你說的沒錯(cuò),速度都是相對(duì)參照物的,光速也不例外。只不過光速是個(gè)不變的速度,光在真空中的速度對(duì)于所有參照物都是不變的,大小為299792458米/秒。從這個(gè)意義上說,所有的參考系都是光速的參照物。但從別的意義上說未必如此。下面分別從經(jīng)典和現(xiàn)代物理兩方面回答一下。
經(jīng)典物理認(rèn)為的光速參照物
十九世紀(jì)七十年代,英國物理學(xué)家麥克斯韋從他的聯(lián)立方程組中推導(dǎo)出電磁波的速度是個(gè)常數(shù),后來他根據(jù)當(dāng)時(shí)人們對(duì)光的認(rèn)識(shí),大膽預(yù)測(cè)光就是一種電磁波。但人們發(fā)現(xiàn)電磁作用因觀察者不同而不同,電磁作用并不滿足相對(duì)性原理,看上去的確像與某個(gè)絕對(duì)參考系有關(guān)。麥克斯韋本人也認(rèn)為有一個(gè)絕對(duì)的參考系,在他看來,不滿足伽利略相對(duì)性原理(在不同慣性系中電磁波傳播速度C是常數(shù)違反經(jīng)典速度合成定理)正好說明了時(shí)空是絕對(duì)的,對(duì)于光(電磁波)而言存在一個(gè)特殊的(絕對(duì)靜止)參考系,比如說充滿宇宙空間的“以太”,光是“以太”介質(zhì)的波動(dòng)。在這個(gè)特殊參考系中方程取標(biāo)準(zhǔn)形式,光速在各個(gè)方向上均以C傳播。
麥克斯韋方程組如此的完美,電磁理論如此的成功,這直接啟發(fā)了人們?nèi)プ鲆恍┫嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)。1881年美國的邁克耳遜和莫雷合作進(jìn)行了著名的“以太漂移實(shí)驗(yàn)”,即干涉實(shí)驗(yàn)。本來是為了證明絕對(duì)靜止參照物“以太”的存在,最后卻得出在任何慣性系中光速都是不變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果,像洛倫茲和龐加萊等人試圖利用已有理論進(jìn)行調(diào)和解釋,他們從根本上并沒有摒棄絕對(duì)時(shí)空觀,新理論沒有革命性的改變,只能稱為“改良”。
相對(duì)論的相對(duì)時(shí)空觀
1905年,年輕的愛因斯坦用他獨(dú)特的思維能力,利用當(dāng)時(shí)現(xiàn)有的材料得出了與所有人不同的結(jié)論。他一不小心建立了新的力學(xué)理論,顛覆了牛頓力學(xué),摒棄了絕對(duì)時(shí)空觀,建立了相對(duì)時(shí)空觀。他把光速不變上升為一個(gè)原理,另外他認(rèn)為相對(duì)性原理應(yīng)該是一個(gè)普遍性的原理,不應(yīng)只適用于力學(xué),也應(yīng)該適用于電磁力學(xué),于是他把伽利略相對(duì)性原理加以推廣成狹義相對(duì)性原理,然后把兩個(gè)原理結(jié)合創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。
正如麥克斯韋等人認(rèn)為的那樣,光速不變?cè)砗拖鄬?duì)性原理從表面上看是相抵觸的,這是因?yàn)橘だ韵鄬?duì)性原理是個(gè)不精確的不完善的相對(duì)性,它一直沒有擺脫絕對(duì)時(shí)空觀的控制或者說利用。說到底它只是一個(gè)空間相對(duì)性原理,而沒有考慮時(shí)間的相對(duì)性,因此它才不適用于電磁作用方面。時(shí)空的相對(duì)性與運(yùn)動(dòng)速度有很大關(guān)系,在低速時(shí),時(shí)間的相對(duì)性并不明顯,因此伽利略相對(duì)性原理還是正確的,到了光速就要考慮時(shí)間的相對(duì)性。如果考慮上時(shí)間的相對(duì)性,相對(duì)性原理就完全適用電磁作用,光速不變?cè)碚菚r(shí)間和空間都具有相對(duì)性的結(jié)果,因而也否定了絕對(duì)時(shí)空觀,否定了絕對(duì)靜止參考系的存在。反過來也可以講,正是由于光速不變?cè)淼拇嬖?,才使時(shí)空的相對(duì)性體現(xiàn)出來。由此可見,光速和時(shí)空有著深刻的本質(zhì)聯(lián)系,光速是時(shí)空的屬性。相對(duì)于不同的參考系時(shí)空是不同的,但光速對(duì)于任何參考系卻是相同的,這不但說明光的傳播不需要特殊的絕對(duì)靜止的介質(zhì)或任何別的介質(zhì),而且光速的大小也不相對(duì)于特殊的絕對(duì)靜止的參照物或任何別的參照物。
光只和時(shí)空聯(lián)系在一起,同一束光的速度在不同參考系的不變?nèi)缤粋€(gè)時(shí)空在不同參考系的不同,正因?yàn)闀r(shí)空的相對(duì)不同,才使得光速不變,所以如果非要說光的傳播介質(zhì)是什么?那就是相對(duì)的時(shí)空。如果非要說光速的參照物是誰?那就是相對(duì)的時(shí)空。最后,由于光速問題的復(fù)雜性,除了時(shí)空,不但沒有任何東西能做光速的參照物,反過來光速也不會(huì)做任何東西的參照物。那些認(rèn)為人相對(duì)于光是光速的想法是要不得的。
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