※ [本文轉錄自 Gossiping 看板 #1Xo6jejC ] 作者: jfsu (水精靈) 標題: Re: [問卦] 吶 為什麼光速不變 時間: Sun Dec 26 21:17:04 2021 ※ 引述《encoreb00124 (江帥)》之銘言： : 愛因斯坦說光速不變 : 就算A和B都以光速前進，實際觀測還是相對對方以光速前進 : 為什麼呀 : 想了一整天想不出答案QQ : 光速是外星人嗎 以數學來說，你從馬克士威方程組推導出的波動方程式，隱約從中能看到光速是個 定值的影子。雖然愛因斯坦提出光速不變原理並不全是基於著名的邁克森-莫立實驗 (Michelson-Morley Experiment)而是當時已經發展成熟的電磁理論提出的必要假設。 Anyway，底下就來聊一下這朵在熱力學之父克耳文爵士(Lord Kelvin)口中的烏雲， 更是讓物理學家動筆也算不出內心陰影面積的實驗。 19世紀末期，從牛頓力學、熱力學和統計力學到馬克士威電磁理論，形成了經典物理學 (或稱為古典物理學)大廈的三本柱。當時，英國著名的物理學家克耳文爵士在英國皇家 研究所的新年慶祝會上，發表了一篇名為《在熱和光動力理論上空的十九世紀烏雲》 （Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light） 的演講。他認為今後物理學家只要替大廈的外觀做些補強的工作，使它更加完美即可， 只不過「動力理論主張熱和光都是運動的方式，現在這個理論的優美性和清晰性， 正被兩朵烏雲所籠罩。」 這兩朵烏雲分別指的是經典物理在光以太和馬克士威-波茲曼能量均分學說上遇到的 難題，它們帶來了一場前所未有的狂風暴雨，從根基上動搖了這座大廈，完全顛覆對 經典物理理論的認知，最後分別誕生出相對論和量子力學。 大家都知道，水波的傳播需要有水做媒介，聲波的傳播則是需要空氣做媒介，可是， 地球離太陽一億五千萬公里，這之間既無水也無空氣，在這近乎真空的環境，太陽光 靠什麼來傳播？ 於是物理學家就給光找了個傳播介質：「以太」，這個詞是源自於古希臘，原意是 高空，亞里斯多德認為下界為水、火、土、氣四個元素所組成，上界加第五元素， 以太(ether)」，即是一種媒介物質。1664年，笛卡兒(R.Descartes)首先將它用於 科學，說天體或其他物體間的作用就靠它。 牛頓發現萬有引力之後，碰到了第一個難題：在宇宙真空中，引力是由什麼介質傳播？ 為了能有一個解釋，他只好採用笛卡兒的說法，認為以太是宇宙真空引力傳播的介質。 如此一來，許多難題迎刃而解，法拉第的電磁力不能沒有它，馬克士威證明光也是一種 電磁波，當然光的傳播也要靠它。更重要的是，以太的存在正好說明牛頓的絕對 時空觀，它是一個絕對靜止的參考系，地球、太陽等一切運動都相對於它而進行。 「笛卡兒所設想的以太是一種作漩渦運動、球形的無重物質，充滿了整個宇宙」， 當德國物理學家麥古拉指著天空侃侃而談時，對黏性流體的運動十分感與趣的 英國物理學家斯拖克斯(George Stokes)說： 「啊，好像瀝青似的。」 「我看倒有點像蠟。」克耳文說。 「真像伸縮自在的愛。」幻影旅團4號成員舔舔嘴唇緊接著說。 我們不禁哄堂大笑，同樣的一種以太，每個人卻有不同的感覺 麥古拉連忙放下手臂，他覺得以太就是以太，不是瀝青，也不是蠟，更不是念能力。 由於以太涉及的範圍太廣，加上沒有實驗可做為依據，許多物理學家都參與其中， 提出不少研究以太的理論，逐漸變成物理學界中的顯學，甚至最後以太成為啥都能解決 的萬能藥，幾乎可以媲美上帝。 1884年，克耳文到美國來作一場科學報告。會後一群人擠在他身邊，想聽聽他對於以太 的研究。湯姆生說：「雖然以太解決了不少問題，但新的問題又接踵而來：以太代表了 一個絕對靜止的參考系，而地球穿過以太在空間中繞日運行，如同一艘船在高速行駛， 迎面會有一股強烈的『乙太風』不斷吹來，同時也會對光的傳播造成影響。