的介质是 能量,光只是能量的一个表现形式,光速不便,可以理解为不同参照系的能量表现形式不便变,这与C=300000km/s不是一个概念。

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解开这个问题的钥匙就是相对性原理和时间的定义 明明有爱因斯坦的著作为什么不看看呢?

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光速不变原理是狭义相对论的基本假设
它不能被证明,就好像你不能在数学体系下要求别人证明1+1=2一样
我们之所以说光速不变性
是因为它和目前观测的结果相吻合

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一句话实验观测。比如说一颗恒星,观测其红移,它的退行已经超过光速了,如果用经典物理推测,我们已经不可能看到它发出的光了,可是事实上我们观测到了,这就证明经典物理错了,光速不变!

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这。。。。。能回答的只有上帝了

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声波也有类似的情况,他的速度不受波源影响,和介质有关,一辆超音速火车上的人朝窗外大喊,1,2,3.你站在迎着火车头那边听到的却是3.2.1
所以楼主,这个东西不难理解。

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