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【科普】光有没有惯性?

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最近偶然会看到类似于“光是否有惯性”这样的帖子冒头,问题差不多是这样的:一辆车与地面相对匀速运动,车上有一个随着车子一起运动的激光器垂直向上发射激光,问:这束光在地面看来是否还是垂直向上发射的?

先说结论,在地面看来这束光不是垂直向上发射的,它将会斜着向车运动的方向发射,且水平速度刚好等于车相对地面的运动速度。

这个结论可以通过相对论的速度公式很容易地算出来,这里只贴出相吧的一个老贴http://tieba.baidu.com/f?kz=316815096 ,感兴趣的可以去看一看是怎么计算出来的,这里不再赘述。不通过计算,只根据“在一个参考系中发生的事件在另一个参考系中也会发生”也能很轻易地分析出这个结论:
假设激光器正上方的车顶上有一个接收器,那么既然在车上看,从激光器发出的光射到车顶上的接收器这一事件会发生,那么在地面上看光射到车顶上的接收器这一事件也必然会发生,又由于光在射到接收器之前车子是向前运动的,因此光必然要斜向前方发射才能射到接收器。而且光的横向速度必须要与车速相同,否则光要不就落后于车子要不就超前于车子而射不中接收器。
通过以上分析得到的结果看起来已经终结了这个问题(当然也确实终结了这个问题),但有的人觉得光是没有惯性的,光不应该受到光源运动状态的影响,光应该在地面看来也是垂直向上发射的,如果在地面上看来光是斜向前方发射的,那么就说明光受到了光源运动状态的影响,这就与“光没有惯性”矛盾了。
其实光确实是不受光源运动状态影响的,而在地面上看光也确实是斜向前方发射的,那么问题出在哪里呢?问题就出在对光源的理解上。我们不应该把整个激光器当成是光源。


IP属地:广东1楼2018-12-05 10:01回复
    当我们仔细考察激光器的原理时就会发现,激光器并不是由一个单独的光源组成的,它的实际原理比较复杂,但对于这个问题它可以简化成这样一个模型:一个内壁四周涂满吸光材料的盒子,盒子底部正中央有一个点光源,点光源正上方的盒子上开了一个小孔。当给点光源输入能量时,点光源会向四面八方发射球面光波,射到盒子内壁的光会被吸收,而只有射到小孔的光才能通过小孔出来,形成单向光束。

    当我们去掉外面的盒子,单独考察一个点光源发出的闪光时,在车上看,从这个点光源发出的闪光会以该光源为球心向四面八方发射。

    而在地面上看,从这个点光源发出的闪光会以发出闪光时的点光源所处的位置为球心,向四面八方发射,且整个球面光波不会被光源所“拖动”,这与“光不受光源运动状态的影响”是一致的。


    IP属地:广东2楼2018-12-05 10:04
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      现在我们把盒子加回去。在车上看,点光源会向四面八方发射光,但只有垂直向上发射的光能够通过小孔,因此在车上看闪光是垂直向上发射的。

      而在地面上看,点光源发出的光确实不会被光源所“拖动”,但盒子是随着车子向前运动的,因此垂直向上发射的光必然无法通过小孔出去,只有水平速度与车相对于地面的速度一致的向斜上方发射的光才能通过小孔出去,因此在地面上看闪光是朝着车子运动方向的斜上方发射的。

      由此可以得出结论:我们并不能把这种现象理解为是光源的运动状态影响了光的传播方向,当然也不能理解为是盒子的运动状态影响了光的传播方向。实际上盒子只是起到了一个筛选过滤的作用,从点光源出来的光各个方向都有,只是相对参考系静止的盒子筛选到的是垂直向上的光,而相对参考系运动的盒子筛选到的是斜上方向的光而已。当我们考察真正的光源而不是整个激光器时才不会对光源是否会拖着光一起跑或者光是否有惯性产生联想。


      IP属地:广东3楼2018-12-05 10:06
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