Re: [問卦] 光速為何是固定的

[b852258 (Lion)]

※ 引述《seafox5566 (老貓)》之銘言：
: 各位安安
: 小弟上通識課
: 老師教愛因斯坦的相對論
: 但我看一切理論原始於
: 光速是不變得
: 到底為什麼光速永遠一樣
: 有大師可以跟我說嗎?
: 我要證明不是實驗喔
: 嘻嘻

最近剛好看了一本科普書，來拋磚引玉一下

原PO的問題是「為什麼光速是不變的」

其實這個說法不太精準，應該說「在任何的觀測者眼中，光速是恆定的」

說明之前，有幾個前提

首先要能接受宇宙中沒有絕對速度，只有相對速度。

這句話是什麼意思呢？

如果今天把你放在一個毫無一物的空間中，沒有任何的參照物，那麼就算
你以10km/s的速度前進，也和靜止無異。

若今天有了一個靜止的人和你同在一個空間中，這個空間中只有你們，你
以10km/s的速度前進，在他看來，是你以10km/s的速度向前進，但是在你
看來，是他以10km/s的速度向後退。

這兩種說法都對，差別只在於觀測者的不同，速度永遠只能用相對來表示
，沒有絕對速度。

有人會覺得無法接受，認為是誰動就是誰動，就算觀測者不一樣，那也只
是換個說法而已，實際上就是我動了啊。

其實有這個想法並不意外，因為這是人們對宇宙認知的直覺。

我今天換個話說，今天你在地球上以10km/s的速度向前行，這是相對地球而
言，這並不是你真正的速度，你沒有考慮到地球的自轉速度。

我今天如果在外太空看你的話，就算你躺在床上不動，睡了八小時後，你已
經跟著地球轉了13248公里(地球自轉速度平均0.46km/s)

