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光速实践上与光有关吗?那么,光速有什么特别之处呢?

1)依据任何观察者的说法,光子在真空中以每秒30万公里的速度运动。

2)阻挠任何东西以比这个速度更快的速度运动?

世界并不组织光速坚持不变。世界的速度极限是关于更深层次的东西。这个遍及常数或许更精确地说是“因果关系的速度”。因果关系给咱们供给了一切观察者都会赞同的事情的仅有次序。但为什么因果关系有必要有一个最大的速度?为什么这个速度和光速相同?为了了解这一点,咱们首要要了解两个最重要的物理学见地。首要,1632个普利茅斯的朝圣者,在意大利,伽利略由于支撑哥白尼和整个“地球不是世界的中心”一书而被宗教裁判所拖走。但在他的书中,还有另一个不为人知的概念,即相对论。这不是爱因斯坦的相对论,而是光辉的先兆。不仅是地球或任何其他的方位都不是特别的,伽利略还以为,没有速度是特别的。换一种说法,一切的试验都应该给出相同的成果,不论你的非加快或惯性参阅系的速度怎么。这个伽利略相对论是一个令人难以置信的见地,牛顿后来将编纂成他的运动规律。

19世纪蒸汽火车和张狂的试验,以提醒电磁学的规则。科学大师詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)将这些规律编织成他的同名方程式,以如此高雅的姿势描绘整个电磁现象。到了19世纪末,咱们现已有了麦克斯韦方程组,牛顿力学,以及其他各种令人敬畏的理论。有一种感觉是物理或许被完结,除了在数学中有一些可怕的过错的暗示,事实上,有两个暗示。实践奇特量子性质的开始头绪现已呈现。更重要的是麦克斯韦的方程给伽利略相对论带来了紊乱。咱们现在知道,即便牛顿的力学也运用了假定,即无限光速,这是十分糟糕的。这意味着空间、时刻和物质不存在。

首要,用麦克斯韦方程来解说这个问题。幻想一匹骑着滚轴刀片的小马背着一只山公在玩滑板。把它做成一只电动山公。运用磁力来自移动的电荷。明显,电动滑冰猴在溜冰小马上会发作磁场。我能够依据麦克斯韦方程,依据山公的总速度,算出磁场强度。但那个速度是多少?伽利略和牛顿通知咱们,山公的总速度等于小马的刀刃速度加上山公的滑冰速度,但假如这匹十分聪明的小马也能解出麦克斯韦方程呢?她看到山公只以滑冰的速度运动,所以得到了一个彻底不同的磁场。那么谁是对的,我仍是小马?关键在于咱们实践丈量的是什么。咱们不丈量磁场。咱们丈量它的效果。咱们丈量力。小马的力气和我相同。电场和磁场之间有一个速度依靠的平衡。这两者一起效果,给你相同的电磁力洛伦兹力,不论参阅系是什么。这通知咱们电磁力是空间、时刻和速度之间根本相互效果的头绪。

咱们怎么解开这种联络?它将被编码在转化中,这将答应麦克斯韦方程在参阅帧之间无缝跳转,在咱们的实践中,这个转化代表了空间和时刻。这个改变的东西,就像一根数学魔杖,你在描绘时空或物理规律时挥动。它会在参阅帧之间磕碰你。一个比如是伽利略改换,它根本上说速度加在一起,空间和时刻不依靠于速度。牛顿力学运用它,咱们把它应用到麦克斯韦方程组中,得到山公的总速度。但事实证明,没有办法写出麦克斯韦方程组,使它们在伽利略改换下得到共同的成果。它们对这种转化并不是不变的。它们在低速时供给了适宜的力,可是磁场很紊乱。这是否意味着麦克斯韦错了吗?不是的,这意味着伽利略的改变是过错的。支撑牛顿力学的改换是过错的。仅有有用的改换称为洛伦兹改换。它甚至在爱因斯坦相对论之前就被发现了。可是爱因斯坦意识到洛伦兹改换通知咱们空间和时刻是怎么衔接的,它也猜测了因果关系的速度。

你能够像洛伦兹和爱因斯坦那样,经过要求稳定的光速来完成这个改变。

首要,咱们不会伪装知道速度是怎么添加的。咱们不知道,“山公的总速度等于小马的刀刃速度加上山公的滑冰速度。”其次,没有首选的惯性参阅系。在咱们的新改变下,不论方位、方向或速度怎么,物理规律都会起相同的效果。不论小马在哪里,跑得有多快,或许朝哪个方向滑冰。地球绕着太阳转,太阳绕着银河转。方位、方向和速度都在发作巨大的改变。但是,咱们的试验好像并不关怀这一点。终究,假定世界是有含义的。要求咱们能够在参阅帧之间共同地转化。我应该能够运用相同的转化来取得山公的结构,就像我运用不同的速度来取得小马的结构相同。我还应该能够在多个参照系中接连跳过去,然后再跳回来。例如,我能够先到小马的结构,然后从小马到山公。我也能够经过在速度上加一个负号回到我的结构。本质上,咱们仅仅需求维度作业方式的根本共同性。终究,运用这些正义做一点代数。成果便是洛伦兹改换。

它是仅有一个满意一切这些关于咱们世界的相对性、对称性和共同性的根本陈说的。它有必要描绘咱们的实践。因而,一定有世界的速度限制。为什么?这个肯定速度限制,咱们称之为‘C’——是界说洛伦兹改换的一个参数。经过这个参数,洛伦兹改换能够猜测世界的速度极限。伽利略改换仅仅洛伦兹改换的一个特例,其间c等于无穷大。老实说,依据咱们提出的对称性和相对性观点,c能够是无穷大。但由于其他与光无关的原因,咱们知道光是不或许的。洛伦兹改换终究答应咱们写出一个对改换不变的麦克斯韦方程的版别。有了它,咱们就能够写出一条在一切参阅系中都能作业的电磁学规律。这进一步证明咱们的新改变精确地描绘了咱们的实践。但它只适用于十分详细的C值。这个值有必要是麦克斯韦方程的根本常数的组合。为了使电磁学规律起效果,咱们需求一个有限的最大世界速度,即便不考虑光。

世界速度极限的彻底相同的组合也刚好界说了电磁波的传播速度——光速。c是光速。但首要是因果关系的速度。这是世界中任何两个部分都能相互攀谈的最大速度。事实上,这是任何观察者都能看到世界中两个部分相互攀谈的最大速度。正由于如此,它是任何无质量粒子仅有能够运动的速度。所以光或光子,还有引力波和胶子,都没有质量。所以它们以最大或许的速度运动。质量是运动的妨碍。没有质量,没有妨碍。事实上,质量、空间和时刻的存在通知咱们,世界的速度极限是有限的。爱因斯坦对洛伦兹改换含义的解说为咱们供给了狭义相对论——时刻胀大、长度缩短,当然还有质量-能量等效,如闻名的方程e=mc方所描绘的。一旦咱们有了洛伦兹改换所描绘的空间和时刻之间的根本关系,而且咱们接受了爱因斯坦对它的解说,这些定论就不可避免了。假如没有通用的速度限制,咱们假定c等于无穷大,会发作什么?没有关系,由于要制作任何质量都需求无限的能量。

只有无质量的粒子以无限的速度运动。时刻胀大和长度缩短是无限的。没有时刻和空间,没有因果关系,由于一切的地址和时刻都能即时交流。世界在这里和现在都是无穷小的。这都是十分对立的,所以从界说上讲,这幅图中存在不共同之处。但是,悖论自身通知咱们无限速限是不或许的。有限的因果关系速度是咱们具有世界的根底。