Почему свет движется с одной и той же скоростью при измерении движущимся наблюдателем? [дубликат]

Ответ таков: скорости просто так не складываются, когда мы приближаемся или даже равняемся скорости света.$c$. Вся основная часть специальной теории относительности касается того, каковы последствия постулирования постоянной скорости света во всех системах отсчета.

То есть мы находим преобразования между системами отсчета, постулируя, что скорость света постоянна. С другой стороны, как только мы построили теорию, факт, который гарантирует, что мы видим, что свет в вакууме движется постоянно в каждой системе отсчета, является преобразованием Лоренца . Преобразование Лоренца говорит нам, как наблюдатели с разной относительной скоростью по-разному наблюдают одни и те же вещи.

Чтобы продемонстрировать это на вашем примере, у нас есть луч со скоростью c в$x$-направление так, чтобы мы видели

$$\frac{d x_{ray}}{dt} = c$$ Затем мы «ускоряем» себя на скорость $v$также в $x$-направление. Наше время и $x$-направления внезапно трансформируются так, что мы наблюдаем $$x \to \frac{x-vt}{\sqrt{1-v^2/c^2}}, \; t \to \frac{t-vx/c^2}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$$ что относится и к наблюдаемым $x_{ray}$. Мы должны дифференцировать, чтобы получить скорость луча $$\frac{d x_{ray}}{dt} \to \frac{dx_{ray} - v dt}{dt - v dx_{ray}/c^2} = \frac{dx_{ray}/dt - v}{1 - v/c^2 (dx_{ray}/dt)} = \frac{c - v}{1-v/c} =c$$ Итак, скорость света $c$точно сохраняется преобразованием. Если вы не понимаете математики, интуиция подсказывает, что время и пространство расширяются и сжимаются точно таким образом, что скорость света остается одинаковой с любой точки зрения .

---

РЕДАКТИРОВАТЬ :

Если мы хотим знать , почему c всегда инвариантно, мы на самом деле спрашиваем, почему физические наблюдатели трансформируются в соответствии с преобразованием Лоренца? Или почему пространство и время расширяются/сжимаются и т.д. и т.п. Мы могли бы найти более глубокую структуру, которая объясняет преобразование Лоренца, но оно снова будет основано на некоторых предположениях. И тогда мы можем спросить об этих предположениях. Тогда все сводится к «Почему эти законы?» вопросы. Наука просто не дает полных ответов на такие вопросы.

Что касается более глубокой структуры, то эта статья Митчелла Фейгенбаума — пока единственная известная мне работа, которая показывает (не совсем ясно, но она есть), что при чисто галилеевских предположениях об изотропии и «однородности» (ведущей к линейности), сохраняемых преобразованиями , мы обязательно получим только одно возможное семейство преобразований с одним параметром$1/c^2$. Параметр$1/c^2 = 0$получаем преобразование Галилея, установив$c$чтобы быть скоростью света в вакууме, мы получаем преобразование Лоренца. То есть тот факт, что у нас есть преобразование, сохраняющее изотропию и однородность при любых наблюдениях, приводит к тому, что существует преобразование, порождающее универсальное ограничение скорости$c$(что может быть даже$c = +\infty$).

С другой стороны, как только мы учтем четырехмерный закон Ньютона, мы получим его для частицы с массой покоя$m_0 \to 0$и ненулевой кинетической энергии, эта частица всегда будет достигать скорости$\to c$. То есть, если мы знаем частицу с нулевой (или почти нулевой) массой покоя, мы идентифицируем этот предел скорости, измеряя ее скорость. Вот почему универсальное ограничение скорости — это скорость предполагаемой безмассовой частицы — фотона.

Мы могли бы возразить, что, поскольку Природа не допускает возникновения бесконечности, всеобщий предел скорости является следствием существования безмассовой частицы. Но это довольно слабый и цикличный аргумент. Я думаю, что не могу дать вам более определенный ответ.

Личная точка зрения состоит в том, что вы можете считать, что преобразования Лоренца применимы в первую очередь к импульсам, а не в первую очередь к (бесконечно малым или нет) пространственно-временным координатам.

Это, конечно, «сильный» постулат.