有人說，那我的真實速度就把地球自轉也考慮進去啊。

可是地球還有繞著太陽公轉。那也把公轉的速度考慮進去。

可是太陽系也在銀河系公轉。那也把太陽系公轉的速度考慮進去。

除非你有辦法找出宇宙的正中心，一個恆定靜止的參照點，否則這樣考慮下
去沒完沒了。

所以今天你說你靜止不動，你真的有辦法確定你是靜止不動嗎？

因為宇宙如此浩瀚，我們根本無法確定我們是真的靜止還是在運動，因此，
在沒有參照物的情況下，速度是沒有意義的。

到這裡如果你能接受的話，那我們再接著講下去。

西元1864年，馬克士威總結歸納出了一組方程式，後世就以他的名字命名，
馬克士威方程組。

以下的內容因為我也是從書上直接照本宣科，所以更深的內容我也不清楚。

細節不用深究，簡言之，馬克士威方程組是一個描述電磁作用的方程組。

根據書上所說，馬克士威將「位移電流」引入了方程組中，這使得新得到的
方程式能以「波動」的方式表達，亦即波動方程式。

其中的波是以振動的電場與磁場構成的。

而馬克士威方程式預測了兩者的強度比就是波的速度。

經過計算，波的速度是 299,792,458 m/s，好巧不巧，就是光的速度。

而在推導出電磁波的速度中，並沒有提及波源或接受裝置本身的速度。

我們前面提及了，沒有參照物的速度是沒有意義的，而馬克士威方程組
從頭到尾都沒有接觸到這個問題。

也就是說，這個速度是宇宙中的不變量，不因觀測者不同而有所變化。

這會導致了一種詭異的結論，無論我是以什麼速度前進，我觀測光的速度
永遠都會是299,792,458 m/s。

而邁克森-莫立實驗也驗證了這一點，光速是恆定不變的。

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大概4這樣。

以上內容是摘自「為什麼E=mc2? 探索時空、質量之源與希格斯粒子」
Brian Cox & Jeff Forshaw 著

有興趣的板友可以找來看看，裡面講的內容也更多更有趣

如果有誤的話，還請專業的大大指出來

不過我也只是業餘愛好者，更深入的內容我也講不出個所以然

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※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Gossiping/M.1509982962.A.474.html
推 kkes0001: 文組都看懂了！
推 qaz90427: 南部私立科大也都看懂了
推 gfhnrtjpoiuy: 用語夠親民推
推 james732: 推認真
→ j121369730: 蓋
推 TFnight: 推
推 yongguo: 推
推 ptrpan: 地球週長也不過四萬公里…為什麼睡八小時會跑八十萬公里…
推 emptie: 簡單來說，這是觀測結果，實驗做出來就是這樣。不為什麼
推 ff20: 推
→ b852258: 地球公轉速度每小時10萬7000公里
推 howard0113: 相對什麼的對文組來說太難了
→ emptie: 樓上，地球軌道半徑1.5億公里，八小時差不多會繞行1/1000
→ emptie: 圈
推 ptrpan: 簡單說來，其他地方沒有問題，上面那句話是錯的…
→ howard0113: 套用老子說的：「天下皆知美之為美 斯惡矣」 他們可能
→ howard0113: 比較懂
→ ptrpan: emptie當原文講這句話的時候，只考慮自轉…後一句才開始
→ ptrpan: 考慮到公轉的影響…
推 victciv: 推 八卦有你真好
→ ptrpan: 雖然我的物理沒有很強，不過通篇我是沒有疑問的…只針對
→ ptrpan: 敘述有誤的地方而已
推 forgetyou322: 80萬那個那個是算公轉 跟週長無關吧
→ b852258: 其實這個我也是抄書的 沒有去仔細想過
推 heureuxseed: 最喜歡在八卦看到專業討論文了 推
推 michellehot: 射了
→ ptrpan: 內文自己說[那我就把地球自轉也考慮進去啊,可是地球還有
→ ptrpan: 公轉,那也把公轉...]這些都是寫在80萬公里之後
→ b852258: 我剛剛看了一下  是我敘述錯誤了 感謝指正
※ 編輯: b852258 (123.205.154.124), 11/06/2017 23:57:15
推 iphone0: 那是不是只要找得到一個參照點，就可以說速度是絕對的
理論上是這樣，不過我記得宇宙空間因為暗能量的關係也持續在膨脹，也就是說宇宙
沒有恆定靜止的參照點。
推 forgetyou322: 其實敘述也沒有錯誤啊 後面講的 "有人說" 開始是另
→ forgetyou322: 一個假設
→ forgetyou322: 這裡由自轉開始再提到公轉，不代表前面的觀測就不
→ forgetyou322: 考慮公轉吧？！
推 mollylly: 我理組的，推
推 zero549893: 推 理組就是邏輯清晰
推 ptrpan: 原文有80萬公里的那四行真的很難看懂文字敘述錯誤嘛？……
推 kiuyeah: 推長知識
推 wcyboy478: 講的淺顯易懂，優質好文
推 VOLK11: 好文
→ VOLK11: 很有料，打得出來很佩服
→ VOLK11: 應該是說對宇宙而言啥速率和時空都可以辯證
推 connie016003: 推
→ VOLK11: 但是宇宙也是有一個定則，要不然每個人早解離了
→ VOLK11: 所有宇宙粒子的路徑和變化，是有漸次的
推 ptrpan: 原po您好：其實現在這樣還是敘述可能有誤導的感覺。
推 tiest0913: 你也太威
