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从测量光速到计算光速不变原理是怎么被发现的?

光速不变原理是狭义相对论中的一个基本假设,并被大量实验证实;光速不变原理的发现是一个曲折的过程,也有不少物理学家走了弯路。

早在18世纪,科学家就利用光行差的原理来测量光速,但是由于测量精度有限,所以结果可以用牛顿的经典时空得到合理解释,数值大概在每秒30万公里左右。

在1865年,大科学家麦克斯韦建立大名鼎鼎的电磁学方程组,我们现在使用的电磁学方程组是经过精简的,麦克斯韦利用方程组得到一个波动速度:

其中ε0是线是真空磁导率,两个常数都是可以通过实验测量的,不算不知道,一算吓一跳,当麦克斯韦把ε0和μ0的数值带进去后,发现这个波动速度与光速基本吻合。

麦克斯韦经过深思熟虑之后,大胆预言了电磁波的存在,并指出可见光是电磁波的一部分,直到20多年后的1887年,德国科学家赫兹才用实验证明了电磁波的存在,麦克斯韦的电磁学理论堪称经典物理学的巅峰之作。

在麦克斯韦的电磁学理论当中,有一个关键引起了物理学家的注意:真空介电常数和真空磁导率是通过实验得到的,两个常数并不依赖于参考系存在,那么两者结合得到的光速也是定值,按理说也不依赖于参考系。但是在牛顿力学的经典时空中,光速的大小与参考系有关,这让当时的科学家们非常矛盾。

虽然以太学说可以勉强解释这个矛盾点,但是解释过程并不令人满意;在1887年,迈克尔逊和莫雷使用干涉仪测量了不同方向上的光速,发现不同方向的光速是完全相同的,这一实验否定了以太的存在,动摇了经典物理学的基础。

当时的一些物理学家为了捍卫经典物理学,也提出了一些解决方案,比如洛伦兹想象从相对运动对分子间距离的缩短,给出了一个符合迈克尔逊-莫雷实验的洛伦兹变换。

直到1905年,爱因斯坦把光速不变作为狭义相对论的基本假设,才彻底解释了迈克尔逊-莫雷实验。

值得一提的是,爱因斯坦公开表示过,在他1905年提出狭义相对论时,他也只是在洛伦兹的论文中听说过迈克尔逊-莫雷实验,但并未深入了解过该实验。所以光速不变原理不能看作迈克尔逊-莫雷实验的直接结果。

爱因斯坦提出光速不变原理,虽然不是受到迈克尔逊-莫雷实验的启发,但是迈克尔逊-莫雷实验的重要性是不言而喻的,也将作为狭义相对论的重要证据。

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