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原創(chuàng) Eugene Wang 萬象經(jīng)驗(yàn) 2023-05-20 11:17 發(fā)表于福建 光速是自然界中最基本的常數(shù)之一，它在愛因斯坦的相對(duì)論中扮演著至關(guān)重要的角色。然而，在廣義相對(duì)論的發(fā)展過程中，愛因斯坦曾經(jīng)探索過一種光速可變的理論。在這篇文章中，我們將從頭講述對(duì)光速認(rèn)識(shí)的發(fā)展。 在19世紀(jì)末，物理學(xué)界普遍接受了麥克斯韋的電磁理論，認(rèn)為光是一種電磁波，它在真空中以恒定的速度傳播。然而，這個(gè)假設(shè)與牛頓力學(xué)和伽利略相對(duì)性原理相矛盾。根據(jù)伽利略相對(duì)性原理，如果一個(gè)觀察者以某個(gè)速度沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，那么他看到沿著同一方向運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)物體的速度就要減去他自己的速度。例如，如果一個(gè)觀察者以10米/秒的速度向東行駛，他看到一個(gè)以20米/秒向東行駛的汽車，那么他會(huì)認(rèn)為汽車相對(duì)于他只有10米/秒的速度。但是如果這個(gè)物體是一束光呢？根據(jù)麥克斯韋理論，無論觀察者如何運(yùn)動(dòng)，他都應(yīng)該看到光以c=299792458米/秒的速度傳播。這就產(chǎn)生了一個(gè)悖論：如果兩個(gè)觀察者以不同的速度運(yùn)動(dòng)，他們看到同一束光的速度應(yīng)該是一樣的還是不一樣的呢？為了解決這個(gè)悖論，許多物理學(xué)家試圖尋找一個(gè)可以解釋光速恒定性的參考系，即所謂的“以太”。他們認(rèn)為真空并不是空無一物的，而是充滿了一種無形無質(zhì)量的介質(zhì)，它可以作為電磁波的載體。他們假設(shè)以太是絕對(duì)靜止不動(dòng)的，并且所有物體都在以太中運(yùn)動(dòng)。因此，在以太參考系中，所有觀察者都可以看到光以c=299792458米/秒的速度傳播。然而，在其他參考系中，由于觀察者相對(duì)于以太有不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，他們看到光的速度就會(huì)有所不同。為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)，1887年美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷進(jìn)行了著名的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。他們利用一個(gè)精密的干涉儀，在兩個(gè)垂直方向上測(cè)量了來自同一源頭的兩束光在經(jīng)過反射后重合時(shí)產(chǎn)生的干涉條紋。他們預(yù)期，在地球繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球相對(duì)于以太有不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，兩束光在兩個(gè)方向上經(jīng)過以太傳播時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間應(yīng)該有所不同。這樣就會(huì)導(dǎo)致兩束光之間產(chǎn)生一個(gè)相位差，并且隨著地球位置和方向的變化而周期性地改變。這個(gè)相位差就會(huì)反映在干涉條紋上，并且可以通過旋轉(zhuǎn)干涉儀來觀察和測(cè)量。然而，邁克爾遜和莫雷發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)精度范圍內(nèi)，并沒有觀察到任何干涉條紋隨時(shí)間或方向而改變。這意味著兩束光在兩個(gè)方向上經(jīng)過真空傳播時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間沒有任何差別。換句話說，在地球參考系中，來自任何方向的光都具有相同且恒定的速度c=299792458米/秒。這個(gè)結(jié)果與以太假設(shè)完全相悖，并且給物理學(xué)界帶來了巨大的沖擊。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)后，物理學(xué)家們?cè)噲D用各種方法來解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果和拯救以太假設(shè)。其中最著名也最成功的是洛倫茨和菲茨杰拉德提出了一個(gè)假設(shè)：當(dāng)一個(gè)物體相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)沿著運(yùn)動(dòng)方向收縮一個(gè)因子，同時(shí)它上面運(yùn)行的時(shí)鐘會(huì)減慢一個(gè)因子，這樣兩者互相抵消就可以解釋為什么邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)沒有檢測(cè)到任何效應(yīng)。 1905年，愛因斯坦打破了傳統(tǒng)的觀念，提出了狹義相對(duì)論，它是一種全新的物理理論。他從兩個(gè)基本假設(shè)出發(fā)：一是物理定律在所有慣性參考系中都是相同的，二是真空中的光速在所有慣性參考系中都是恒定的。他用狹義相對(duì)論完美地解釋了邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并且預(yù)言了許多新的現(xiàn)象，如長度收縮、鐘慢效應(yīng)等。 然而，愛因斯坦并沒有完全放棄光速可變的想法。在1907年到1915年間，他曾經(jīng)嘗試過將光速作為時(shí)空的函數(shù)來建立一個(gè)更一般化的相對(duì)論。1911年，愛因斯坦發(fā)表了一篇論文，給出了光速與引力勢(shì)之間的關(guān)系： 。1913年，他認(rèn)為光速恒定原理只在引力勢(shì)恒定的特定時(shí)空區(qū)域中成立。 在愛因斯坦的光速可變理論中，由于光速與引力勢(shì)有關(guān)，所以引力梯度是引起光線偏折的原因，這就像在致密介質(zhì)中光的折射是一樣的。這樣一來，他就可以用類似的惠更斯原理來推導(dǎo)光線偏折。愛因斯坦根據(jù)這個(gè)假設(shè)，推導(dǎo)出了在太陽附近的光線偏轉(zhuǎn)為“將近一弧秒”。1919年，愛丁頓利用日食對(duì)廣義相對(duì)論進(jìn)行驗(yàn)證，光速可變得到的結(jié)果僅為廣義相對(duì)論得到的正確數(shù)值的一半。 雖然最后愛因斯坦放棄了光速可變?cè)?，但之后還有其他人還在進(jìn)行這項(xiàng)研究。比如1957年羅伯特·迪克提出了另一種光速可變的引力理論，還有宇宙膨脹替代理論的現(xiàn)代光速可變宇宙學(xué)理論。然而，這些理論受到了很多質(zhì)疑，如何測(cè)量光速也成了很大的問題，因?yàn)楝F(xiàn)在長度和時(shí)間依賴于對(duì)光速的定義。
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