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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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        你的图看上去很有道理,但是你低估了光的速度。上图中只有光的速度和车的速度差不多,才会出现你所画的情形。


        IP属地:浙江4楼2018-12-05 10:12
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          如果你这个情况成立的话,是不是还要考虑地球的运动?地球的运动速度远大于车子的运动速度吧。加上了地球的运动,是不是还要考虑太阳系的运动?


          IP属地:浙江5楼2018-12-05 11:19
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            tieba.baidu.com/p/5893108316
            12楼及后面是之前回复过的,关于全向光路径选择的大体示意


            IP属地:吉林8楼2018-12-05 15:10
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              这个实验只能证明这发光源的光不是做直线运动的是扩散运动。


              IP属地:广西9楼2018-12-05 15:15
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                这个解释怎么总感觉哪里不对


                IP属地:湖北来自Android客户端10楼2018-12-05 16:57
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                  这不对啊
                  你别开一个孔啊,你在孔那加个竖直向上的管子看看


                  17楼2018-12-07 10:08
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                    视觉看与实质的检测是两个不同的相互作用,活人的视觉看是一个接收信号的点它得到的视觉效果是一个单独的信息,仪器检测的接收信号又是另一种相互作用信息,因为仪器检测后我们在去看这仪器的效果又是仪器和光信号相互作用后的仪器数据,而活人看到的是它的视觉感知和光相互作用后的经大脑处理后的效果信息。视觉效果需要参照物才能判断运动的惯性,而仪器是实质的相互作用下产生的实质数据它不需要参照物来判定的,它们是两种独立的信息模式,怎么可以用来等效。


                    IP属地:广西18楼2018-12-07 12:54
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                      水平速度和相对地面速度相同,那么垂直速度还是光速吗(疑问)


                      来自手机贴吧19楼2018-12-13 10:27
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                        实心红点代表什么?为什么跟地面是相对静止的?


                        20楼2018-12-15 18:18
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                          光有没有惯性,貌似与光子有没有质量联系在一起。要回答楼主的问题,首先要回答光子有没有质量这样一个问题,以及光子是怎么运动的问题。如果仅仅从洛伦兹变换或者狭义相对论抑或牛顿理论角度来解释楼主的问题,可能会得不出令人信服的结论。因此需要跳出来,该由基于广义相对论框架来讨论。
                          目前科学界的结论是:牛顿力学框架无法处理光子的静止质量为零(从数量级角度看)现象;引力质量与惯性质量等价;光子沿着测地线运动;光子可以在基于广义相对论的引力场中发生运动轨迹偏折。。。。最终可以澄清光子有没有惯性这样的观点。
                          在网上搜索了一下相关讨论结果,可供参考。“光子为什么没有质量?知乎”。


                          IP属地:上海21楼2018-12-16 12:32
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                            光分为很多种,传统意义上的光没有惯性,因为不具备质量。
                            此外,你的理想实验结论有问题,它并不会打到车顶的预定位置。
                            你之所以认为它会打到车顶预定位置是因为车速相对于光速约等于0,也就是几乎静止。


                            IP属地:湖南23楼2019-03-07 17:04
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                              要搞清楚光子和光线的不同,一个是微观 ,一个是宏观,如果分不清,则会得出千奇百怪的现象来


                              来自iPhone客户端24楼2019-05-05 14:52
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