在一辆飞驰的车上,向上发射一束光,光会向后弯曲吗?

在一辆向前飞驰的车上,从天窗向上发射一束光线,光会发生弯曲吗?

这个问题看似有点绕,毕竟光的性质和我们生活中的物质有些不同,但只要我们找到这个问题的本质所在,经典的基本力学就可以解决这个问题。

先举例子:小球和水柱

这个问题乍一想,光线貌似会弯曲,因为光源在向前移动,光被发射出去后,在前进的方向上如果失去速度,整个光线不就弯曲了?但真实的情况会是这样吗?

产生这样的想法是我们被日常生活中的现象所迷惑,例如:我们拿根水管,打开水龙头,假如水管里得水大概能向上冲个两米,如果我们此时抓着水光往前跑的话,那么水管出来的水柱就会向后弯曲,这一点没有错。是我们生活中经常能看到的现象!

我再举一个粒子,跟光这个初始条件一样,也是在一辆向前飞驰的车上,但我们这会不发射光线,而是向上发射不断的发射小球或者子弹,那么这些小球组成的运动轨迹也会发生弯曲。不管是水管中连续不断出来的水,还是向上连续不断发射的小球,它们之所以会弯曲,是因为它们在平移的方向上逐渐失去了速度。于是就在空中划出了一条曲线。

也就是说,小球在被发射出去的那一刻,有一个向上初始速度,还有一个向前的初始速度,这个速度与我们在车上的速度一样。对吧!根据牛顿力学的定律:一个物体在不受到任何净外力的情况下它会一直保持自己的运动状态,当然,这个运动状态也包括静止状态,其实我们常说的静止状态其实只是一个运动状态的特殊形式而已。

现在的问题是水管中的水和小球为什么会失去,在水平方向的初速速度呢?这个问题相信你应该直到,也很明了,是受到了向后方向的空气阻力,才导致了水平方向上速度的丧失。这就是问题的根本所在,如果我们有能力将以上的两个思想实验搬到太空中重新做一遍?你认为会发生什么?水和小球的轨迹会不会发生弯曲?

答案是肯定不会,不管你发射多少颗小球,不管你先前运动的速度有多快,这些小球都会在你的头顶上,跟你保持一样的水平速度,在不同的高度上排列。在牛顿定理下事实就是这样的。这说明一个物体的运动,只要不受力它就可以保持自己初始的运动状态。小球在脱离了空气以后就可以保持直线!那光在空气中呢?

光会弯曲吗?

我们知道光的最小单位为一个光量子,我们可以将其比作一个小球,一束光就是一束连续不断的光量子,也是连续不断的小球,而小球在地球上受到空气阻力的影响,那现在的问题是,光子会受到空气阻力影响吗?

我想,如果你经常看科普文章的话,应该从来没听说过,空气能给光子施加一个阻力,这简直是在开玩笑!对于光子来说,它只能被物质吸收、反射、折射、透射!吸收不会改变光子的路径,只会使得光束的能量衰减直到消失,反射,折射确实可以改变光子的路径,但是空气对光子是透明的,折射只会发生在从一个介质到另外一个介质的过程中。所以不管空气怎么运动,都不会影响到光子的运动。其实到这里问题都解决了,但是有一点很重要,我不得不提一下。

这个问题最主要的是,光的传播也不依赖于任何介质,更不会依赖于空气传播,这个性质才是关键,以前人们认为声音传播要空气,水面上的波纹扩散需要介质,当光被证明是一种波的时候,人们根据直觉就想到了光一定也有其依赖于传播的介质。于是就假象了以太这种介质。

这种假象的以太不会与任何物质发生相互作用,于是我们根本感受不到它,但它却充斥着宇宙的所有空间,地球的自旋和公转也在以太中穿行,那么如果以太真的存在,地球的运动就会造成所谓的“以太风”,那么顺着以太风传播的光速就更快,逆着以太风传播的光线就更慢,而垂直于以台风传播的光线肯定会发生弯曲。这就跟我们在河中游泳一样,顺流游得快,逆流游得慢,想要横穿一条河流路径肯定会弯曲。

只要光传播依赖于以太,那么车在向前行驶的过程中就会和以太发生相对运动,光就会发生弯曲。但是著名的迈克尔逊-莫雷实验为我们证明了,以太根本不存在,也就是说光的传播不需要任何介质,不管你有没有空气,光的传播不会发生任何影响。这就跟我们在太空中向上跑小球一样。

所以这个问题的结论就是,不管你的车开得有多快,光还是向上以直线传播。并不会发生滞后,或者因为向前运动把光甩在了后面。但是如果你向上发出声波的话,声音肯定会在水平方向上减速,如果你超音速前进,就会把声波甩在身后。