关于光速不变与相对论的理解

2021年9月6日 1点热度 0条评论 来源: lynn0085

####关于光速不变

真空中的光速是目前所发现的自然界物体运动的最大速度。

光 速 永 远 都 是 c , 它 与 观 测 者 相 对 于 光 源 的 运 动 速 度 无 关 , {\color {Red}{光速永远都是c,它与观测者相对于光源的运动速度无关,}} c
即 相 对 于 光 源 静 止 和 运 动 的 惯 性 系 中 测 到 的 光 速 是 相 同 的 。 {\color {Red}{即相对于光源静止和运动的惯性系中测到的光速是相同的 。}}
此外,
物 体 的 质 量 将 随 着 速 度 的 增 大 而 增 大 , 当 物 体 的 速 度 接 近 光 速 时 , {\color {Red}{物体的质量将随着速度的增大而增大,当物体的速度接近光速时,}}
它 的 质 量 将 趋 于 无 穷 大 , 所 以 有 质 量 的 物 体 达 到 光 速 是 不 可 能 的 。 {\color {Red}{它的质量将趋于无穷大,所以有质量的物体达到光速是不可能的。}}
只 有 静 止 质 量 为 零 的 光 子 , 才 始 终 以 光 速 运 动 着 。 {\color {Red}{只有静止质量为零的光子,才始终以光速运动着。}}

为何所有的电磁波都是以光速前进?

从理论上说,光速不变可以由两个不同的原理得出,一是麦克斯韦方程组联解得出光速不变,即 c = 1 μ 0 ε 0 c=\frac{1}{\sqrt{\mu _{0}\varepsilon _{0}}} c=μ0ε0 1 ,光波的速度由真空介电常数与磁导率决定;二是相对性原理的成立说明光速不变。
一中对应的物理现象是双星现象,光源的运动对光速没有影响,同时对于光源来说产生多普勒效应;二中对应的物理现象是迈克尔逊莫雷现象,光源的运动对光速没有影响,同时对于光源来说不产生多普勒效应。这是两种不同的光速不变。

光速不变的原因就是任何惯性系下物理规律不变,而麦克斯韦方程组就是一种“物理规律”。假设我们在S(就地面好了)系下解麦克斯韦方程组,得到波动方程,很容易算得 c = 1 μ 0 ε 0 c=\frac{1}{\sqrt{\mu _{0}\varepsilon _{0}}} c=μ0ε0 1,然后我们现在换作S’惯性系下(相对地面做匀速直线运动的参考系),再解波动方程,会发现波速没有任何变化。
因为电磁波是相互激发的,E和H相互激发传播,不需要任何介质。波动方程在新的惯性系S’下的解没有任何区别,光速自然也就不变。也就是说,只要承认 1)麦克斯韦方程组;2)相对性原理,即任何惯性系统下物理规律不变。

关于时间膨胀公式的理解

时间膨胀(又称爱因斯坦延缓):

t ’ = t 0 1 − ( v c ) 2 t’=\frac{t_{0}}{\sqrt{1-(\frac{v}{c})^2}} t=1(cv)2 t0

假设粒子系是S’系,地面系是S系,粒子相对于地面是以速度v运动。

其实不要纠结名词,要先理解过程。

这两个寿命,
1、 一个是观测者和粒子一起运动,即粒子相对于观测者静止,观测者(用相对于自己静止的钟)测得的粒子的寿命,这个时间是 t 0 t_{0} t0
2、一个是粒子相对于观测者运动,观测者(用相对于自己静止的钟)测得的粒子的寿命,这个时间是 t’。

这两个寿命都是观测者用相对于自己静止的钟测得的。
不同的是,在1情况下,观测者【处在粒子系】测得 t 0 t_{0} t0;在2情况下,观测者【处在地面系】,测得 t’ 。

v>0时,
t’ > t 0 t_{0} t0 ,时间膨胀

不要泛泛而谈地谈及观测者,还要指明观测者处在哪个系。

同一惯性系不同地点相对静止时钟(爱因斯坦相要求对好的)永远同步!那么永远显示为相同时刻和相同时间间隔。

对钟

相对论爱因斯坦的校对时钟—简称对钟。理论推理上相对运动惯性系的时钟都需要首先对钟!
然后才谈得上分析推理。即没有标准时钟比较,谈时钟快慢就纯粹扯淡!(长度上标准米尺设定同理)。
对钟的意思是什么?就是必须理想假设为使所有时钟在同一惯性系完全同步、绝对准确。(题外话:逻辑推理则这些时钟无论怎么相对运动,只要没有动力学效应就永远绝对准确,不存在观察对方不准确,)。

