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光速为什么恒定不变?标准答案是什么?

上回我们说到,牛顿力学和电磁学出现了明显的矛盾,物理学家们就假设出了以太来解决问题。

之后就开始找以太,看看这东西到底有没有,找以太其实就是在找绝对静止的参考系,以及光的传播媒介,结果令所有人大为吃惊,这东西根本找不到。

实验在遭遇失败以后,又回到了起点,物理学家们又不得不面临在牛顿和麦克斯韦之间二选一的困境。面对这种情况都不知道如何是好,手心手背都是肉,牛顿力学,电磁学都是亲儿子。

这时半路杀出了一个不知名的小青年,不按套路出牌,乱拳打死了一片老师傅。

这位就是大名鼎鼎的爱因斯坦。当时的爱因斯坦只不过是专利局一个小小的三家技术员,这个工作算是公务员,对我们这些普通人来说,这是一个相当体面的工作。

但对于爱因斯坦来说,这个工作的好坏就没法定义了,要不是大学同窗格罗斯曼求着父亲给爱因斯坦找这个工作,估计爱因斯坦还是个无业游民。

爱因斯坦是1900年7月从苏黎世联邦理工大学毕业的,由于他上学时候的表现,让他的数学老师闵可夫斯基和物理老师韦伯极其恼火,所以给了爱因斯坦非常差的毕业评语。

导致了爱因斯坦毕业以后,没有一所大学要他,教书的梦想破灭了,爱因斯坦就写自荐信给其他的物理学教授,看能不能去实验室当个助手之类的,发出去的信件就像扔进了沟一样,一点声响都没有。

物理学家的梦想也破灭了,把爱因斯坦弄得是不上不下,找不到合适的工作,两年时间的无收入,让他吃饭都成了问题。

幸亏了他的好友格罗斯曼,爱因斯坦才在1902年6月23日踏进了瑞士伯尔尼专利局,对爱因斯坦来说,这个工作只是解决了他的生活,并不是他得归宿。

事实证明,爱因斯坦的性格就适合干这种朝九晚五的工作,不适合去实验室,更不适合给人当助手;

在专利局工作的好处非常多,干完自己的本职工作,就可以无拘无束地思考物理学,没人限制,更没人批评年轻的爱因斯坦,爱因斯坦最受不了的就是这个。

1905年这一年,对爱因斯坦来说,像是上帝亲吻了他的大脑一般,在他的头脑中爆发出了惊人的思维风暴。

这一年,爱因斯坦发表了5篇论文,每一篇都足以让他名垂科学史,关于光量子的论文,使他获得了诺贝尔奖,也使他成为了量子论的开创者之一;

测量分子大小的论文,使他获得了博士学位;对布朗运动的解释,成了验证原子存在最好的证据,论动体的电动力学,使他统一了时空,最后一篇论文中他提出著名的方程E=mc?。

其中《论动体的电动力学》就是我们要说的主题,后世称为狭义相对论。

从论文的名字就可以看出,爱因斯坦的目的是想调和牛顿动力学理论和电动力学之间的矛盾。

这篇论文的形式,跟牛顿的《原理》如出一辙,从假设公理出发,经过逻辑严密的数学推导,得出定理。

其都延续了欧几里得《几何原本》的公理体系。足以见得欧几里得几何学对西方科学思想的影响。

在《论动体的电动力学》中,爱因斯坦提出了两条公设,也被称为狭义相对论的两条基本原理。

第一,所有的物理规律,在任何惯性系下,保持不变。称为相对性原理。

第二,光在真空中的传播速度恒定不变,称为光速不变原理。

爱因斯坦正是以这两条基本假设为前提,经过逻辑演绎,发展出了狭义相对论中的各种定理,所以了解这两条基本假设,对于了解相对论来说,非常重要。

因为没有这两条假设,就没有相对论,这两条假设中的任何一条是错误的,那以此为基础的各种推理都是错误的。

我们先说相对性原理,估计有人觉着这个原理很眼熟在哪里见过,说明你的记性还不错,伽利略曾经也说过一个相对性原理。

他说,在任何惯性系下,力学规律保持不变。意思就是,在惯性参考系下,没有哪个运动状态比另外一个运动状态更加优越,比如你坐着飞机以每小时800公里的速度巡航,我骑着自行车以每小时一个馒头的速度爬行,从舒适感上你确实比较优越。

但是对于物理学定律来说,一切惯性系都是平等的,你在飞机上做力学实验,跟我在自行车上做力学实验获得的逻辑形式和数学形式完全一样。

这就是伽利略相对性原理,而爱因斯坦认为,为什么只有力学规律,难道力学规律就比其他物理学规律更加优越?

难道电磁学、热力学规律都难登大雅之堂?很显然,上帝喜欢简单,不喜欢搞这种区别对待,所以爱因斯坦就将伽利略相对性原理扩展到了所有的物理学规律,这就是狭义相对性原理。

既然电磁学的逻辑形式和数学形式在惯性系下保持不变,那么在电磁学中描述光速的方程也应该不变。

由于电磁学中描述光速的方程,跟介质,以及参考系都没有关系,所以只要这个数学形式不变,那么光速在惯性系下就不会发生改变。

也就是说,你在飞机上测量的光速,跟我在自行车上测量的光速应该是一样的,这就是光速不变原理,只要电磁学定律在惯性系下保持不变,只要狭义相对性原理正确,那光速相对于惯性系就恒定。至于非惯性系,爱因斯坦这时还没有考虑,因为在非惯性系下,物理定律就就发生改变,至于对光有怎样的影响,这些广义相对论需要考虑的范畴。

其次,迈克尔逊-莫雷实验也证伪了以太的存在,没有绝对静止的参考系,麦克斯韦方程组也预示着光速不变,因此爱因斯坦才大胆的将光速不变作为了一条公理假设。

爱因斯坦发现,在牛顿力学当中,把光速看作一个随着参考系变化而变化的量,那么空间和时间就是绝对的,但是当你把光速看作恒定不变,也就是光速时绝对的,那么空间和时间将是相对的,根据光速不变原理,很快爱因斯坦就 发现了一个不同于牛顿的世界观。

这就是我们下个视频的内容。

最后我们回答,为何光速恒定不变?

其实上节课,我们在结尾已经表明了这样一个观点,光速不变这件事无法被证明,只能被证伪。现在爱因斯坦把它当作了狭义相对论的一条公理假设,更是意味着这条表述不需要证明,也无法证明,但你任何人都可以来证伪。

光速不变,只能由经验得出,然后根据它推理出一系列的定理,这就是科学研究的一般方法,也是指导整个人类科学发展的公理体系。

如果你非要追问为何光速恒定不变,给出来的回答全是相对论的表述,你又会说,你这不是循环论证吗?其实严格来说不是,这是逻辑自洽,先假设光速不变,然后得出一些推论,这些推论又验证了你的假设是正确的,这说明你的体系逻辑一致,完美自洽。

那这是不是意味着,就不能怀疑光速不变这条假设了?并不是,你完全可以假设光速不恒定,然后根据你这条假设继续往下推导,得出符合逻辑的推论,并且得到实验验证。

那么你就可以证伪爱因斯坦的相对论。只要你有能力,完全可以这么做。但是如果你给不出逻辑自洽的推理体系,或者说,你的体系得不到实验的验证。

你还在质疑相对论,还在怀疑相对论的基本假设,那科学一般会无视你的质疑,不做任何回应。

如果你只是单纯地想知道为什么光速恒定不变?科学一般也会对这种问题不予理睬,因为科学本身就不是一个能回到所有为什么的学科,你只要接受就好。

好了,今天的内容就到这里。