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光速在任何参考系中真的不变吗?

100人浏览   2025-01-04 08:46:42

我们平常总是认为光线进入我们的眼睛绝对是直线的,这一点似乎毫无疑问。但事实却是超出你的常识,进入你眼睛的光线以光源为基准走的恰恰是一条角度极小的斜线,这种微乎其微的变化,人的感知水准是不可能察觉的。

光由光子组成,光子是一种无静止质量的粒子。正因为它不具备质量;所以它的传播是不受周围任何其它机械外力的影响的。它从光源瞬间发出后,便成为一种绝对存在;并以恒定速度C向前笔直前进。它的速度既无关光源初速度;也不受周围变化的影响。除非被阻挡物体表面所吸收,不然它就永远在空间或真空中飞驰。


而所有这一切都建立在一个理想的绝对静止的环境(即参考系)之中,比如在宇宙深空之中,光子以不变的光速飞行。

然而在地球上,人作为观察者去观测光子的时候;地球是有一定速度的自转和公转的。那么这个参考系就不是静止的参考系;而是一个相对运动的参考系。

可光子本身是不会理会周围的一切的,它从地球上的光源瞬间发出后,只与光源瞬间发出它时的原始空间位置保持直线轨迹。至于这个光源随地球运动转到什么实际位置与光子是无关的。但问题是你看一样物体,肯定是认为该物体即时发出的光线与你是绝对垂直的。然而这个物体在瞬间发出一个光子后,与你都在随地球自转做垂直于光子运动方向的横向运动,而光子却只是自顾自地做与光源原始空间位置保持线性轨迹的直线光速运动,当它抵达你的眼睛时,由于你随地球横向已动了一点,光子就落在了你眼睛原先与光源保持直线位置的后面一点点,从而偏离了原来的垂直直线变成一条倾斜很小的斜线。那么从人接受光子的角度出发,光子在同样的时间里走过了更长的距离。换言之,这个光子的表观速度就略微超越了光速。


但这种变化是细微之极的,因为光速与地球自转的速度相差是巨大的。再说光子是以光子流的形式连续不断地进入人眼的,所以人感觉物象是连续的,光子与光源之间的极微小距离差,人是无法感知的。而且自然界的光源来自无数方向,垂直于自转方向只是一个便于说明的特例。如果光源是平行于自转方向且相反,那么人眼接受的光子的表观速度就变成略微低于光速了。

而爱因斯坦的相对论中认为光速在任何参考系中速度不变。也就是说无论在绝对静止还是相对运动参考系中,光速均为C。

用一个形象的例子来解释相对论的光速不变。相对论中喜欢用飞船作例子,我们也用飞船,只不过这个飞船体积大一点、速度慢一点——把地球当"飞船″(就当它流浪地球吧)。你的家就算飞船船仓,你坐在家中看电视,电视机与你之间的直线垂直于地球自转线,飞船就以地球自转速度飞行。而另一个观察者则在太空静止位置观测你和地球飞船。

按照相对论光速在任何参考系都不变的解释,那么在你的飞船参考系中,电视机光源的光子到达你的眼睛的位置就保持不变和绝对垂直,时间也正常流逝。而太空中的静止观察者观测你时,你却具有一个垂直于光子运动方向的横向飞船速度,那么静止观察者眼中的电视机光源光子在光速和飞船速度两个向量的共同作用下,光子的运动方向便形成了一个略向前的斜线运动,斜线长于直线,从而走过了更多的距离。但光速不变啊,更多的距离就需要更多的时间。因此在观察者的眼中,你的时间变慢了,你就变得年轻了。换言之,如果太空中有一个静止观察者,那么地球上的人只要向西面跑就更年轻;而往东面跑就更衰老。


其实造成这种奇特错误的原因是相对论忽视了光子自光源瞬间发出后,光子的绝对状态只与光源的原始空间位置保持线性轨迹这一根本性问题。以及在相对运动参考系中应考虑运动的物体接受光子只与光源原始空间位置发生关系,而不与物体接受到光子后光源的实际位置发生关系。

不同参考系中不同的光子受体由于自身的运动方向和速度会与光子的速度产生叠加效应,从而产生区别于光速的相对表观速度,或低于光速,或高于光速。而真正不变的光速却只能存在于绝对静止不变的完美参考系之中。

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