2.2  光速不变假设

 

1. 光速不变的两种说法

 

1)惯性系内

在某一惯性系内,光速是常数。例如地面是惯性系,光对地面上一切静止物体的速度是常c

在地面上运动的汽车中,光对汽车的速度c

2)惯性系之间

光对任何惯性系的速度都是常c。这种说法的结果是,光对地面的速度c,光对运动的汽车的速度也是c

第一种说法比较容易接受。第二种说法,不容易接受,因为它不符合逻辑;也就是,不符合思维的基本规律,所以只能作为一种假设。

通俗的说法是,谁是惯性系,对谁就c

众所周知,速度的大小必须有参照物,光速的参照物本来是以太,现在改为惯性系。

惠更斯原理是,波前可作为新的光源。由此联想到光速不变是惠更斯原理的延伸。任何惯性物或惯性系都可当作一个新的光源,新光源发射的光一定是光速。光速不变与惠更斯原理的区别是,光速不变是对所有惯性系而言。

为了叙述方便,本书中把这一假定简称为“光速不变”。

 

1. 光速不变的解说

 

1)迈克尔逊-莫雷实验

用光速不变假设解释迈克尔逊-莫雷实验是最简便的方法。反之,光速不变假设的根据就是迈克尔逊-莫雷(Michelson-Morley)实验。

2)假设性

迄今,人们无法说明这个假定是正确的,也无法说明这个假定是错误的,所以作为假设是合适的。

3)实用性

这个假定具有实用性,和现实性。即使将来有了正确理论,那么光速不变假设,作为新理论的一级近似,一定是合理的。如果将来发现以太介质,那么真空中的光速不变也是成立的。其实,物理学中没有精确证据否定以太的存在。

4)正确性

根据这个假设建立的理论,能够处理高能物理现象。可以这样说,实践证明这个假设所得到的结论是正确的。当然,这不代表假设本身一定是精确的。

5)电磁属性

光速不变是电磁时空的属性,用经典时空的观点来理解是不行的。

6)与光源无关

理论上,场的传播速度是由场的物理性质决定的,与光源的运动无关。

既然假定了光速对任何惯性系都是常数,那么势必认定光速与光源运动无关,否则假设将失去作用。

7)观测性

光速不变假设是观测性质的,它是基于观测的结果,而不是理论的需要。光的真实传播速度没有人能够知道,当人们对它测量时,它就是常数c,于是就有了光速不变假设。观测性与理论性的区别在于,观测性的假设是可调的。当我们使用非电磁信号,且速度大于光速时,假设的近似程度将显露出。

 

2. 光速不变的应用:不变量

 

从惯性系平等,我们得到两个重要的概念:本征值和观测值。当进行观测时,本征值的数值发生变化。那么有没有不变的量呢?数学上有,物理上没有。物理学是一门近似的科学,所有的量和公式都近似的。物理上只有不变的关系,找到一种不变的关系就可以建立 一种时空。在图2中,由光速不变得到下面的关系:

     

不变量的形式为A2-B2

这个不变关系式经过数学处理之后,可以得到与坐标系转动不变量相同的数学形式。于是借助坐标系转动不变量的数学公式,很容易导出洛仑兹变换公式。

 

 

2.3  相对性原理

 

       

 对电磁现象进行测量,必然用电磁信号,从而形成电磁闭合回路。由于是惯性系,即匀速直线运动,所以无法区分静止或运动。这是无法摆脱的事实,是惯性系的属性,不须单独作为一个原理。