如果我和光一样快：爱因斯坦的思考与光速不变

2023-11-05 理论教育版权反馈

【摘要】：第一个敢于接受光速不变的就是伟大的科学家爱因斯坦，他的观念转变是从一个思想实验开始的。1905年，26岁的爱因斯坦默默地思考着一个前人从未想到过的问题，那就是：假如我和光跑得一样快，经过一个光源，在我经过的那一刹那，光源亮起，我将看到什么呢？抖动一根长绳，绳子的运动过程就像波的轨迹最后，爱因斯坦不得不做出一个大胆的假设：光速相对于任何观察者来说，一定是永恒不变的。

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955），犹太裔物理学家，因发现了光电效应而获得1921年诺贝尔物理学奖。他创立了相对论，为核能开发奠定了理论基础，被公认为是自伽利略、牛顿以来最伟大的科学家

在20世纪初，虽然已经有很多的实验证明，在任何情况下，我们都无法观察到光速发生变化，但这个现象太过于奇妙，也太违反常识和直觉，因此，当时的科学界普遍不相信，不接受。第一个敢于接受光速不变的就是伟大的科学家爱因斯坦，他的观念转变是从一个思想实验开始的。

什么是思想实验？这是在大脑中进行的实验，什么实验器材都不需要，只需要我们闭上眼睛想就可以了。

1905年，26岁的爱因斯坦默默地思考着一个前人从未想到过的问题，那就是：假如我和光跑得一样快，经过一个光源，在我经过的那一刹那，光源亮起，我将看到什么呢？

这个问题，困扰了爱因斯坦很久。如果按照人们对运动的传统认知，那么我将看到一束相对于我来说是静止的光。但是，爱因斯坦觉得这根本不可能啊，因为光是一种电磁波。什么是波？举个例子，你拿着一根长绳子，然后抖一下，是不是会看到在绳子上形成一个凸起的波峰一直传递下去啊？本质上就是绳子上的一个点运动必然会带动下一个点跟着运动，于是这么传递下去就形成了波。而光波的本质就是电场和磁场的交替感应，有点像军人报数，听到1的人一定要报2，听到2的人一定要报3，这是不可破坏的规则。一束静止的光，就好比军人听到1不报2了，大自然的规则岂不是被破坏了？

抖动一根长绳，绳子的运动过程就像波的轨迹(www.chuimin.cn)

最后，爱因斯坦不得不做出一个大胆的假设：光速相对于任何观察者来说，一定是永恒不变的。这意味着什么呢？如果一个人在一列以速度v行驶的火车上，用手电筒打出一束速度为c的光，那么在站台上的人看来，这束光的速度难道不应该是c+v吗？但如果真的是c+v的话，明显又和我自己的假设冲突了。看来我要么放弃简洁优美的速度合成原理，要么放弃我头脑中对于速度的既有理解。

如果一只小鸟在车厢里面以w的速度飞，在站台上的人看来，小鸟的速度显然应该是v+w

如果一只小鸟也在车厢里面以w的速度飞，在站台上的人看来，小鸟的速度显然应该是v+w，对这个结论，现在没有人会否认。但是，凭什么我们对小鸟的结论也硬要安在光的头上呢？我们对光速的认识太浅薄了，相对于光速，不论是小鸟还是火车，其速度都低得可以忽略不计。我们生活在一个速度低得可怜的世界里面，在这个世界里总结出来的规律难道真的也可以适用于高速世界吗？在火车上的人和站台上的人看到的光速都仍然是c，这个结论之所以让我们感到奇怪，是因为我们一厢情愿地把我们在低速世界的感受直接往高速世界延伸，但事实超出了我们的想象。我们应该果断地抛弃我们的旧观念，接受新观念。

想到这里，爱因斯坦不再纠结了，他决定断然地接受光速恒定不变这个新观念，以此为基石，继续往下推演，看看到底会得到些什么结论。不论这些结论是多么光怪陆离，我们至少应该有这个勇气往下想，再奇怪的结论也可以交给那些实验物理学家用实验去检验真伪。那么，我就带着你继续来做一个思想实验，看看如果光速不变，到底又会产生一些什么样的神奇现象呢？

如果我和光一样快：爱因斯坦的思考与光速不变

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