洛伦兹收缩是怎样得出光速不变结论的?

你这个说法是颠倒了次序。历史上是麦克斯韦电磁学方程在先,这个理论体系完美地解释了电磁学现象,但是根据这组方程,求解出电磁波的波速是常量,这才是问题所在。在牛顿时空体系中,速度是相对于惯性参照系的,如果电磁波的速度是常量,那么它必定处于某个惯性参照系中,这个参照系的对应物是什么呢?物理学家认为需要一个叫以太的物质形态,光(电磁波)的速度就是在以太中运动的速度,依据这个推测,用巧妙的实验,必然可以找出以太,迈克耳逊-莫雷实验就是寻找以太的,然而无数的类似实验都失败了。

牛顿在《原理》中,其实已经分析出绝对时空和相对时空的概念,他明确告诉读者他的理论运用在绝对时空中。

光速不变是狭义相对论的的一个假设,跟洛伦兹变换没有直接的关联。

洛伦兹变换是狭义相对论中两个作相对匀速运动的惯性参考系(S和S′)之间的坐标变换。若S系的坐标轴为X、Y和Z,S′系的坐标轴为X′、Y′和Z′。为了简单,让X、Y和Z轴分别平行于X′、Y′和Z′轴,S′系相对于S系以不变速度v沿X轴的正方向运动,当t=t′ = 0 时,S系和S′系的原点互相重合。同一个物理事件在S系和S′系中的时空坐标由下列关系式相联系:

洛伦兹变换(不叫收缩)最初是在研究电磁波时做出的公式。它用到了光速这个常量,只是因为凑巧电磁波的运动速度跟光速是一样的。这个公式写出来的时候,还没有光速不变的假设。后来,爱因斯坦做了光速不变的假设,并根据这个假设,设想了光计时器(一种用光速计时的钟表)之后他发现可以用这个公式进行参照系之间的坐标变换。这样才把洛伦兹变换跟光速不变联系起来。

说了这么多,其实就一句话,洛伦兹变换是根据光速不变做出的推论,而不是根据洛伦兹变换推导出的光速不变。

或许您会感到奇怪,这么重要的一条理论居然是一个假设。事实上,两点之间直线最短,平行线永不相交,还有万有引力这些都是假设。这些假设不违背我们的经验,而且不这么假设就会引发很多问题。那么如果不做光速不变的假设会引起什么问题呢?

如果光速可以跟物体运动速度叠加的话,你拿着手电筒照在墙上,晃动手电筒墙上的光点不应该留下轨迹,而是跳跃的光点,就像电影中甩动手枪让子弹飞出弧形那样。但这种现象根本不存在,不管你的电筒动得有多快,光点的轨迹都是连续的。光有波的特点,船在水中激起的波纹不会随着船移动,你会看到船都拖着长长的水波。光速不变其实就这么简单。

电磁波运动在不同惯性系中测量,是会出现收缩现象,为了解释这个事实,洛伦兹提出了他的变换公式,假设运动在不同参照系中会收缩,这才是更诡异的超越常识假设,因为逻辑上物质运动不可能因为变化参照系而发生尺度变化!狭义相对论把解释颠倒了过来,认为这只是人类测量运动速度时的错觉,根源就在于电磁波的速度不管咋在任何惯性系下都是同一个常量(此时不需要以太,因为实验证明以太不存在),物质本身尺度是没有变化的,变化的是人们测量它时依靠光的传播速度所造成。

只要光的速度不是无限大,不管它的具体数值是多少,哪怕是声速那么慢,或者是十倍共光速,结论和现象都是一样的,只是程度差异而已。蝙蝠靠声波感知世界,人类靠光波感知世界,两者的相对论效应没有分别,感知的世界都是扭曲的,但也不会撞板碰壁,因为使用了修正公式,这个就是洛伦兹变换的作用。

这个关系式称为洛伦兹变换。不同惯性系中的物理定律在洛伦兹变换下数学形式不变,它反映了空间和时间的密切联系,是狭义相对论中最基本的关系[1] 。

式中 , ;c为真空中的光速[1] 。其逆变换形式为

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