光速不变如何被证明
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03:18查看AI文稿AI文稿为什么说即便你达到了光速，也依旧无法超过光速？当你真正了解光速不变原理时，便会理解那句，光锥之内就是命运。假设在一列行驶的火车上发出一束光，对于火车上的人来说， 他看到的光速应该是光传播的速度减去火车行驶的速度，而对于站台上的人来说，应该是光传播的速度与火车行驶的速度之和。但事实并非如此，他们所看到的光速其实都是每秒三十万公里。 而这究竟是为什么？早在一六七六年，当丹麦天文学家奥乐罗莫首次测出光速后，人们便开始孜孜不倦的探寻光的本质。根据牛顿力学的绝对时空观认为光的速度也是由相对于参考系来定义。对于地球上的我们来说， 在不同时间和不同的运动状态下，光的传播速度应该是不同的。但在一八八七年，迈克尔逊莫雷的实验却揭开了这个怪物的神秘面纱。其实莫雷的初衷只是想证明宇宙中存在着一种叫做以太的戒指，可以使光在空间中传播， 并认为如果一束光在顺着以太风的方向传播，那么光的速度应该会加快，反之就会减慢。但实验结果却震惊了当时的物理学界，因为无论光朝哪个方向传播，其速度都是恒定的。 也就是说，从地球正面射来的光和从地球背面追过来的光，同样都是约每秒三十万公里。但地球以每秒三十公里围绕太阳的速度却丝毫不影响光速的变化，这就意味着你太根本不存。 为了解释这一奇怪现象，于二十世纪初，物理学家洛伦兹提出了一个长度收缩假设，他认为当一个物体处于运动时，其运动方向的长度会缩短， 而这恰好抵消了地球相对于以太运动引起的光程变化，并用数学推导得出了洛伦兹公式。之后，爱因斯坦基于洛伦兹公式得出了狭义相对性原理。他认为一切物理定律在所有惯性参考系中都是等价的， 从而否定了牛顿力学的绝对参考系，并连力求解麦克思维方程组得出了光速不变原理，即无论在何种惯性系中，观察光在真空中的传播速度始终是一个常数， 不会随着光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这也就解释了为什么你永远无法到 达光速的原因。即便我们乘坐宇宙飞船以光速飞行，宇宙中的光也不会与你并驾齐驱，而是仍以光速超越你。当你与一束光迎面交错而过，你测出的光速也不会是两倍的光速，仍然还是约每秒三十万公里。 这便是令人细思极恐的光速不变原理。以人类目前的科学水平而言，只能描述该现象的存在，却无法解释其真实原理。 他不仅违背了我们的直觉，同时也揭示出了一个更深层的物理，那便是光速运动才是真正的进程， 而正在光速运动的物质也将永远无法停下来，因为静止状态下的他或许根本不知道自己处于运动状态。如果是这样的话，我们所在宇宙的真实本质又会是什么呢？
8.4万科学探索飞船
04:40查看AI文稿AI文稿开局一个麦克思维方程组如何推倒出光速不变原理？很多人都对侠义相对论的光速不变原理感到非常的困惑，甚至是质疑相对论到底是不是忽悠人的。这条视频如果你耐心看完，你就不会再感到困惑，并且具备了和爱因斯坦一样独立推导出侠义相对论的基础。 光速不变原理在侠义相对论中是作为公里的，是整个理论的推倒起点，不需要任何证明。但其实只要我们利用麦克思维方程组靠一点数线运算，很快就可以凭空推倒出光速，并且证明光速不变原理。 但由于泰国反常时，再加上那个时代的物理学家们对牛顿的绝对时空观都有着根深蒂固的信仰，所以一直都在试图寻找以泰，认为麦克思维方程组只有在以泰参考系才成立，因此导致了他们与侠义相对论都失之交臂。 那么如何凭借仅仅四个电磁旋方程就推倒出光速呢？下面我们一起就感受一下见证奇迹的时刻。 首先，我们开局手里是一组麦克思维方程组的微分形式，之前我的视频有保姆及详细讲过积分形式，微分形式和积分形式的物理内涵是相同的，我们先定性的整理一下推倒的思路，这四个方成分便描述了静电、静词、磁、声电、电、声磁。 既然电和词是可以互相激发的，那么理论上电和词的互相激励震荡就可以产生一种电磁波动传播向远方。 那么如何从数学上证明呢？这里我们就需要借助另外一个方程，经典波动方程，这个方程从数学上描述了什么？是一个波，所以只要我们能够通过左边的四个麦克思维方程组得出和右边波动方程一样的公式结构，我们就相当于证明了电磁波的存在，并且可以通过这个系数直接算出来电磁波的速度。 