爱因斯坦的光速可变理论
来源:中科院半导体所发布时间:2023-05-221135浏览
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文章来源：万象经验
作者：Eugene Wang
光速是自然界中最基本的常数之一，它在爱因斯坦的相对论中扮演着至关重要的角色。然而，在广义相对论的发展过程中，爱因斯坦曾经探索过一种光速可变的理论。在这篇文章中，我们将从头讲述对光速认识的发展。
在19世纪末，物理学界普遍接受了麦克斯韦的电磁理论，认为光是一种电磁波，它在真空中以恒定的速度传播。然而，这个假设与牛顿力学和伽利略相对性原理相矛盾。根据伽利略相对性原理，如果一个观察者以某个速度沿着一个方向运动，那么他看到沿着同一方向运动的另一个物体的速度就要减去他自己的速度。例如，如果一个观察者以10米/秒的速度向东行驶，他看到一个以20米/秒向东行驶的汽车，那么他会认为汽车相对于他只有10米/秒的速度。但是如果这个物体是一束光呢？根据麦克斯韦理论，无论观察者如何运动，他都应该看到光以c=299792458米/秒的速度传播。这就产生了一个悖论：如果两个观察者以不同的速度运动，他们看到同一束光的速度应该是一样的还是不一样的呢？为了解决这个悖论，许多物理学家试图寻找一个可以解释光速恒定性的参考系，即所谓的“以太”。他们认为真空并不是空无一物的，而是充满了一种无形无质量的介质，它可以作为电磁波的载体。他们假设以太是绝对静止不动的，并且所有物体都在以太中运动。因此，在以太参考系中，所有观察者都可以看到光以c=299792458米/秒的速度传播。然而，在其他参考系中，由于观察者相对于以太有不同的运动状态，他们看到光的速度就会有所不同。为了验证这个假设，1887年美国物理学家迈克尔逊和莫雷进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验。他们利用一个精密的干涉仪，在两个垂直方向上测量了来自同一源头的两束光在经过反射后重合时产生的干涉条纹。他们预期，在地球绕太阳公转时，由于地球相对于以太有不同的运动状态，两束光在两个方向上经过以太传播时所花费的时间应该有所不同。这样就会导致两束光之间产生一个相位差，并且随着地球位置和方向的变化而周期性地改变。这个相位差就会反映在干涉条纹上，并且可以通过旋转干涉仪来观察和测量。然而，迈克尔逊和莫雷发现，在实验精度范围内，并没有观察到任何干涉条纹随时间或方向而改变。这意味着两束光在两个方向上经过真空传播时所花费的时间没有任何差别。换句话说，在地球参考系中，来自任何方向的光都具有相同且恒定的速度c=299792458米/秒。这个结果与以太假设完全相悖，并且给物理学界带来了巨大的冲击。迈克尔逊-莫雷实验后，物理学家们试图用各种方法来解释实验结果和拯救以太假设。其中最著名也最成功的是洛伦茨和菲茨杰拉德提出了一个假设：当一个物体相对于以太运动时，它会沿着运动方向收缩一个因子，同时它上面运行的时钟会减慢一个因子，这样两者互相抵消就可以解释为什么迈克尔逊-莫雷实验没有检测到任何效应。
1905年，爱因斯坦打破了传统的观念，提出了狭义相对论，它是一种全新的物理理论。他从两个基本假设出发：一是物理定律在所有惯性参考系中都是相同的，二是真空中的光速在所有惯性参考系中都是恒定的。他用狭义相对论完美地解释了迈克尔逊-莫雷实验的结果，并且预言了许多新的现象，如长度收缩、钟慢效应等。
然而，爱因斯坦并没有完全放弃光速可变的想法。在1907年到1915年间，他曾经尝试过将光速作为时空的函数来建立一个更一般化的相对论。1911年，爱因斯坦发表了一篇论文，给出了光速与引力势之间的关系：。1913年，他认为光速恒定原理只在引力势恒定的特定时空区域中成立。
在爱因斯坦的光速可变理论中，由于光速与引力势有关，所以引力梯度是引起光线偏折的原因，这就像在致密介质中光的折射是一样的。这样一来，他就可以用类似的惠更斯原理来推导光线偏折。爱因斯坦根据这个假设，推导出了在太阳附近的光线偏转为“将近一弧秒”。1919年，爱丁顿利用日食对广义相对论进行验证，光速可变得到的结果仅为广义相对论得到的正确数值的一半。
虽然最后爱因斯坦放弃了光速可变原理，但之后还有其他人还在进行这项研究。比如1957年罗伯特·迪克提出了另一种光速可变的引力理论，还有宇宙膨胀替代理论的现代光速可变宇宙学理论。然而，这些理论受到了很多质疑，如何测量光速也成了很大的问题，因为现在长度和时间依赖于对光速的定义。
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编辑：六块钱的鱼
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