Re: [問卦] 光速恆定 是真的嗎?

[jfsu (水精靈)]

※ 引述《a111111 看板: Gossiping》之銘言：
: 光速恆定
: 可是如果我拿着手電筒跑步
: 光速+我的速度>光速           這樣的式子為何不成立?
: 有沒有八卦?
: --
底下有篇回覆蠻不錯的，我在補充一下。印象中，這個算是月經題了。

為何會說『光速就是極限』，底下我們只討論一條非常著名的公式，各位只要貢獻
一點點的想像力即可。

關於超越光速的問題，像是在電影《星際大戰》中，千年鷹號為了逃離銀河帝國的戰艦
追擊，躍入超空間(hyperspace)；小時候的楊威利第一次遇到瓦普跳躍飛行（超空間
跳躍航行）的時候，身體極度不適，又吐又發燒的...等等，這些超越光速的題材，
不管在小說、電影、動畫...都不勝枚舉。

隨著近代物理的發展，物理學家才開始對它投以關愛的眼神。

根據牛頓的理論，光速就是光速，沒有什麼特別，要超越光速絕對辦得到。只要你
跑得跟光一樣快，光在你眼前就是靜止。不過，並沒有人看過光完全靜止，
傳統的牛頓理論在此是說不通的。

愛因斯坦在電磁大師馬克士威的理論中發現，光速是常數。不管你是向著它、背著它
移動，它都以同樣的速度前進。這樣一來，牛頓力學將完全崩潰，因為在他的理論中，
你在地球上的時間、長度與在其他星球的都完全一樣，這也表示在光速不變的情況下，
時間與空間必須產生難以想像的扭曲。

但是根據愛因斯坦的觀點，在加速前進的太空船裡，時間流動會變慢，船內的空間會
遭到壓縮。假設你站在地球上、可以透過望遠鏡看到太空船內部，你會發現，裡頭的
時間變慢了，船員的行動變得跟烏龜一樣緩慢，身體也變得跟扁魚一樣扁平。

如果可以的話，要是太空船以光速前進，內部的時間將會停止、太空船會一直壓扁到
消失不見，質量則會膨脹到無限大！

你會想說，夭壽喂～這種情況怎麼會花生？？！！是啊，也就是如此，愛因斯坦才說
要突破光障(light barrier)是不可能的！如同二次元宅宅與三次元現充總是存在不可
交流的次元之壁一樣。

ps.物體移動越快，重量越重，表示移動的能量轉換成質量，你可以透過E=MC^2來知道
　 有多少能量轉換成質量。

目前火箭最快只能達到40,000mph(64,000km/h)，光障還構不成問題。等到科學家開始
考慮要拜訪離我們最近的恆星系（半人馬座α星(Alpha Centauri)，距離約四光年，
如果使用傳統的化學推進火箭，大概要七萬年才能抵達！），他們得正視光障的問題。

後來愛因斯坦提出了比狹義相對論更強大的武器：廣義相對論，換一個字，當然差很多。
根據廣義相對論，時空就像西索的念能力『伸縮自如的愛』一樣，能縮能伸；
在特定情況下，這塊布可以延伸得比光還快！狹義相對論只能適用於局部地區，如太陽系
；要是考慮整個宇宙，就必須改用廣義相對論！

根據廣義相對論，要超越光速有底下的兩種方法：

1.延展空間:簡而言之，就是將我們背後的空間一直延伸直到接觸我們前面的空間。
           你可能根本沒有移動，只是藉著扭曲空間，來抵達遙遠的星系。原po
           所說的阿庫別瑞引擎(Alcubuerre Drive)就是最好的例子。

2.撕裂空間:首先我們先在一張紙上畫上兩個點，經驗告訴我們，兩點間最短距離就是
           一直線；然而，這未必正確。如果將紙對折，讓這兩個點相交，他們
           之間最短的距離就不是直線囉，而是所謂的蟲洞(Wormhole)。

最後，雖然著名的邁克森-莫立實驗(Michelson-Morley Experiment)證明了光速不變，
但愛因斯坦提出光速不變原理並不全是基於該實驗結果，而是當時已經發展成熟的
電磁理論提出的必要假設。

19世紀末期，從牛頓力學、熱力學和統計力學到馬克士威電磁理論，形成了經典物理學
(或稱為古典物理學)大廈的三本柱。當時，英國著名的物理學家克耳文爵士在英國皇家
研究所的新年慶祝會上，發表了一篇名為《在熱和光動力理論上空的十九世紀烏雲》
（Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light）
的演講。他認為今後物理學家只要替大廈的外觀做些補強的工作，使它更加完美即可，
只不過「動力理論主張熱和光都是運動的方式，現在這個理論的優美性和清晰性，
正被兩朵烏雲所籠罩。」

這兩朵烏雲分別指的是經典物理在光以太和馬克士威-波茲曼能量均分學說上遇到的
難題，它們帶來了一場前所未有的狂風暴雨，從根基上動搖了這座大廈，完全顛覆對
經典物理理論的認知，最後分別誕生出相對論和量子力學。

大家都知道，水波的傳播需要有水做媒介，聲波的傳播則是需要空氣做媒介，可是，
地球離太陽一億五千萬公里，這之間既無水也無空氣，在這近乎真空的環境，太陽光
靠什麼來傳播？