→ ptrpan: 人在床上睡覺，在地球上觀察，速度為0。
→ VOLK11: 只是粒子的置放時空的參差問題
推 Bluedicker: 長知識
→ VOLK11: 我們在地球看到的是線性的概念
推 Edouard: 讀了略懂，給推
推 AddictoBear: 好文
→ ptrpan: 在南北極上空觀察（若睡覺的人在赤道）八小時位移13333km
→ VOLK11: 要說到相對概念，愛因斯坦有提出理論
推 evilaffair: 支持光速是熱能花亮傳導
推 vack20534: 乾指考參考書有說過
推 lanthanum: 位移電流只是補充安培定律在電容之類的狀況下不足之處
推 Glaylikesky: 推
推 paulshain04: 太神了
→ ptrpan: 由太陽處觀察，八小時位移43萬公里
推 carrey8: 你有在看書發優文 為什麼我身邊有在看書的都發廢文 好慘
→ ptrpan: 對不起，86萬公里
→ b852258: 感謝指教，我直接改成自轉的速度比較不會有誤解
→ ptrpan: 其實講得都是事實，不過敘述如果誤導比較不懂的人，再傳出
推 sank: ！推
→ ptrpan: 去就都是以訛傳訛，更要預防記者亂抄，登上新聞貽笑大方
推 poppyvampire: 如果速度只是空間的波動呢，有沒有基準點好像沒差哦
→ poppyvampire:        空間中速度發生後的起源已是過去的起始點
推 gjozj30303: 不錯講得很淺顯易懂
推 Sinreigensou: 其實我有疑問，假如把相對速度算出動能，難不成靜
→ Sinreigensou: 止在地球上的人對於太陽而言也具有動能？
推 DWmadao: 推
→ Sinreigensou: 雖然我站著不動，但是地球公轉自轉也會賦予我動能
→ Sinreigensou: ，而且這個能量還不小…地球轉動速度超快
推 notneme159: 推個優文
推 sDwlr: 推
推 or0706555: 推
推 meloxxl: 長知識了 原來地球轉這麼快 不說完全感受不到呢
推 ptrpan: Sin，在光速之下，地球自轉公轉都很慢，不影響你用1/2mV2
→ ptrpan: 去算另一個物體相對於你的動能
→ ptrpan: 當速度要接近光速時，m不再是m，V(s/t)也不再是V，因為都
→ ptrpan: 要用L轉換成相對論質量與相對論長度與相對論時間
→ ptrpan: 當然也沒這麼簡單，不過不影響我們算火車的動能就是了
推 arnold3: 所以為什麼光速可以不辨
根據書裡面的說法，要維持因果律，宇宙需要有一個極限速度，而經過推理，
這個速度就是光速，如果光速沒有這種恆定的性質，因果律會被打破
推 kinomon: 推
推 alladult: 所以宇宙極速就是30萬公里/秒，沒人知道為什麼
推 sam910037: 推
推 este1a: 射了
推 ptrpan: 另一個解釋光速不變的方式是：當觀察者相對於光有一個速度
→ ptrpan: （比如靠近或遠離）時，觀察者手上的尺與碼表，都會變長或
推 glay2100: 推
→ ptrpan: 變短，因此拿來測量光速時又得到相同的結果。
→ ptrpan: 當然這是講給小學生聽的解釋了…
推 louis912: 科普推
推 zero12395: P大的另一個解釋我聽過
推 DarkyIsCat: 推
→ bemyself: 重力可以改變光速吧
推 rgntxjw: 物理真是奧妙
→ bemyself: 廣相 重力是時空彎曲 光在其中走曲線
推 F14A: 這比上一篇好多了
推 kousyouon: 樓上有好幾個理組的低能兒
推 yushes920179: 推
推 cheng1990: 推
推 fragmentwing: 推，不過物理也有因果律這種東西？
推 hunder31: 推
噓 j3748365: 馬英九我愛你
推 unclec40: 推難得好文
噓 dbalruke: 還是沒准確回答問題啊，為啥要維持因果律，就要有極限速
→ dbalruke: 度？
→ b852258: 詳細內容書裡面有寫，因為過程有點冗長，我這裡就不贅述
推 a34567: 請問如果用非常趨近光速的速度前進時觀測 光速依然恆定嗎?
→ b852258: 了，有興趣可以去看看我說的那本書哦
推 rutp6j35566: 推
噓 XDDDpupu5566: 原文落落長都沒切題
→ XDDDpupu5566: https://youtu.be/msVuCEs8Ydo
這個影片值得一看，其實就是我想要講的內容，再更詳細一點
→ b852258: 回樓上是的，你以99%的光速前進，你看光依然是30萬km/s
→ junior8858: 感覺 箭頭文組寫的
推 coburn: 你的表達清晰流暢 比理工噁宅好多了 他們很多人話都講不清
→ coburn: 楚 也聽不懂人話
→ b852258: xdddpupu5566的連結內容不錯，我之前也有看這個人的科普
→ b852258: 頻道，很長知識!
推 meimei2016: 推！謝謝你！好棒啊！
推 kenny840719: 參考點那邊 還可以講到雙生子謬論 兩者必須是慣性系
推 tosakashiron: 認真問 如果我以接近光速前進
→ tosakashiron: 我觀測光也是光速嗎
→ tosakashiron: 抱歉我看到有人問類似的了 謝謝
推 sa4035: 這篇講得好易懂啊 希望可以多發科普文！
推 boodui2: 推長姿勢
推 cscscsxdd: 既然如此 那麼前面幹嘛還要解釋相對...
其實只是想要讓大家先理解速度是相對的這個概念，才能夠知道為什麼
光速是恆定這件事是多麼詭異
推 hdphy: 推