好，那我们推倒的思路就理清楚了。在推倒之前，可能很多观众对麦克思维方程组的微分形式还感觉比较陌生，所以我们先看一下每个方程是什么意思，如果你已经懂了， 可以直接跳到后面。第一个公式是描述电场的，这里的 e 代表了就是电场，肉代表了电和密度， abc 的零代表了真空电容率。最左边这个倒三角符号呢，是适量微分算子，如果你没学过高能数学的话，可以不用去深究，就当做它是和加减乘除一样的一个算符就行了。 这个算符本身代表梯度，然后再加上一个点成则是代表散度。如果你学过高数散度就很容易理解，如果没学过的话，就看图片定性感受一下就行了。这个公式要表达的主要思想就是电盒产生的电厂从正电盒散开汇聚到负电盒，和我们高中学的库伦定律其实描述的是一个意思。 第二个公式是描述磁场的 b 代表的就是磁场。这个公式更简单，磁场的散度处处为零，这是因为自然界不存在磁单集子，南北极都是成对，出现的磁杆线都是闭缓的，就不存在散开的场。第三个公式就是高中学过的法拉利定律，它就是发电机运行 的原理，这里使量微分算子和差乘结合，代表的意思是全度，如果没学会高速的话，还是一样。看图感受一下这个环流电场，有一个感觉就行了。这个模式的物理含义是变化的磁场会产生环绕的电场。 要看第四个公式，他的前半部分是我们初中就学过的安培环路定理，就说电流的周围可以产生一个环绕的磁场里面还记得初中物理考试时候，所有人都在用手笔画的右手定则，就是描述这个定理的后半部分则是麦克思维的神来之笔，他代表的意思是变化的电场也能够产生环绕的磁场， 和法拉利定律形成了对称。也正是因为最后这一项的添加，让麦克思维推导出了电磁波。最后只要我们把这四个公式结合起来，马上就可以推导出电磁波。首先呢，电磁波要在真空中传播，所以电和密度为零，电流密度也为零，所以麦克思维方针总在真空下可以写成下面这样的形式。下一步，为了把电场和磁场联系起 起来，我们把第三个公式的两边都取一次全度，这样示威者能够和第四个公式联系起来。左边这一项是电场的全度，再取一次全度，可以根据已经证明的数学公式变换成这个形式。 然后右边这项可以把全部放进括号里面，然后我们带入麦克思维方程组第一个公式，这项就变成了零。然后右边呢，可以带入麦克思维方程组第四个公式， 最后把方程整理一下，就得到了我们想要的结果。这个公式的结构和经典波动方程可以说是一模一样。把第四个公式用同样的方法处理一下，可以同样得到磁场的波动方程，这就说明了电场和磁场都在真空中以波动的形式传播，所以这就是电磁波的由来。然后波速也可以根据前面这个系数来算出来。 查了一下这两个数值带入进去，这么一算，见证奇迹的时刻到了，得出了，电磁波的波速和实验测测的光速竟然基本是一模一样，所以我们至此就可以得出结论， 光就是一种电磁波光速不需要任何实验测算，根据四个公式竟然就凭空得到了。而且要注意，我们的推导过程当中没有设定任何的参考系，所以只要我们认定麦克思维方程组在每一个参考系都是成立的，就可以直接得到光速不变原理。 爱因斯坦也正是受到这个启发，开创了侠义相对论。如果你看懂了这条视频，你也可以试着和爱因斯坦一样，把侠义相对论凭空推倒出来。本期视频就到此结束了，如果喜欢我的视频，记得点赞加关注，我是神奇的栀子，带你了解科学背后的为什么！
6107神奇的质子
01:24查看AI文稿AI文稿光速不变的证明可以通过多种实验和观测来支持侠义相对论的理论。下面是其中一些常用的证据。一、迈克尔逊莫雷实验这是一个经典的实验，只在测量光的传播速度是否 与观察者的运动状态有关。该实验使用干涉仪通过比较沿不同方向传播的光波的相位差变化来测试光速的不变性。实验结果显示，无论地球是否在运动， 光速都是恒定的。二、高能粒子实验通过观察高能粒子，如粒子加速其中的带电粒子 在极高速度下的行为，可以证明光速不变。这些实验表明，高能粒子的质量随着其速度的增加而增加，从而验证了狭义相对论中的质量增加效应。三、铝离子实验在二零一一年的研究中，科学家 利用铝离子将光速与观察者的运动状态进行比较，尤其是铝离子的电子与观察者之间的相对速度。实验结果再次表明，光速对于所有观察者都是不变的。这些实验是为了验证光速不变这一观点而设计的，他们的结果都是与侠义相对论的预测相符合的。 这些实验证明了光速不变的理论为侠义相对论的基础提供了实验证据。需要指出的是，科学的进展是一个不断发展的过程，新的实验证据和理论可能会进一步深化我们对光速不变性的认识。
