光速不变原理的质疑(光速不变的原理是什么)

导语：物理史话 04 光速不变，质量却要变：这些究竟是怎么发现的？

物理史话 04 光速不变，质量却要变：这些究竟是怎么发现的？

物理现象的发现，无外乎两个途径：1）理论预言得到实证；2）实验发现再寻求理论解释。

牛顿的相对性原理和伽利略变换

相对性原理是牛顿首先提出的：无论是在静止的参考系，还是在匀速运动的参考系，物理规律保持不变。在绝对时空观前提下，对应的坐标变换，就是伽利略变换。

设甲是静止坐标系，乙是相对甲以匀速u运动的参考系。

牛顿第二定律形式保持不变：

m是物体质量，在牛顿力学中是一个恒量。

19世纪中叶前后，对光、电、磁的研究方兴未艾，其结晶就是麦克斯韦方程组。在真空中求解麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，并预言光也是电磁波。同时，也求得真空中光速的理论值：

其中，根号下的两项分别是真空磁导率和真空介电常数。

光速不变

麦氏光速的理论值仅取决于真空的电磁性质，与参考系没有任何关系。这预示着在不同的惯性参考系，真空光速都是一样的。

光速不变的实证，是著名的迈克尔逊—莫雷实验的“负成果”。“迈氏实验”原本是要验证光以太说，打算测出地球相对于“绝对静止的以太”的运动速度。光以太理论下，迎着地球来的光速和跟着地球来的光速是不一样的（伽利略速度叠加原理），这将使能迈氏光干涉条纹的差异中测出地球的速度。结果地球的速度没测出来，却发现无论是迎着地球来，还是跟着地球来，光速保持不变！不断改进精度，反复实验，结果都一样。据说，后来的迈氏干涉仪的精度可以达到测出“一座大山移动一根头发丝的距离”。

质量要变

相对性原理却遇到了麻烦：麦氏方程组的形式在伽利略变换下不再保持不变。要解决这个麻烦，有两个途径。

第一条途径是“改造麦氏方程组”，使得‘新的麦氏方程组’在伽利略变换下保持不变。这‘新的物理理论’自然预言了一些新的电磁现象，比如不同参考系下将测得不同的光速值等。然而实际证明这些‘新的物理现象’纯属子虚乌有。

第二条路径是改造伽利略变换，使得麦氏方程组的形式在这新的变换下保持不变。这将同样预言一些新的物理现象，如后来证实的“尺缩钟慢”。这项工作由洛伦兹完成，因此这一新的坐标变换，如今称之为“洛伦兹变换”：

但是，牛顿定律在“洛伦兹变换”下也要保持形式不变哪，这只有对质量引入一个修正因子，使得

才得以实现。

后来， β 射线在均匀磁场运动轨迹的测量数据证实了电子质量如上所预言那般变化。

以上，就是光速不变、质量却要变的大致历史脉络。大家可以体会一番，理论和实践是如何相互促进的 。

本文内容由快快网络小春整理编辑！