推 justtakethat: push
推 StarHero: 重力是影響時間的相對關係  星際效應有演捏~
推 y120196276: 為什麼因果律要維持不能超光速自己去翻書，你伸手別人
→ y120196276: 難道還要寫證明給你看哦？
→ StarHero: 這問題回到光是波動性還是粒子性?
推 Forthelife: 道家觀念
推 virusket: 只有我看不懂嗎？
推 snakegirl: 三類組推推
推 polouucc: 推
→ StarHero: 如果你以光速移動  觀察光的移動速度還會是30萬/S嗎?
→ StarHero:                                          KM
理論上，你永遠達不到光速，因為那需要無限大的能量
頂多就是99.99999999....%的光速
當然假設你真的達到光速，觀察光會不會依然是30萬km/s，我不確定
不過那個時候宇宙的生滅對你而言都只有一瞬間，旁人看你你是永生不死
推 chivalry70: 曲速引擎根本不可能創造出來得意思?
我看科普頻道是說，曲速引擎是不違反相對論的，他用的不是傳統意義上的前進方法，
他是被空間往前推的，本身並沒有動，理論上是可以造得出來的
推 TOTnice: 推
→ StarHero: 科學家想證明超越三度空間的可能性 藉由超越光速的世界
推 FlandreMiku: 棒
→ StarHero: 在那個世界  所有已知的物理法則皆不存在
推 TsarSway: 淺顯易懂
推 reexamor: 文章能寫得那麼清楚 一定是文組的！
推 a5245242003: 推
推 twofish: 優質好文推一個
推 davidWG5566: 好屌
推 lovedog0731: 宇宙本來就是扭曲的，走捷徑就是超光速，到時要克服
→ lovedog0731: 的是超重力
→ lovedog0731: 曲速引擎應該就是扭曲重力場將遠處的質量拉往後方，
→ lovedog0731: 也可以想成是將前方重力場增強，後方重力場減弱，不
→ lovedog0731: 是飛船在向前推進，而是遠處質量拉走飛船，但前提是
→ lovedog0731: 要有宇宙重力場圖。重力場應該是宇宙中最快的速度，
→ lovedog0731: 因為一但質量產生，引力立刻影響無窮遠處。另外，宇
→ lovedog0731: 宙可能沒有膨脹，而是中心重力場增強而造成光線紅移
→ lovedog0731: ，當具有質量的物質進入黑洞，將形成更強的重力，這
→ lovedog0731: 些物質將被壓縮噴發至宇宙的邊緣重新出發成為恆星，
→ lovedog0731: 與其說宇宙形成46億年，不如說地球周邊的星系群約46
→ lovedog0731: 億年前被噴發出來。當然如果能計算出重力的速度，應
→ lovedog0731: 該可以推算出地球離宇宙中心還有多遠。
推 cerberi: 推
推 eric525498: 推
推 banbanmeow: 淺顯易懂推
推 tiara: 謝謝大大分享
推 twstocking: 文組讚嘆你
推 psycheee: 推
推 fallforward: 文組加油
推 Falldog: 推
推 vegout: 文組覺得溫馨
推 lewisk: 推
推 cloudin: 推
推 gipo776: 有趣
推 Tvector: 強大！
推 n86512nn: 推
推 jslov: 太棒了…
推 ian868219: 優質
推 k1400: 簡單說就是電刃波動拳才是正宗，火炎波動拳根本旁門左道
→ k1400: 謝謝你，宗師馬克士威
推 tieferozean: 推
推 s9911704: 推
推 celine1234: 文組竟然也看懂了！
推 taigi1021: 這篇厲害 幫高調
推 udm: 推。
推 TitanEric: 大推
推 greenatw66: 推
推 giexzcvb: 推 還是取決於有無觀測者
推 KUMA2016: 推
推 asole: 天啊 好有趣 希望原po可以多分享一些！
推 tacoo: 文組感動推！
※ 編輯: b852258 (223.200.104.70), 11/07/2017 10:43:41
推 dilemma0520: 推
推 Mattcobb: 推！長知識了
推 lee28119: 推一個
推 pockycat: 長知識
推 au355: 推  增加知識了
推 pttstupid: 覺得專業
推 RoaringWolf: 喔喔，又科普了一次
推 StanRod1994: 優質文推
推 truelife009: 靠北  這哪裡的通識課啊  好虐哦
→ truelife009: 正向意義  只是覺得這堂課好強= =
推 chuchangyung: 推
推 GGISGOOD: 推  上ptt學知識
推 abasqoo: 哪我如果以近似光速前進，觀測逛光時，它仍舊是光速遠離
→ abasqoo: 我？ 邏輯上聽起來怪怪的
→ b852258: 樓上，就是這樣，很違反直覺，但實驗結果告訴我們這是真
→ b852258: 的，近代物理兩大龍頭，相對論跟量子力學都很違反直覺，
→ b852258: 相對論比起量子力學還算是好接受的了
推 tuna0214: 推
推 mystage: 欺負文組啊！用一句話說重點啊！
推 LordOfCS: 請說英文好嗎？
推 darksome22: 好感動 我文組也懂了
推 cafo1006: 易懂
推 minilinwesto: Maxwell用錯誤的觀念和不好的數學方法
推 ankolala: 優質好文推
→ arcanite: 因為你手上的尺跟你的時間軸都會因為接近光速而明顯改變