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光速不变公设

LincZero大约 6 分钟

光速不变公设

光速不变根本就没有“证明”?

光速不变理论是相对论的两个公设之一(另一个是伽利略相对性原理),我个人更倾向于将其称为公设而不是理论

参考:

  • https://www.bilibili.com/video/BV1hJ411P7Wi/

相对论现象:

  • 因果速度
  • 钟慢尺缩
  • 相对质量

相对性原理 和 光速不变理论

明确边界、公设

首先要明确边界。可以用公设

定义

公设/公理/前提假设

"公设,就是指在某一特定的科学领域中所共有的一个不证自明的假设。"

通常是无法证明,且当前无法证伪的东西

几何原理公设 (5条)

  1. 从一点向另一点可以引一条直线
  2. 任意线段能无限延伸成一条直线
  3. 给定任意线段,可以以其一个端点作为圆心,该线段作为半径作一个圆
  4. 所有直角都相等
  5. 如果一条线段与两条直线相交,在某一侧的内角和小于两直角和,那么这两条直线在不断延伸后,会在内角和小于两直角和的一侧相交

非欧几何公设 (4条)

  • 在几何原理的基础上去除了第五公设

    长期以来,数学家们发现第五公设和前四个公设比较起来,显得文字叙述冗长,而且也不那么显而易见。有些数学家还注意到欧几里得在《几何原本》一书中直到第29个命题中才用到,而且以后再也没有使用。也就是说,在《几何原本》中可以不依靠第五公设而推出前28个命题。因此,一些数学家提出,第五公设能不能不作为公设,而作为定理?能不能依靠前四个公设来证明第五公设?这就是几何发展史上最著名的,争论了长达两千多年的关于“平行线理论”的讨论。由于证明第五公设的问题始终得不到解决,人们逐渐怀疑证明的路子走的对不对?第五公设到底能不能证明?

牛顿三大定律公设 (3条)

  1. 伽利略的相对性原理

  2. 绝对时间

    "时间,是绝对的、真正的和数学的,而且由于其本性而在均匀地、与任何外界事物无关地流逝着。"

  3. 绝对空间

    "空间,就其本性而言,是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的。"

相对论公设 (2条)

  1. 伽利略的相对性原理
  2. 光速不变原理

为什么光速不变

光速不仅不变,而且还是有限的……如果光速是无限的,很多力也是超距作用,其实也就没有很多后面的东西了

数学解:麦克斯韦 —— 电磁转换推导

高斯电场定律:SEdA=Qencε0讲电荷量总和=空间电荷/一个常数高斯磁场定律:SBdA=0讲磁通量外表面总和=0(不存在磁单极子)法拉第定律:CEdl=dΦBdt变化的电场可以产生磁场安培麦克斯韦定律:CBdl=μ0ε0dΦBdt+μ0Ienc变化的磁场可以产生电场 \begin{aligned} 高斯电场定律: & \oint_{S}\overrightarrow E\cdot d\overrightarrow A=\frac{Q_{enc}}{\varepsilon _0} && 讲电荷量总和=空间电荷/一个常数\\ 高斯磁场定律: & \oint_{S}\overrightarrow B\cdot d\overrightarrow A=0 && 讲磁通量外表面总和=0 (不存在磁单极子)\\ 法拉第定律: & \oint_{C}\overrightarrow E\cdot d\overrightarrow l=-\frac{d\Phi_B}{dt} && 变化的电场可以产生磁场 \\ 安培-麦克斯韦定律: & \oint_{C}\overrightarrow B\cdot d\overrightarrow l=\mu_0\varepsilon_0\frac{d\Phi_B}{dt}+\mu_0I_{enc} && 变化的磁场可以产生电场 \\ \end{aligned}

其中第四条中,有个波动方程

μ0ε0=1V2V=1μ0ε0=3×108m/s \mu_0\varepsilon_0=\frac{1}{V^2}\\ V=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}=3\times10^8 m/s

但这就能证明光速不变吗?

这里推导出来的数学解有一个问题,真空电容率、真空磁导率、麦克斯韦方程组中,这里根本没有提参考系

没提参考系那能不能证明光速对于任何参考系来说都不变?不行,要是这样被证实了也不会提出以太的概念了

之前认为这里的光速都是相对于 “以太” 来说的

以太:

假设的一个全局的、静止的,参考系

实验解:迈克尔逊莫雷实验检测没有以太

证明不存在该现象:

光速相当于以太恒定,而地球又相当于以太做匀速直线运动。

那么光在垂直和水瓶两个分量上的速度就不一样

image-20240916012300718

但这就能证明光速不变吗?

这个实验的目的是证明以太不存在。

如果要证明光速不变,那么要证明光速对任何参考系来说都不变。但是这个实验中,观察者是同一个接收源!无法证明

那能设计出实验证明吗?似乎没办法?

那能不能用钟慢效应的之类实验反过来证明?

好像还是只能说这个现象验证的相对论的推导,没办法反过来证明。

哪怕反过来了,“钟慢效应” 就变成了公设了,因为这个东西也是属于无法证明也现在无法证伪的东西。

“时间之谜”!如何正确的理解“光速不变”!

参考:https://www.bilibili.com/video/BV1Tr4y1M72F/

多普勒效应、光的红移

虽然速度不变,但是评论是可以变的

多普勒效应本来是应用在水波和声音上,但光也有

这里要注意区分这三者的关系:观察者、波源、介质:

观察者波源即观察者与波源即观察者与介质结果
静止静止静止静止频率不变、波速不变
静止右运动运动静止频率变低、波速不变
右运动右运动静止运动频率不变、波速变慢
右运动静止运动运动频率变低、波速变慢

再来看光:若光的频率可变但速度不可变,则:

  • 观察者和波源有相对运动
  • 观察者和介质无相对运动

话说能不能提这么一个假说:

对于任意观察者都有一个独立的介质

但这应该是违反了伽利略相对性原理

再来看迈克尔逊-莫雷实验,实验结果是光速不变

  • 那么要么实验位置从未移动
  • 要么以太和实验位置一起移动,之间没发生相对运动

就显然不可能,于是得到:光没有介质、以太不存在

视角变换

  • 伽利略变换
  • 洛伦兹变换

麦克斯韦方程组在洛伦兹变换下是协变的,在伽利略变换下是不协变的。

举例:

观察者A在一个不带电的球X上,观察者B在一个绕X旋转的带负电的球Y上。

A看来Y运动产生磁场,B看来X运动但自己不运动,只存在电场而没有磁场。

后者无法变换两者视角,而前者可以