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有没有可能光需要介质才能传播,但我们却看不到它?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-08-02 10:55:25

从第一次发现光遵从一个波动方程,即麦克斯韦方程开始,几十年来,物理学家一直假设波在介质中传播,就像海洋表面波在空气-水界面传播一样,声音通过一个经历了压力和变形的介质传播。他们把所谓的光介质称为“光以太”。“发光”的意思是发光的,“以太”是一个模糊的术语,沿着一种难以探测的物质的路线。

随着反对以太假说的证据越来越多,物理学家们并不是不费很大力气就否定了这个假说。他们发展出越来越复杂的理论,试图使以太假说符合证据。这些理论形成了一张错综复杂的效应网,其中没有特定的统一逻辑。最后,爱因斯坦用一个非常大胆的假设取代了所有这些效应,并且基本上推翻了之前所有理论的逻辑。然而,这听起来是真的,因为它从一个简单的假设中解释了所有的现象。因此,爱因斯坦的假设将以太从进一步的考虑中彻底排除。

第一个相反的迹象是迈克尔逊-莫雷实验,该实验发现,无论观察者相对于其他物体以何种速度运动,测量到的光速总是相同的。(这个实验使用的是地球自身相对于其他天体的速度,这一速度在一年中会发生变化。)

第一个试图将这种观测结果与以太相一致的理论是“以太拖拽”,该理论认为,当地球在空间中运动时,它会推动附近的以太向前移动,以配合地球的运动。因此,实验装置实际上并没有相对于以太移动。然而,以太阻力被证明是错误的,根据从地球上看的遥远恒星的视方向,垂直于地球假定的运动方向。这种变化被称为“光的畸变”。这种效果与乙醚阻力不一致。

有没有可能光需要介质才能传播,但我们却看不到它?

左边的动画显示了移动如何影响信号(如光线)进入望远镜的明显方向。光源的图像在运动方向上发生位移,这种效应称为“像差”。右边的动画显示了受到乙醚拖动影响的传入信息;青色云是移动的以太,它消除了像差,因为光获得了介质的额外速度。由于观察到像差,因此不存在乙醚阻力。

另一种说法是,以太是不被拖拽的;它确实定义了速度的绝对定义。为了解释所观察到的恒速现象,我们假设当测量设备被拖过以太时,测量设备受到它在以太中的运动的影响,而这种影响恰好使测量设备以同样的光速进行测量。这将要求设备在运动方向上变短,并且时间在设备中比在不通过以太时流逝得更慢。

这种解释的一个问题是,没有特别的理由来解释为什么测量设备的几何和时间尺度的变化,应该完全正确地隐藏设备的运动与以太。这种解释的另一个问题是,它没有办法测量以太中的运动。即使有以太这样的东西,也没有办法测量它的影响。它也可能不存在,因为没有办法观察它的效果。

第三种解释消除了这两个问题。它基于一个相当大胆的假设:四维时空的一个固有特征是,光在真空中的速度在任何情况下都是不变的。虽然这一假设似乎相当大胆,但它消除了上面描述的其他问题:

不需要速度的绝对零度。一个相对于该物体运动的观察者对该物体的任何观察都只取决于它们的相对速度。

这一假设本身就足以解释测量设备的变化,这些变化会导致测量出来的光速相同。然而,这些差异并不是设备的变化,而是时空的特征。

当观察者以不同的速度,观察相同的测量设备或其他物体时,会看到它以不同的方式受到影响,所有的力在被观察物体中以不同的方式受到影响,根据所有的物理定律,这是一致的。虽然不同的观察者所看到的物体的差异,根据日常的直觉似乎很重要,但它们原则上就像从不同方向所看到的物体的差异一样。

因此,以太的概念在物理实相的任何解释中只是一个不必要的复杂。

关于“时空的织物”,织物是物质的一种形式,而时空只是一套几何规则。与欧几里得几何学相比,特定速度的固有不变量可能看起来有点奇怪,但它被证明是对大量其他令人困惑的观察结果的一个简单的解释。时空缺乏我们用来定义物质的特性。

暗物质与光以太只有一个共同的特征,那就是它有点飘渺,也就是很难被探测到。然而,我们所知道的关于暗物质的一切都与它是物质的基本观点是一致的。它最奇怪的特征是光不以任何方式与它相互作用,这与它是光传播媒介的可能性相反。

同时,我们发现暗物质存在于某些区域,但在另一些区域却无法探测到。既然光似乎能够通过没有暗物质的区域传播,暗物质就不能被要求作为媒介。

根据广义相对论,暗能量作为时空几何的组成部分在数学上是有意义的。根据同样的数学/几何学,暗能量对光的传播不是必不可少的。
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