在狭义相对论中,使用了光速不变,指在静止坐标系内,光速不变,但又能得出在静止坐标系内测运动坐标系内的光速也是不变的:
根据\((ct)^2-x^2=(ct’)^2-x’^2 \),可得:
\(x’=ct’\)时,\(x=ct\),
但这样让人非常难以理解,因为使用了不同的时间系统。
如果我们使用光速可变,而时间使用同一个,会出现什么情况呢?
我们把\((ct)^2-x^2=(ct’)^2-x’^2 \)改成:
\((ct)^2-x^2=(c’t)^2-x’^2 \),
当\(x’=0\)时,\(x=vt\),有
\((ct)^2-(vt)^2=(c’t)^2 \),于是:
\( c’=c/\gamma \)
也就是,如果假设使用同一个时间系统,光速可变,那么在静止坐标系内观察运动坐标系内的光,其相对于O’的速度为\(c/\gamma\),但在O’内测量这个光,其速度是c,所以出现了时间上计数的差别,
那么,在这个光速下,我们计算在O’坐标系内,光以速度c走了t’时间时,在O内测是走了多久
O’坐标系内,光以速度c走了t’时间,O’坐标系内的人测量,总共走的距离为\(ct’+vt’\)
O坐标系内的人测量,O’坐标系的光相对于O’的原点的相对速度为\(c/\gamma\), 走的时间为t,走的距离为\(tc/\gamma\)
那么有:
\(ct/\gamma =ct’+vt’\),
也就是,在O’坐标系内,光以速度c走了t’时间,距离为\(ct’+vt’\),但在O内测量,其实际走的距离为\(t*c/\gamma\),两者长度相同。
所以\( t=\gamma(t’+vt’/c)\)
如果在O’坐标系,光走到了\(x’\)位置,那么\(t’=x’/c\),于是上面的公式可写成:
\( t=\gamma(t’+vt’/c) =\gamma(t’+vx’/c^2) \),或:
\( t=\gamma(x’/c+vt’/c) \),让\(ct=x\),于是:
\( ct=\gamma(x’+vt’)=x \),
同时有尺缩效应,在相同时间\(\Delta t\)内,在O’中看到光测量的长度L,在O中则缩短成了\(1/\gamma\)倍,于是有:
在O’的坐标x’处,在O中看来则是\(x-vt\),所以有\(x-vt=x’/\gamma\)
将运动坐标的光速降为\(c/\gamma\),那么很容易得到相对论的能量动量公式,
在静止时,粒子的静止广义动量为\(m_0 c\),运动时,其速度降为\(c/\gamma\),质量\(m=\gamma m_0\),静止广义动量变为\(m c/\gamma =m_0 c\),仍然保持不变,而根据动量守恒,有:
\((mc)^2 =(vt)^2 +(m c/\gamma)^2=(vt)^2 +(m_0 c)^2\),也就是:
\( E^2/c^2 =p^2 + E_0^2/c^2\)
假设光速不变的一个依据,是在一个运动速度为v的坐标内,因为光速不变,那么在静止坐标系内观察运动坐标系的物体的速度,其速度可以分解为平移速度\(v\)和垂直速度\(v_\perp\),而垂直速度最大只能是\(c/\gamma\),因为两者合称速度最大只能是c:\(c^2=v^2+(c/\gamma)^2 \)
我们也可以计算在O中测到的O’的实际移动距离来验证这点:
根据\(x’=\gamma(x-vt)\),如果在O’内,光走了x’的距离,我们实际测量到的却是\(x-vt\),是x’的\(1/\gamma\)倍,可以看作是光速降低了\(\gamma\)倍.
O’相对于O匀速\(v\)运动,如果有个物体在O’坐标系内匀速\(u\)运动,那么在O中测量此物体上的光速,就是:
\( c_{u+v}=\sqrt{c_v^2-u^2} =\sqrt{c^2-v^2-u^2} \),
可见如果要将一个物体在不同坐标系内不断加速,必须满足\(v_1^2 + v_2^2+… < c^2 \) ,而一旦超过了,则不能测量物体的实际位置,这一点也体现了现在狭义相对论的速度叠加公式的不足,导致在暗物质、宇宙膨胀、黑洞方面的问题。