Science 版 (精华区)
发信人: qpcwth (独翅鸟), 信区: Science
标 题: 伟大的相对论(六)
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年06月08日12:07:06 星期六), 站内信件
五、相对论的基础及推导(下)
艾伯特·迈克耳孙的光干涉实验有力的证明了光在所有参照系中
速度相同这一定律,艾伯特·迈克耳孙本人也因此获得了诺贝尔物理
学奖。但是,直到临终一刻,艾伯特·迈克耳孙也始终搞不清楚为什
么没有相对光速。在已知200多年物理学的研究中,科学家们所信奉的
经典力学已经被大量的实验,观测和应用所证实,包括对大到行星结
构,运动的研究,小至气体中分子的随机行为的研究,物理学已经成
功的对无数自然现象进行了合理的分析和解释,既然取得了如此辉煌
的成就,经典力学怎么可能出错呢?
然而,有一位科学家并不需要信奉伽利略运动定律,他以高超的
智慧和深邃的洞察力深刻的揭示了光的奥秘,改变了绝对时空观的认
识,创建了全新的物理学基础。这位科学家就是艾尔伯特·爱因斯坦。
爱因斯坦为了解决光在不同参照系的速度问题,进行了一系列的
思维臆想试验。他假定,如果某个人可以以光速运动,那么他看到的
光会是什么样子呢?如果按照伽利略速度变换式,他应该可以看到静
止的光,但这却与麦克斯韦的电磁学原理相悖;如果按照麦克斯韦的
电磁学原理,他应该看到光依然以c速运动,这又与经典力学相悖。究
竟哪个正确呢?爱因斯坦无疑胸中有数。
让我们再回到上篇的那个光速描述的例子上:
我们假定S'系相对S系以速度u沿x轴方向运动,x'与x在同一轴上,
且t=0时,O'与O重合(如下图):
经典力学考虑到光速在不同参照系不同速度的问题,推导出△t'=△t。
但是如上所述,我们已经知道,光在任何参照系速度都相同,因此,
S系中速度v的表达式应为:
而S'系中速度v'的表达式应为:
∵
dx' = y(dx - udt) ,
∴
同理推导:
根据洛伦兹变换式:
,
y'=y ,
z'=z ,
逆变换为:
由以上推导可以看出,经典力学中伽利略变换式只有在v〈c时才
适用,速度上推到光速时,牛顿定律将不再适用,在电磁学定律不变
的前提下,只有爱因斯坦速度变换式,才可以解释光速的问题。
此外,如光相对S'系速度为c,并沿x'方向运动,那么光相对S系
与S'系速度是相同的:
由此可见,速度合成不可能使物体运动速度超过光速,也就是说,
光速只能,也必须是物体运动速度的极限。
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心事浩茫连广宇,于无声处听惊雷
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