誰能用 實驗證明了這股風的存在也就證明了以太的存在！」 這時在場的人群裡有一名覺醒青年，聽到這位物理大師的開示心中不由一怔，決定 投入更多的熱情在這個問題上。 這位青年就是邁克森，兩歲時父母帶著他自波蘭過鹹水到美國來謀生。17歲時他考進 安那波利斯海軍學院，畢業後到柏林、巴黎等地留學了兩年，然後又重返美國。 1879年，馬克士威寫信向美國航海年曆局的托德，討論測定地球相對於以太的速度 問題。他在信中認為，由於量測精確度的限制，目前所有測量光速的方式都不足以 證明檢驗地球的絕對速度。邁克森得知之後，立即著手設計一台可以測定微小長度、 折射率和光波波長的干涉儀(後來被稱「邁克森干涉儀」)來進行這個最困難的實驗。 ps.實驗的簡圖在教科書都有，此就不附上了。如果存在地球與以太的相對速度， 藉由測試兩束互相垂直的光的傳播速率會有微小的差別。 1881年，邁克森首次測量，卻是 404 not found，拍謝，是「零結果」。1884年， 在克耳文的鼓勵之下，邁克森與另一位科學家莫立(Morley)合作，改進了實驗裝置， 精確度達到40億分之1。1887年，邁克森重複了6年前的實驗，但得出的結果仍是 否定的。 這告訴我們，地球相對於以太的運動並不存在，或者說以太本身就是一個子虛烏有 的東西。邁克森，本來是想以精確的實驗為以太的存在提供證據，但卻適得其反， 真的很會。 ps.嚴格來說，單憑這點並不足以斷定以太是不存在，這只是證明了乙太風不存在。 愛因斯坦證明以太存在與否其實並無關緊要，認為可有可無。根據奧坎剃刀 (Occam's Razor)原則，物理學家便從此不提以太了。這是後話。 這項實驗結果一宣佈立即在物理學界引起一場軒然大波，本來萬里無雲的藍天上突然 出現了一朵烏雲。因為一旦放棄這個曾經可以解釋許多光電磁現象的以太說，那 牛頓力學的絕對時空觀將要從根本上動搖，經典物理學的大廈突然出現了裂縫！ 為了挽救以太，1889年英國物理學家斐茲傑(George FitzGerald)、1892年荷蘭物理 學家洛倫茲(Hendrik Antoon Lorentz0分別提出了物體在以太風中運動、長度收縮 的假設。 雖然這個假設讓以太說得以殘存，猶如風中蟾蜍，但現實的風向已經改變了。 愛因斯坦自16歲開始，他經常問自己一個問題： 「要是你追上一束光線，會花生省魔術？」 他花了10年的時間來思考這個問題，並研究了光在「以太」中的傳播，最後得出結論： 「牛頓的『絕對時間』與『絕對空間』是錯的！」 因為根據牛頓的理論，光速就是光速，沒有什麼特別，要超越光速絕對辦得到。只要 你跑得跟光一樣快，光在你眼前看起來就是凍結在時間中一串靜止的波。不過， 並沒有人看過光完全靜止的狀態，因此，牛頓的理論在此是說不通的。 愛因斯坦更在電磁大師馬克士威的理論中發現，光速是一個定值，不管你跑得多快， 光永遠以相同的速度前進。因此他認為，時間的同時性都是相對於某個參考系而來， 絕對的「同時」是不存在的，即「相對性原理(Principle of relativity)」。 從這樣一個超越牛頓理論的時空觀點出發，經由複雜的數學推導和運算，愛因斯坦 得出了狹義相對論（Special Relativity）結論，他拋棄了古典物理學中的乙太假說 和絕對時間、絕對空間的概念。不過一般人都很難理解這個狹義相對論，因為日常生活 中，大家所接觸到的都是遠小於光速的運動．．．。 至此，愛因斯坦自少年時期的疑問終於獲得解答： 「不論你跑得多快，光永遠會以同樣的速度離開你。」 以上 Reference 1.Wiki 2.科學五千年 3.量子物理史話 4.雅量 -- 對流血一週仍然不死的生物千萬不能大意……。 --

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