光速不變?cè)硎仟M義相對(duì)論中的一個(gè)基本假設(shè),并被大量實(shí)驗(yàn)證實(shí);光速不變?cè)淼陌l(fā)現(xiàn)是一個(gè)曲折的過程,也有不少物理學(xué)家走了彎路。
早在18世紀(jì),科學(xué)家就利用光行差的原理來測(cè)量光速,但是由于測(cè)量精度有限,所以結(jié)果可以用牛頓的經(jīng)典時(shí)空得到合理解釋,數(shù)值大概在每秒30萬公里左右。
在1865年,大科學(xué)家麥克斯韋建立大名鼎鼎的電磁學(xué)方程組,我們現(xiàn)在使用的電磁學(xué)方程組是經(jīng)過精簡(jiǎn)的,麥克斯韋利用方程組得到一個(gè)波動(dòng)速度:
其中ε0是真空介電常數(shù),μ0是真空磁導(dǎo)率,兩個(gè)常數(shù)都是可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量的,不算不知道,一算嚇一跳,當(dāng)麥克斯韋把ε0和μ0的數(shù)值帶進(jìn)去后,發(fā)現(xiàn)這個(gè)波動(dòng)速度與光速基本吻合。
麥克斯韋經(jīng)過深思熟慮之后,大膽預(yù)言了電磁波的存在,并指出可見光是電磁波的一部分,直到20多年后的1887年,德國(guó)科學(xué)家赫茲才用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在,麥克斯韋的電磁學(xué)理論堪稱經(jīng)典物理學(xué)的巔峰之作。
在麥克斯韋的電磁學(xué)理論當(dāng)中,有一個(gè)關(guān)鍵引起了物理學(xué)家的注意:真空介電常數(shù)和真空磁導(dǎo)率是通過實(shí)驗(yàn)得到的,兩個(gè)常數(shù)并不依賴于參考系存在,那么兩者結(jié)合得到的光速也是定值,按理說也不依賴于參考系。但是在牛頓力學(xué)的經(jīng)典時(shí)空中,光速的大小與參考系有關(guān),這讓科學(xué)家們非常矛盾。
雖然以太學(xué)說可以勉強(qiáng)解釋這個(gè)矛盾點(diǎn),但是解釋過程并不令人滿意;在1887年,邁克爾遜和莫雷使用干涉儀測(cè)量了不同方向上的光速,發(fā)現(xiàn)不同方向的光速是完全相同的,這一實(shí)驗(yàn)否定了以太的存在,動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。
當(dāng)時(shí)的一些物理學(xué)家為了捍衛(wèi)經(jīng)典物理學(xué),也提出了一些解決方案,比如洛倫茲想象從相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)分子間距離的縮短,給出了一個(gè)符合邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的洛倫茲變換。
直到1905年,愛因斯坦把光速不變作為狹義相對(duì)論的基本假設(shè),才徹底解釋了邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。
值得一提的是,愛因斯坦公開表示過,在他1905年提出狹義相對(duì)論時(shí),他也只是在洛倫茲的論文中聽說過邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn),但并未深入了解過該實(shí)驗(yàn)。所以光速不變?cè)聿荒芸醋鬟~克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的直接結(jié)果。
愛因斯坦提出光速不變?cè)?,雖然不是受到邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的啟發(fā),但是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的重要性是不言而喻的,也將作為狹義相對(duì)論的重要證據(jù)。
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