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17 分钟
光速不变理论01引子

偶然刷到b站视频: 【灵魂拷问篇-02问】时间到底存不存在?从狭义相对论到圈量子引力,一个视频,为你重塑现代科学时空观:https://www.bilibili.com/video/BV1vm4y1e7Gv

里面对光速不变性的解释
突然想到这么个东西,弹簧圈:https://haokan.baidu.com/v?pd=wisenatural&vid=7959112340369363701
感觉光可能这个有点类似,是个弹性体,而非刚体,这样的话,即使绝对参考系里,也能推出光速不变性

一:基础假设<撒出去的光子>,泼出去的水#

刚体速度:对于刚体模型,一端发力会完整传导到另一端,所以刚体2端速度完全相同
光速(弹性体)问题:光本身电磁波,通过场感应产生的,所以光源移动会立马传导到几分钟前发出的光子上?当然不是。光子一旦发出,就速度恒定跑出去了。简单类比:破出去的水,不可能受到盆的影响吧?(盆子向后移动,然后泼出去的水也跟着向后跑?想想还怪吓人的)
当然这个纯属个人假设,没有理论基础,万一光子离开光源后,还实时受到光源影响呢?

二:绝对的上帝视角#

引入绝对视角:上帝,他手中有个绝对原点和绝对尺子(就是绝对坐标系)
由于他是上帝么?他可以看到3重平行宇宙

其中
张三和李四,位于运动的板车上(就是运动着的坐标系,比如地球就是板车)
宇宙1:板车绝对静止,光1秒跑了c,板车长度也是c
宇宙2:板车朝着右侧运动速度0.5c
宇宙3:板车朝着右侧运动速度1c

此时巧了,各个宇宙的科学家张三,都开始计算光速了,开手电
那么就会发现这个现象,

宇宙3:1s后,第一缕手电光到达了哪里?显然是A线,基于假设:光子非刚体,一旦离开光源,不会受光源移动影响
首先,宇宙3中的光整体运行距离,当然是2c,但这个第一缕光达成的么?显然不是,第一缕光,在3个宇宙中都是同时到达A的。
宇宙3多出来的距离,纯属光源移动,导致的光柱的拉伸效果达到的。
那么宇宙3研究员计算的光速多少呢
从李四视角:他看到第一束光到达视网膜时间,以及最后一束光到达视网膜时间差多少?
第一束光会在B线处看到:时间0.5s
最后一束光等到李四移动到C线处:时间1.5s
得到光速:c/1s=c(为何这么算?计算光速的齿轮遮光法就是基于同样原理)
可见即使对于运动的宇宙3,其中研究员依然会计算出正确的光速c(也就是和静止宇宙1完全相同的速度)
对于宇宙2,我们也可以得到一样结论。
也就是说即使存在绝对坐标系,也能解释光速不变性,光在任何运动参考系中,测试的速度都是c(运动的参考系,不会影响真理的结论)

三:知乎更通俗的解释#

这一种理解,知乎上还真有类似解释:而且解释的更通俗易懂
民科心中的物理(虽然这个名字看起来很不靠谱):https://www.zhihu.com/question/298096903/answer/2257455377
简单来说,对于3个宇宙,同样时间内发出光波个数核定的,假如为10hz,单个光波长度x=c/10,但是由于宇宙3速度快,所以光线扫过路程更长,光波长就是2c/10=2x。(简单来说,由于光源朝着远处运动,导致光波被拉长了。红移,就这么来的)。但是由于宇宙3的李四,也在朝着光波,以速度c运动,就会导致他眼中光波又被压缩了。刚才被拉长了1倍的,现在又原样压缩回去了。所以李四眼中光波长还是x,波长不变,个数不变,所以总距离也不变。

那么进一步扩展
对于向左运动的光源,上帝视角看:光线扫过面积如下图的第一个图:
但是里面科研人员测试的各个角度光速都是一样的(也就是不论整个参考系怎么运动,光速在各个方向上都是均匀的)
其根本原因就是:光源运动后,导致的光波被压缩或者拉伸效应,由于另一个统计人员也在同步运动,会把压缩的光波再拉伸回来。导致此人看到的光波长和完全静止的参考系真实波长完全相同。所以光速也完全相同。

四:速度和速度不同#

光的速度和常规理解的速度不同, 常规意义上速度,由于物体刚体,所以计算一端移动速度就可以看做整体速度。 而光可以看做弹性非常好的绳,一端拉动后,已经脱手后的另一端可以不受影响沿着之前速度跑,所以2端速度可以是不同的,而速度差,是由自身的拉长(或者缩短)弥补的。这里虽然只有一个东西(光柱),但2头速度是不同的,这里的速度和我们直观理解速度,显然已经不大一样了

五:另一个问题<静止的人看运动的光源>,光速依然c(不会更快)#

张三在地下,朝着右侧发出一束光,李四在天上高速朝右飞,手里手电朝右侧发射一束光,张三看李四手电筒光和李四看张三手电筒光速度多少?
根据:发出去的光子泼出去的水(不受光源影响),此时张三李四的光,运动状态应该完全一样,这两束光二者步调一致向前推进!

运动的李四看自己手电:根据之前结论,同一个参考系中看自己光源速度是c,不会受到参考系自身运动影响
再根据:自己手电光和静止的张三手电光由完全步调一致, 所有:运动的李四看静止的张三的手电光速度当然也是c。
同理:静止的张三看飞行李四的光依然是速度c。这种模型下,不能把张三和李四手里的光柱看做刚体模型(刚体下,一个端点运动会立刻传递给另一个端点),把光看做弹簧圈更合适!!

