为什么真空中光速是恒定的?

光(或电磁波)的物理属性决定了人类对几何概念的理解,光的速度即是几何的度规的一部分,因此没有速度会超过光速,光速也不随参考系变化

我们想一想几何的起源是什么?例如,为什么直线是直线?因为光线的传播是直的,人用眼睛来看世界,来感知几何的概念,所以直线是直的。


真空中的光速不变是光的本质决定的。

光速的本质是电磁波波速。狭义相对论实现了电磁学与力学的统一。光速是联系力学与电磁学的桥梁。这是宇宙的物理性质,是物质的运动本质。是我们观察到现象,并由麦克斯韦理论证明的。

这也是物理学对称性的核心。1918年德国女数学家尼约特(A.E.Noether,1882-1935)发表了著名的将对称性和守恒律联系在一起的定理,即尼约特定律:从每一自然界的对称性可得到一守恒律;反之,每一守恒律均揭示蕴含其中的一种对称性。

而且实验物理学家发现光速是个常量,与观测者的运动状态无关。通过光速不变,会导致推论出高速运动的时间膨胀,和空间收缩,质能方程 E=MC^2。

爱因斯坦甚至宣布世界的一切事物都是以光速在时空中运动。这就是我们对时间的定义。

高速运动的系统里意味他在时间里的运动比静止系统的慢,因为他在时间里的运动有些转移到空间了,所以他的钟会变慢。进而推论假如系统在时间里的运动完全转移到空间来了,系统在空间的运动速度就达到最大速度。进而推论到以光速在空间运动的系统,没有一点在时间运动,因此光子不会老,从大爆炸出来的光子到今天依然一样——

在光速下,没有时间的流逝。

“对于大于光速的速度,我们的讨论就变得毫无疑义了;在以后的讨论中,我们会发现,光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色。”


“由此,当υ=V时,W就变成无限大。正像我们以前的结果一样,超光速的速度没有存在的可能。”

这时需要引进洛仑兹变对称性,它的基本意思是这样的,一个物理定律对不同的惯性系都有不变的形式结构,同时在不同的惯性系看来光速是不变量。爱因斯坦用洛仑兹变换检验和改造了牛顿力学,使之成为洛仑兹不变的力学理论——狭义相对论。“所谓相对论,与其说是一种理论,不如说是对物理理论的一种很合理很基本很公理化的要求”,就是要求物理理论要满足洛仑兹不变性。爱因斯坦对上帝思想的直觉判断,他相信上帝的思想和美学极其简单,它不过就是要求上帝的旨意不能因时因地因人而异,于是这个简单得不能再简单的要求演绎出特别费解和深奥的理论。但再费解的东西也必须能被理解,比如,光速是常量,如果一个奔跑的人(速度为V)向你抛来一个光速(c)的苹果,按常理苹果速度是V+c 的话,那么会出现什么情况呢?你将先看到飞来的苹果,后看到投掷的动作。

广义相对论

狭义相对论与以前的物理学规律一样,都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系,爱因斯坦有一个“愉快的思想旅程“,他发现在一个空间的人是区分不出他是以 1 g 的加速度飞行,还是在地球上,这就是“等效原理”:

加速度和引力是等效的。

这样就可以用加速度来理解引力了。


然后他发现了在加速度飞行飞船上的射出的光线是弯曲的,而光线总是按最近的距离传递,进而推论引力会导致空间弯曲:

“质量导致时空弯曲,而弯曲的时空又决定物质的运动: “Matter decides times and space, time and space decides the movement of matter”。

这是广义相对论的最简单文字表述了,虽然数学上表述和求证相当复杂。


几何直观解释爱因斯坦的广义相对论:

有质量的物体都会使空间扭曲,想象一个三维空间范围向中心一个质量点收缩。视频里是二维的解释,有质量就会有空间塌陷,三维空间里是向质量点聚集,体现为引力。质量太大的时候,二维的布会破个洞,三维的就是黑洞了。 ​




量子力学的时空

而且在量子力学里,时空的变化的相对,随时因粒子位置不同而改变。 事实上他包含了及其深刻的对称性,广义坐标不变性。不同的加速度时空体系,测得其他体系的速度是不同的,但在本体系中的物理定律不变。我举个例子,一个以近似光速运动的粒子,在地球人看寿命是8秒,此后衰变,而在粒子自身的时钟里它自我感觉存活了2秒,在地球人看它奔跑了8倍光速的距离,在它自己看来,它只跑了2倍光速的距离。所以在洛仑兹变换下,同一个物理事件,用不同惯性系的时钟所测量出的运动距离、运动时间都不相同,但是同一个事件在不同惯性系看来不仅能推导相同的物理定律,而且能测量出相同的光速。

小结

事实上对称性的最终定义是:

变化中的不变性。

宇宙中只有光是不变的,神说我就是光,光速在空间运动的系统,没有一点在时间运动,所以没有时间的流逝。,所以他说我是从永远到永远的,我就是当下。所以人们在对称性的执着追求,乃是追求宇宙中的真理和创造者。



参考资料

https://www.zhihu.com/question/19580853/answer/12685343

https://www.quora.com/Speed-of-Light/What-determines-the-speed-of-light

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