於是物理學家就給光找了個傳播介質：「以太」，這個詞是源自於古希臘，原意是
高空，亞里斯多德認為下界為水、火、土、氣四個元素所組成，上界加第五元素，
以太(ether)」，即是一種媒介物質。1664年，笛卡兒(R.Descartes)首先將它用於
科學，說天體或其他物體間的作用就靠它。

牛頓發現萬有引力之後，碰到了第一個難題：在宇宙真空中，引力是由什麼介質傳播？
為了能有一個解釋，他只好採用笛卡兒的說法，認為以太是宇宙真空引力傳播的介質。
如此一來，許多難題迎刃而解，法拉第的電磁力離不開它，麥克斯韋證明光也是一種
電磁波，當然光的傳播也要靠它。更重要的是，以太的存在正好說明牛頓的絕對
時空觀，它是一個絕對靜止的參考系，地球、太陽等一切運動都相對於它而進行。

「笛卡兒所設想的以太是一種作漩渦運動、球形的無重物質，充滿了整個宇宙」，
當德國物理學家麥古拉指著天空侃侃而談時，對黏性流體的運動十分感與趣的
英國物理學家斯拖克斯(George Stokes)說：

        「啊，好像瀝青似的。」

        「我看倒有點像蠟。」克耳文說。

        「真像伸縮自在的愛。」幻影旅團4號成員舔舔嘴唇緊接著說。

我們不禁哄堂大笑，同樣的一種以太，每個人卻有不同的感覺。

麥古拉連忙放下手臂，他覺得以太就是以太，不是瀝青，也不是蠟，更不是念能力。

由於以太涉及的範圍太廣，加上沒有實驗可做為依據，許多物理學家都參與其中，
提出不少研究以太的理論，逐漸變成物理學界中的顯學，甚至最後以太成為啥都能解決
的萬能藥，幾乎可以媲美上帝。

1884年，克耳文到美國來作一場科學報告。會後一群人擠在他身邊，想聽聽他對於以太
的研究。湯姆生說：「雖然以太解決了不少問題，但新的問題又接踵而來：以太代表了
一個絕對靜止的參考系，而地球穿過以太在空間中繞日運行，如同一艘船在高速行駛，
迎面會有一股強烈的『乙太風』不斷吹來，同時也會對光的傳播造成影響。誰能用
實驗證明了這股風的存在也就證明了以太的存在！」

這時在場的人群裡有一名覺醒青年，聽到這位物理大師的開示心中不由一怔，決定
投入更多的熱情在這個問題上。

這位青年就是邁克森，兩歲時父母帶著他自波蘭過鹹水到美國來謀生。17歲時他考進
安那波利斯海軍學院，畢業後到柏林、巴黎等地留學了兩年，然後又重返美國

1879年，馬克士威寫信向美國航海年曆局的托德，討論測定地球相對於以太的速度
問題。他在信中認為，由於量測精確度的限制，目前所有測量光速的方式都不足以
證明檢驗地球的絕對速度。邁克森得知之後，立即著手設計一台可以測定微小長度、
折射率和光波波長的干涉儀(後來被稱「邁克森干涉儀」)來進行這個最困難的實驗。

ps.實驗的簡圖在教科書都有，此就不附上了。如果存在地球與以太的相對速度，
   藉由測試兩束互相垂直的光的傳播速率會有微小的差別。

1881年，邁克森首次測量，卻是 404 not found，拍謝，是「零結果」。1884年，
在克耳文的鼓勵之下，邁克森與另一位科學家莫立(Morley)合作，改進了實驗裝置，
精確度達到40億分之1。1887年，邁克森重複了6年前的實驗，但得出的結果仍是
否定的。

這告訴我們，地球相對於以太的運動並不存在，或者說以太本身就是一個子虛烏有
的東西。邁克森，本來是想以精確的實驗為以太的存在提供證據，但卻適得其反，
真的很會。

ps.嚴格來說，單憑這點並不足以斷定以太是不存在，這只是證明了乙太風不存在。
愛因斯坦證明以太存在與否其實並無關緊要，認為可有可無。根據奧坎剃刀
(Occam's Razor)原則，物理學家便從此不提以太了。這是後話。

這項實驗結果一宣佈立即在物理學界引起一場軒然大波，本來萬里無雲的藍天上突然
出現了一朵烏雲。因為一旦放棄這個曾經可以解釋許多光電磁現象的以太說，那
牛頓力學的絕對時空觀將要從根本上動搖，經典物理學的大廈突然出現了裂縫！

為了挽救以太，1889年英國物理學家斐茲傑(George FitzGerald)、1892年荷蘭物理
學家洛倫茲(Hendrik Antoon Lorentz0分別提出了物體在以太風中運動、長度收縮
的假設。

雖然這個假設讓以太說得以殘存，猶如風中蟾蜍。但現實的風向已經改變了，
最終當「相對論」提出後，以太的概念從此就銷聲匿跡了......退出江湖、自暴自棄、
偷搶拐騙.... 。

以上

Reference

1.Wiki
2.科學五千年
3.不可能的物理學
4.量子物理史話
5.雅量

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對流血一週仍然不死的生物千萬不能大意……。


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噓 space20021: 廣相整段都在胡扯
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推 kamisun: 當理論對上定律，相對論對牛頓運動定律
→ kps1247: 不過千萬不要讓薩諾斯拿到以太
→ kamisun: 會贏的是理論而不是定律
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