39黄拾铱
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06:15查看AI文稿AI文稿光速不变是现代物理学的基础，为什么说真空中的光速是不变的呢？我们从常识、实验、理论逻辑彻底的讨论一下。 常识上光速不变特别反常识。我们的常识速度可以简单叠加，从高速行驶的汽车当中往外扔东西很危险，这是因为对路上的行人来说，你扔东西的速度要叠加车的速度，速度就变快了。 但是如果你打开车灯，不管车的速度有多快，甚至假想车速是光速的百分之九十九，你打开车灯发射出光的速度，对路上的行人而言仍然是三十万千米每秒， 和车静止的时候发光的速度是一样的。你看这是不是很反常识，很反直觉，速度 不能简单叠加，让人感觉很难受。这是因为我们的常识是建立在慢速运动的物体基础上的，所以我们没有看到速度的本质。就好比研究物体转动的时候，你没有看到转动的本质是角度， 不是用角度 ct 来描述转动，而是用三角函数弹键 ct 来描述转动的话，然后你就觉得描述转动很麻烦，不是转动麻烦，而是没有找对本质的物理量。 类似的，运动的本质其实不是速度，而是快度。快度是以光速为单位下速度的双曲，反正切 是一个类似旋转角度的东西，这个快度在速度慢的时候约等于速度，但是呢，在同一个方向，快度可以简单叠加，而光的快度是无穷大。是不是看着睡 远一点？实验上，迈克尔逊莫雷实验验证了光速不变。十九世纪末，也就是一百多年前，迈克尔逊对物理学的发展非常悲观，他认为当时的物理学基本原理已经全部被发现了，留给物理学家的事情就是把实验做的更精确，把物理常数测量到小数点以后第六位。 但是魔鬼就在细节里，当迈克尔逊和莫雷把光速测到小数点后第六位，他们的发现完全颠覆了当时的物理学，他们发现地球运动的速度和光速居然不满足，速度叠加原理， 与地球同向和反向发出光的速度居然是一样的。这就好像你扔出一个手电筒，手电筒向前、向后向任何角度发出的光速度都是一样的。理论上，一八 六五年，迈克思维从他刚刚发现的迈克思维方程组当中推导出了电磁波的速度，就是光速，就是说光速是可以解方程算出来的，并且不管是相对于一个运动的观测者，还是静止的观测者，光速都一样。 一九零五年，爱因斯坦把光速不变原理作为一个基本假设，和相对性原理放在一起，建立了侠义相对论，彻底的打破了亚里士多德和牛顿的绝对是空关。 从狭义相对论的角度，光速不变是一个基本假设，没有更本质的原因可以解释光速不变。 但是现代物理学当中，我们更喜欢把对称性当做第一原理。如果我们把洛伦兹对称性当成第一原理，也就是说时间和空间之间可以相互投影，有点像 转动的这样一种对肾性相当于转动角度的量，就是前面讲到的快度。把洛伦兹对肾性当做第一原理的话，那么光速不变是可以推倒出来的， 也就是说要问光速是不是基本的，能不能推出来，我们先要搞清楚我们在什么理论框架下讨论出发点不同。光速可以是最基本的假设，也可以是导出的结论。 逻辑上，当光速不变已经成为现代物理学的基石之后，其实现在光速不变已经成了一道逻辑体。 这是因为从一九八三年开始，我们已经用光速和时间来定义长度了，这样光速就真成了一个逻辑意义上的长数，是一个精确的长数，连实验误差都没有。最后画个重点，长 时尚光速不变反常识是因为速度不是描述运动最基本的量，更加基本的快度可以叠加光的快度无穷大。 实验上，迈克尔逊莫雷实验验证了光速不变。理论上，麦克斯为方程组可以推导出光速不变。光速不变是狭义相对论的一个基本假设，而现代物理学中，把洛伦兹对身性作为出发点，也可以推导出光速不变。 逻辑上，光速不变已经是长度定义的一部分。这里也问大家一下，我们说光速不变是说速度的大小，也就是速率不变。那么速度的方向是不是可以随观测者而变化呢？ 介质中的光速随观测者而变化吗？光的波长、频率和能量随观测者而变化吗？最后的最后做两个注解，第一，这里我们没有讲以太， 一百多年前，大家认为光是要靠仪态这种介质传播的，所以如果大家看历史上对光速不变的讨论，在仪态的问题上比我前边讲的其实要多绕几个弯，但是现在大家知道光可以在真空中传播，不需要额外的戒指，所以我就没有为大家介绍仪态， 因为把乙态从棺材里边拉出来骂一顿，再塞回棺材里边去，除了多烧一点脑，没有太大的用处。 第二，光速不仅不变，还是速度的上限，已知的任何其他东西都不能跑的比光快。宇宙中有一个速度上限，第一眼看来有点让人绝望，我们就像生活在一个铁屋子里边， 宇宙太大，光速太慢，我们可能永远也没有办法认识整个宇宙，也没有办法建立一个银河地。 但是你可以往积极的角度去想，光速不变算不算是对人类这种年轻文明的一种保护呢？有点像三体里边提到的安全声明， 假如宇宙中有更高级的文明的话，给这些文明限速，我们是不是可能生活的更安全一点呢？当然，无论你怎么想，光速就在哪，光速不变。