这里重点是“看”:这个看和常规意义“看“不同。 比如:我们速度3km/h,一个小车速度5km/h,那么我们看小车速度:5km-3km=2km,那么我们和小车每小时距离变化为2km
光速的“看”不同,虽然李四看到的自己手电光速是c,但实际每秒钟,自己和第一缕光的距离增大c-v(v是自己移动速度),由于自己手电和自己运动方向一致,所以减法。如果v=0.5c,那么每秒二者距离增大0.5个c单位。
这个不对呀,不是说李四看自己手电光速是c么?这样c*1s=c对不上呀。
参考章节:三:知乎更通俗的解释,这里的“看”问题在于,这里”看”意思是”测量”,“测量”特指:齿轮遮光法 测量(计算光速的方法),齿轮遮光法 对光速的计算其实是存在bug的。

其实还有另一种更容易理解方式:
如果这里的“看”,和我们常规理解“看”一个意思:
那么:张三距离第一缕速度c,李四距离第一缕速度c,所以张三和第一缕光的距离=李四和第一缕光的距离,而两人同时开手电时,第一缕光同时出现,反推出张三和李四位于同一位置,但显然不可能啊,同一个参考系,一个静止,一个固定方向运动,不可能处于同一位置。
B站上很多对光速的理解,也是真么理解,但这肯定不对的。

类比假设:重物比轻物的更快落地的是对的
那么构造场景:10kg大球绑1kg小球,
得出结论:
角度01结论:整体是11kg的东西,下落速度大于10kg,
角度02结论:1kg东西拖慢了10kg速度,所以下落速度小于10kg,故假设必然不成立。

避免物理实验,通过理论上的自我矛盾,直达真理,是不是很优雅!!

六:迈克尔逊-莫雷实验#

简单来说,可以证明:以太不存在(更严格来说,和地球有相对运动的以太不存在),由于地球在宇宙中有运动,自转也算。所以地球上,光顺着以太和逆着以太时,速度应该不同。本身没问题,也很严谨,证明了以太不存在。但是如果以太存在,但是受到地球引力束缚,和地球一起运动,那么这个实验就啥也说明不了,最简单的,拿声波水波,复现这个实验,都可以得到声波水波不依赖某种介质传播的结论,显然,这俩肯定是依赖介质的
实验本身并没问题,目前也没证据显示以太有存在了,真空也能传递光线,可以认为电磁波可以不依赖目前已知东西传播。
关于这一点,b站这里有解释
相对论4︱迈克尔逊-莫雷实验为什么证明不了光速恒定?:https://www.bilibili.com/video/BV1eo4y1Q7oi

七:齿轮遮挡法的bug#

先说理想的光速测量:速度测量距离/时间,如果是光速,那么理想测试方法就是
2个点:点A,点B
二者距离:x米
A点开灯,同时B点开始计时,A点第一缕光线到达B点,此时距离/时间差就是光速。
这种方法绝对精准,这应该没啥疑问吧。
问题:同时,现在是做不到的,因为光已经是现实中已知的信息传播的最快途径了,假设有了什么量子纠缠技术。真正达到同时,那么就没问题。

再说现实中光速测量,关于齿轮遮挡法,可以参考科普教程
光速是如何被测量出来的?巧妙的“齿轮遮挡法”:https://www.bilibili.com/video/BV1rg4y157Fi
但是,齿轮遮光发测出的光速,由于2面反射镜都是和光源位于同一个参考系且相对静止状态,所以根据前文解释(三:知乎更通俗的解释),光源相对绝对时空运动导致的光波“拉长”,“压缩”,由于观察者(这里就是镜子,接受光子的人)的同步运动,把“拉长”or“压缩”的光波再次“压缩”or”拉长”回来,导致测量的速度等于光线本身速度,也即是c。

如果采用齿轮遮光法测量水波,声波,也会得到同样结论:首先会精准的得到二者速度数据,同时也会得到结论,不论波源如何移动,测量的波速都是相同的。但是实际,如果波源朝某一个方向运动,那么它靠近这个方向的波边缘更近。所以这个放在光波边缘一样合理。

简单来说,按照绝对参考系对光速的理解方式,目前已知的实验其实都是正常成立。光波的特性类比到水波和声波一样成立,目前的是实验,不论是迈克尔逊-莫雷实验,还是 齿轮遮挡法测光速,类比水波声波也一样成立。唯一需要注意的是,B站大量的错误解读,导致的误解,比如:张三以0.5c的速度,朝着光线运动,那么他眼中光速是多少,c没错,但是,他距离光线边缘的距离变化呢?0.5c,而非c。本质就是因为这里的“看”,和我们直观理解的“看”,并非同一个意思。

八:总结#

简单来说,电磁场无法传导力,所以不论光源怎么移动,光子只会以一个速度MOVE,光源左右移动,只会导致发出的光波长拉伸or压缩。无法传导到已经发送出去的光子上。
另一种理解就是把电磁波发生器看做打印机,打印机左右移动,会导致新打印出的字体被拉伸或者压缩,但不会对已经打印出的字带来任何影响(也无法对字体施加速度)。 当然,和电磁波相比,打印出的字无法自动扩散传播的。那就类比成在水面上打字吧,打印机自个移动不会加速水波的传递速度的
这一点声波也是一样的,相同状态的空气介质,声波不会因为声源移动而获得加速。

光速不变理论01引子
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作者
思想的巨人
发布于
2023-07-02
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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