Если вы предполагаете (там нужны некоторые дополнительные постулаты), что преобразования являются линейными и что существует инвариантность к вращению, вы собираетесь изучать «бустовые» преобразования:$\begin{pmatrix} p'_z\\E'\end{pmatrix} = A(v) \begin{pmatrix} p_z\\E\end{pmatrix}$. Вы можете показать это, потому что$A(v)A(-v)=1$,$det A(v)=1$. Предполагая групповую структуру, вы, наконец, смотрите на одномерные подгруппы$SL(2, \mathbb R)$, которые :

$$\begin{pmatrix} \lambda&\\&\lambda^{-1}\end{pmatrix}\quad \begin{pmatrix} 1&v\\&1\end{pmatrix}\quad \begin{pmatrix} 1&\\v&1\end{pmatrix}\quad \begin{pmatrix} \cos \theta&-\sin \theta\\\sin \theta&\cos \theta\end{pmatrix}\quad \begin{pmatrix} \cosh \theta&\sinh \theta\\\sinh \theta&\cosh \theta\end{pmatrix}$$

Если вы добавите дополнительные постулаты о том, что при ускоренном преобразовании энергия и импульс должны измениться, что существует преобразование, которое обнуляет импульс и что, если энергия положительна для наблюдателя, энергия будет положительной для всех наблюдателей, первый$4$одномерные подгруппы$SL(2, \mathbb R)$исключаются, а последняя размерная подгруппа соответствует преобразованию Лоренца.

« Скорость света постоянна, независимо от того, как наблюдатель движется относительно света » .

Это верно. Свет движется независимо, поэтому действия наблюдателя не вносят в него изменений.

Однако интересно то, что скорость света всегда «измеряется» как скорость света, независимо от того, как наблюдатель движется относительно этого света. Это включает в себя движение наблюдателя в любом конкретном направлении, что означает любое направление относительно направления самого света.

Ключ к пониманию этого заключается в том, чтобы рассматривать реальность в четырехмерном виде.

Все массовые частицы постоянно находятся в движении со скоростью света в этой четырехмерной среде, известной как пространство-время. Все, что можно сделать, это изменить направление этого постоянного движения. Таким образом, если кто-то находится в истинном покое в пространстве, все постоянное движение теперь происходит только во временном измерении.

Для выполнения измерения необходимо иметь полный измерительный прибор. Это будет включать один инструмент, который измеряет пространственную длину (например, линейка). Также необходимы два синхронизированных часов. Часы расположены на противоположных концах линейки.

Если свет от любого источника проходит от одного конца линейки к другому в любом направлении, в то время как линейка находится в истинном покое в пространстве, измерение скорости этого света покажет, что свет двигался со скоростью 300 000 км/с

Если измерительный прибор теперь находился в движении в пространстве, то произошло изменение направления постоянного движения в пространстве-времени.

В свою очередь, происходит уменьшение движения по измерению времени, поэтому оба часа теперь идут медленнее. Также произошло вращение, поэтому линейка начинает простираться по измерению Времени и, таким образом, меньшая ее часть простирается по Пространству, поэтому мы сталкиваемся с сокращением длины пространственной линейки.

Кроме того, из-за этого расширения во времени часы на концах линейки больше не синхронизированы, поскольку теперь они расположены в разные моменты времени.

Если снова свет от любого источника пройдет от одного конца линейки к другому в любом направлении, измерение скорости этого света все равно покажет, что свет двигался со скоростью 300 000 км/с. Это связано с многократной сменой самого измерительного прибора.

Таким образом, в обоих случаях мы измеряем скорость света как скорость света.

Таким образом, в свою очередь, мы не можем определить, находимся ли мы в истинном покое в пространстве или нет, поскольку результаты одинаковы, находимся ли мы в истинном покое или нет. Таким образом, мы также не можем определить, в каком направлении мы путешествуем внутри Пространства-Времени.

Вдобавок ко всему, если бы у нас было 2 одинаковых космических корабля, один из которых действительно покоится в пространстве, а другой движется в космосе, тем, кто находится на борту покоящегося корабля, кажется, что другой космический корабль уменьшился в пространственной длине, и что их бортовые часы тикают медленнее.

Однако из-за смены измерительных приборов на борту движущегося космического корабля им кажется, что космический корабль, покоящийся в космосе, уменьшился в пространственной длине, а его часы тикают медленнее. Таким образом, с их точки зрения, на самом деле движется неподвижный космический корабль, а не их.

Важно понять, почему в обоих случаях всегда кажется, что другой парень уменьшился в длину, а другой парень, чьи часы тикают медленнее.

Это правило применимо к двум телам, будь то одно, покоящееся в пространстве, а другое нет, или два тела, которые оба движутся в пространстве, но движутся с разными скоростями.

Таким образом, абсолютная точка зрения не может быть обнаружена, поэтому абсолютное перестали считать важным, таким образом, в большинстве случаев в наши дни продолжается яростное противостояние абсолюту, даже несмотря на то, что такая интуитивная четырехмерная точка зрения все объясняет и производит. точно такие же уравнения.