6.2万王一研究宇宙
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04:45查看AI文稿AI文稿有些小伙伴可能见到物理学就头疼啊，呃，这次没关系啊，别怕，这次我们讲的德西特双星绕行实验，凡是有点中学物理知识的人呢，都是能听懂的啊。相对论呢，有一个非常非常基础的设定，那就是所谓的光速不变原理。 无论是在哪个惯性参照系之中，光在真空中的传播速度，对于任何一个观察者呢，都是一个常数，都是一个 c 啊，呃，跟光源和观察者的运动状态呢，没关系， 但是明科呢，往往呢就跟这个光速不变呢，过不去啊。这个原理显然是非常非常重要的。天上的恒星呢，有很多呢，都是双星，甚至多核星，比如说最著名的天狼星就有一颗半星，只是这颗半星 实在是太弱了，我们平时根本看不见。应先做的大零五呢，是一颗三颗星， a 一和 a 二这两颗星啊，距离非常近，而且在互相绕着转， 二点八七天就能绕一圈啊。 ab 呢则离得比较远，绕绳周期呢，是六百八十天啊。 a a 一和 a a 二呢，是会相互遮挡的，所以总亮度呢，有一点点变化，这种现象在天文学上那太常见了吧。 我用三维动画软件做了一个简化的模拟，为了表达效果呢，数字我做的夸张了一点，我们现在为了简单呢，只算一颗星，这一颗星围绕着一个点在转圈圈。 我们假设光速是像很多明科设想的那样是可以叠加的，那么这颗星在 顺行的时候，发出的光速就会和恒星的速度相加，就会快一点。我们用红颜色来表示，如果是恒星在逆行的时候，那发出的光的速度呢，就会和恒星的转速抵消，会稍微慢一点。我们用蓝色来标记， 如果真的是这样，那么我们地球上的观察者会看到什么样的景象呢？因为恒星的距离都是很远的，光速如果可以和光源的运动速度叠加，发出来的光必然是有快有慢的， 那么在半路上，速度快的光反而实现了反超。大家看啊，红色标记的光明明是后出发的，现在反而超过了先出发的蓝色标记的光。等这些光传到我们的眼睛里， 那顺序就已经乱七八糟的了，甚至会出现多个图像同时到达的情况。那明明只有一颗恒星啊，但是我们却可以看到多个图像。 德西特呢，在一九一三年提出了这个假设，他去翻遍了所有的天文观测记录，也没发现过有这种现象，到现在也没看到过有这种现象。 我们的大望远镜呢，能够看到宇宙诞生之初的景象，但是也没见到时间顺序会被打乱。如果光速真的能和光源运动速度相叠加，那图像啊，早就乱的一塌糊涂了。所以我们只有假定 光速和恒星转圈圈毫无关系，他的速度始终是固定的 c， 就像下面的绿色轨迹一样，才能保证我们 看到的持续是不会混乱的，我们才能看到这么一个井然有序的宇宙，这就是光速不变的一个非常重要的作证。 但是证据呢，还不止这一个，那光速必定是可以测量的吗？呃，地面上的试验呢，很多人都做过，最后得出的结论和当年爱因斯坦的这个设定啊，都是一样的，没区别。 物理学家们对光的认识呢，也是一点一点逐步深入的，从光形差现象到飞锁流水实验，到双星绕行到洛奇钢盘实验，到迈克逊莫雷实验， 传统的牛顿时空啊，可以靠打补丁的办法应付其中任何一个啊这个试验现象，但是他无论如何没法同时摆平这么多相互矛盾的实验结果，他总是按下 起了瓢。最后呢，还是年轻的爱因斯坦果断的抛弃了过去的时空观，使用光速不变作为最基本的设定来构建侠义相对论啊。这条路其实走的是非常曲折 啊，比最烧脑的侦探小说呢都离奇多了。呃，我前几年写了一本科普书叫柔软的宇宙，一开篇讲的就是这样子事。 当然呢，这本书啊，你也可以当做是爱因斯坦的八卦段子来看啊，大家有空不妨去翻一翻哦！
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