日常生活经验告诉我们,任何速度都是有参照物的,否则就没有意义。我们平时所说的速度基本上都默认以地面为参照物。
那么光的参照物又是什么呢?
光速很特殊,它也是有参照物的,只不过光的参照物非常特殊,因为光速相对于任何参照物都保持不变,也就是光速不变原理,这种“霸道”行为让光速看起来很另类,也曾经让一百多年前的物理学界陷入莫名的恐慌不安。
一切还需要从麦克斯韦对于电磁波的本质讲起。
19世纪,麦克斯韦提出了伟大的麦克斯韦方程组,堪称人类历史上最美的方程,这个方程如此优美,如此简洁,在当时的物理学界引起了巨大轰动。
不过,在惊喜之余,人们发现,麦克斯韦方程组推导出来的光速竟然是一个常数,这样的结果完全震撼了当时的物理学界。
因为如果光速果真是一个不变的常数,也就是说光相对任何参照物都保持不变,这意味着什么?意味着牛顿力学统治下的绝对时空观将轰然倒塌,起码是不完备的!
这样的结果是难以想象的,也是当时的物理学界大佬无论如何不能接受的,因为牛顿经典力学在当时的统治地位非常牢固,人们坚信牛顿经典力学不会有错,这种坚信就犹如某种偏执的力量一样,不容任何质疑牛顿经典力学的声音出现。
但同时,麦克斯韦方程组也足够伟大,也是物理学家们坚信不疑的。怎么办?如果不能很好地协调两者之间的关系,最终其中一个肯定要被抛弃。而无论是抛弃哪一个,都是物理学家们不能接受的。
结果还是先入为主,物理学界大佬还是选择了牛顿经典力学,这样的选择也很正常,毕竟牛顿经典力学诞生了几百年,而麦克斯韦方程组只是一个“新来的”。
不过,这并不是说物理学家们放弃了麦克斯韦方程组,而是通过各种方式试图调和两者之间的矛盾,在牛顿经典力学绝对时空观的基本前提下,寻找两者的契合点。
在这种背景下,“以太”的概念应运而生。以太,被认为就是光速的参照物,它是绝对静止的参照物,在宇宙中无处不在。
但科学并不是儿戏,科学的确需要假设,但更需要假设之后的求证,正所谓“大胆假设,小心求证。”
以太是假设的概念,就需要实验来验证其确实存在。于是物理学家们做了各种实验,试图找出以太存在的证据,比如说著名的迈克尔逊莫雷实验。但不管他们如何做实验,结果都表明在任何参照物下,光速都保持不变,也就是说,以太其实是不存在的。
对于实验结果,绝大多数物理学界大佬都持怀疑态度,就连麦克斯韦本人也是如此。他们根本不会有“以太根本就不存在”的任何想法,因为他们知道这种想法意味着什么,意味着绝对时空观的崩塌!
于是,庞加莱和洛伦兹等物理学界大咖想尽各种办法,利用现有理论尽量调和牛顿经典力学和麦克斯韦方程组之间的矛盾,但无论如何调和看起来都是在“左右逢源”。无论是牛顿和麦克斯韦,他们都不敢得罪,于是只能在绝对时空观的基本前提下,尽量调和矛盾!
这时候,就需要一个具有独特思维能力的人站出来给大家指明方向,这个人就是爱因斯坦。
爱因斯坦的想法是这样的,既然以太的概念是假设的,就没有必要抱着“以太一定存在”这个前提去解决问题。既然没有任何证据证明以太存在,反而有更多的实验表明以太根本就不存在,就没必要坚守“以太”的概念。
秉承着“如无必要勿增实体”的理念,爱因斯坦用“奥卡姆剃刀”一下把以太“咔嚓”掉了,以太就像是“无用的累赘”一样,一旦去掉之后,前提一片光明!
于是,爱因斯坦果断抛弃了牛顿的绝对时空观,提出了全新的相对时空观,完全颠覆了牛顿经典力学,狭义相对论就这样诞生了。
说点题外话,其实当时的庞加莱和洛伦兹等人已经无限接近狭义相对论了,但他们就是无法捅破“绝对时空观”那层“窗户纸”,以至于思维方式彻底被绝对时空观束缚住了,遗憾地与狭义相对论失之交臂!
在光速不变原理和相对性原理的基础上,爱因斯坦创建了伟大的狭义相对论。表面来看,这两大原理似乎是矛盾的,本质原因就是伽利略相对性原理其实是不完备的,它是以绝对时空观为背景的,只是空间上的相对性原理,而忽略了时间上的相对性,所以伽利略相对性原理在电磁作用上才会不适用。
说白了,时空的相对性与速度息息相关,只不过在低速世界,时间的相对性很难体现出来,非常不明显,所以伽利略相对性原理还是适用的,而一旦速度达到了亚光速甚至光速,就必须要考虑到时间的相对性,伽利略相对性原理就不适用了。
而光速不变原理,其实就是空间和时间都是相对性的结果,这样的结果彻底颠覆了牛顿经典体系下的绝对时空观!
也就是说,光速不变的底层逻辑是:光速就是时空的固有属性,所以光速相对于任何参照物都保持不变。光速不需要参照物,它是绝对的,如果说非要参照物的话,光速的参照物就是四维时空本身!
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