所有的惯性系统平权。每个惯性系统的有效时钟只能是自己系统内的时钟

比如相对运动二惯性系设为S系和S’系,那么S系观测自己唯一一只静止时钟是不是都是固有时?假设S系时间间隔为Δt,S’系时间间隔为Δt’。
我们假设各自观测自己那相对静止唯一时钟,都各自报告各自固有时都为n秒。那么,显然
Δt=Δt’。
都是各自固有时,既然数值一样,其各自固有时必相等Δt=Δt’。注意了,这不是观测自己时钟和观测对方时钟(鬼知道能不能观测)的比较!是双方报告得出结果都一样。

####时空解
时空解源自爱因斯坦相对论。相对论告诉我们,物体高速运动时会发生“尺短钟慢”的现象,这种现象在低速运动中变化极小,可按牛顿力学定律视其无变化,但在高速中变化明显。
如沿运动方向取1米的标尺,以地球时间1秒计算,
每秒速度在3万公里时,1米为0.995米,1秒为1.01秒;
在15万公里时,1米为0.866米,1秒为1.15秒;
在29.7万公里时,1米为0.141米,1秒为7.1秒;
在29.99万公里时,1米为0.02米,1秒为50秒。
当物体运动速度达到光速时,物体沿空间方向的尺度会缩短为零,时间会慢到停止。

####零时空并不意味着真的一无所有,而是说我们无法测量这时空
“尺短钟慢”效应说明空间和时间是随物质运动速度的变化而变化的,它适用于一切物质,包括光。光速下,时钟停摆, 零 时 间 意 味 着 光 在 传 播 过 程 中 不 消 耗 时 间 {\color {Red}{零时间意味着光在传播过程中不消耗时间}} 空 间 是 物 质 的 延 展 性 , 时 间 是 物 质 变 化 的 连 续 性 或 延 展 性 。 没 有 时 间 就 意 味 着 物 质 静 止 不 变 , 保 持 原 状 , 所 以 光 速 不 变 {\color {Red}{空间是物质的延展性,时间是物质变化的连续性或延展性。没有时间就意味着物质静止不变,保持原状,所以光速不变}} 。零时空虽是合理推论,是自然现象、自然法则,也为知性形而上学所不容。更有一部分人认为运动是绝对的,静止时相对的,不但把运动与静止相割裂和对立,且把本应一并使用的对应范畴——相对与绝对分赠不同事物,在形而上学中也沦落到低层次。

辩证法认为有无同一,
零时空并不意味着真的一无所有,而是说我们无法测量这时空。无数光量子溶为一体,共同构成大统一场,不分彼此,此光即彼光,因为你无法分离出单个的光量子,你也就无法给定某个量子以特定的空间和时间。这一现象与经济学中全民所有疑难类同:生产资料归全体人民所有,每个人都拥有生产资料,这只是象征性的;每个人又不拥有生产资料,这是实际性的,无法确定哪些生产资料是某个人的,结果无产阶级仍是无产阶级。世风日下情况下,私心膨胀,就变成你的也是我的,不拿白不拿,大家都拿,拿大家的。

####人长期生存于人体尺度领域中,其生活经验及认识局限于此
人类生活领域比起这宇宙来,渺如尘沙,不值一提。人长期生存于人体尺度领域中,其生活经验及认识局限于此,这个世界的两极——极大和极小都在我们世界之外。相对论的理论不在于有用,而在于他突破了人类的认知边界:时间与空间。我们从来不会怀疑时间与空间,我们认为它是固有的,不会变化的,相对论突破了人类的认知边界。

    原文作者:lynn0085
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