281、牛頓力學和電磁學的矛盾！相對論淺說13

1、從「麥克斯韋方程組」說起 

1865年，麥克斯韋給出電磁場方程組（共有20個）。

從這些方程出發，麥克斯韋推導出『電磁波』的存在，

並證明了電磁波的傳播速度等於光速，

從而得出『光』是『電磁波』的結論。 

後來，在1890年前後，

赫茲等人簡化了麥克斯韋的20個方程，

得到了現在通用的4個方程，即『麥克斯韋方程組』。 

2、「伽利略相對性」的數學表達 

（「伽利略相對性」如果用數學形式表達的話， 

   就要採用『伽利略變換式』來進行了） 

伽利略運用『實驗』並結合『數學』，

發現了『相對性原理』及『自由落體定律』等。

如前述，所謂『伽利略相對性原理』，

即，「牛頓力學定律」在『任何慣性系』中都是相同的。

如果用『數學式』來表示的話，

就是將『牛頓的方程式』，放進『伽利略變換式』中進行變換，

其方程式的形式，保持不變。

3、『光速不變』原理與牛頓『速度疊加律』，撞車！

從運動中觀測，光的速度在真空中仍然是每秒約30萬公里，

但是這種現象與牛頓定律，撞車！

『光速不變』原理與牛頓力學的『速度疊加律』，無法解釋的。

為了理解「光速之謎」，讓我們舉一個例子來說明吧:

現在讓我們來想象一下如下場景：

一輛藍色公交車正以每秒10米的速度在路上勻速地行駛著，

車裡有位女士--愛麗絲正從車尾的座位上起身，

以每秒 5米的速度，向前面的『車門』處勻速走去，準備下車。

車上還有一個女孩 她在座位上坐著不動，

另外，在車外還有一個男孩他正在站台上望著汽車駛過。 

這時那個男孩說：

「我看到車上那位女士走路的速度是每秒15米！」

而坐在椅子上的女孩卻會認為：

「那位女士走路的速度是每秒 5米。」

車外的男孩和車內的女孩，2個都是身處『慣性系』，

但他們所得的結果卻不一樣，……

【奇怪了，剛才不是說力學現象在慣性系中都是等價的嗎？

怎麼這裡，一個是15，另一個卻是5呢？

其實，伽利略相對性原理準確地表述應是：

牛頓定律或方程式，在所有慣性系中是一樣的，

這並不是指某個具體的數字是一樣的。

所謂「一樣」，指的是物理規律和方程式是一樣的。

比如，在某個慣性系中，

牛頓第二定律是「力等於質量乘以加速度」（F=ma）；

在另一個相關的慣性系中

也是「力等於質量乘以加速度」（F=ma）。

具體的數字，需要通過變換和計算才能得到。】

在前面，我們已經了解到，

從麥克斯韋方程可以推出，電磁波的速度就是光速c。

現在，讓我們把上面那個有關公交車的實驗，

作一下改動，即把『愛麗絲』換成一縷明亮的光：

光是以光速運動的（真空中的光速每秒約30萬公里），

所以車內的女孩說：

「我看到的光速大約每秒30萬公里！」

（車廂內不是真空，此處是只取光速的近似值。）

而車外的男孩卻說：

「我看到是光速c加上每秒10米！」

麥克斯韋方程說，電磁波和光速是不變的啊！

那麼，為什麼車外的男孩看到卻是c+10呢？

現在我們看出：

傳統的「牛頓力學」和後起的「電磁學」有了矛盾。

新式人物麥克斯韋說，電磁波的傳播速度是光速c，

而站在牛頓力學的立場看，

在某些參考系中，卻出現了類似c+10的結果。

這種矛盾，

象徵著「牛頓力學」和「電磁學」在深層的矛盾。

也就是說，

如果按照老式的「牛頓速度合成律」，

人們將會得到在不同參考系中，

光速是不同的結論。謝謝。