李学生 （lixueshenglxs@21cn.com）　2007.05

六、光速不变性原理的提出

摘要: 本文回顾分析了光速不变性原理的提出过程和含义。

关键词：光速不变性原理、以太、狭义相对论

相对论和量子力学是近代物理学的两大理论支柱,它们的提出推动了人类科学技术的迅猛发展,可以预料再今后相当长的一段时间内,这两种理论还将会处于统治地位并得到进一步发展.但相对论提出后的近100年,一直受到不少人的反对,其中包括一些著名物理学家.但一种科学理论遭到如此多人的反对在科学史上还是少见的,托勒密的地心说尽管是一个错误的理论,但在当时它还是符合人们的直觉经验的,在逻辑上还是自恰的,用托勒密的地心说进行一些历法计算还是相当准确的.这个学说在统治人们一千多年的漫长历史过程当中,绝大部分人还是认同的,这说明托勒密的地心说具有可理解性.那么相对论为什么得到如此多人的反对呢?我认为相对论(或多或少)关键是在逻辑上具有不可理解性,一些假设条件(如光速不变)违反人们的直觉甚至理性。这是否意味着相对论是一个错误的理论呢?不是,相对论是一个很了不起的理论,其伟大之处在于它使人们摆脱了牛顿绝对时空观的束缚，对时间和空间的概念赋予了新的物理学涵义——时间和空间不是别的而正是运动着的物质本身，进一步说是物质本体通过运动所表现出的现象形态。那么，相对论如此伟大为何又遭到如此多人的反对呢？问题的关键就在这里。大部分人在学习或研究相对论时，参考的是一些教科书，但相对论是一个同（真空中）物质运动密切相关的很深的时空理论，一些教科书上并没有直接反映这种思想，而对相对论的一些逻辑推导或讨论又在牛顿的绝对时空框架内进行，但相对论作为一种时空理论必然离不开时空坐标这样一些概念，人们在碰到时空坐标这种概念时自觉或不自觉地就与绝对时空框架联系了起来，而忽视了时空本身的物质属性和运动属性，这样就使得相对论的一些逻辑假设和理论推导难以让人们在直觉和理性思维方式下去体验和把握，由此造成了学习者或研究者的思维混乱。从表面上看，相对论是一关于时空坐标变换的理论，其实坐标变换仅是一种数学处理手段，还是表象的东西。严格讲，相对论是一个关于运动着的物体或粒子与真空相互作用的理论，要描述这种相互作用机制可以采用坐标变换的方法也可以采用其他方法，爱因斯坦采用了前者，前者更直观、更经济些，但却远离了物理本质。其实，相对论的一些结论可用粒子物理和量子力学以及牛顿力学（从某种意义上讲，牛顿力学是一种经验科学，但它在本质上也是一种物体或粒子与真空相互作用的理论，引力、物体的惯性、质量等无一不与物体或粒子与真空相互作用机制有关。大家可参考：THEQUANTUMTHEORYOFMOTION。PETERRHOLLAND著，北京：世界图书出版公司）方法推导出来。在相对论中最难理解的莫过于光速不变原理了，其实这一原理是正确的：只要将那个运动的坐标系不要看成绝对坐标系，而是一种运动着的物质系统，光进入该系统后，由于光子与该物质系统内的某种更为细腻的物质——真空量子相互作用，使得光依然以光速运动，也就说光子与它产生相互作用的邻域真空是一个不变量，这就是光速不变原理（请参考：广义相对论引论，王仁川，合肥：中国科学技术大学出版社，1996年）。

相对论认为，光速和源速无关，和测量光速者的运动速度无关，这要求光速必须是无穷大，也许正因为如此，爱氏坦言“光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色” 【2】1905年，Einstein在德国《物理学纪事》杂志上发表《论动体的电动力学》论文，提出了狭义相对论。狭义相对论是以两个前提假设为基础提出来的。 “以下的讨论将以相对性原理和光速不变原理为依据。这两条原理我们定义如下：①物理体系的状态基以变化的定律，同这些状态的变化是以两个彼此作相对匀速运动的坐标系中的哪一个为参考，是无关的。②任一条光线在“静止的”坐标系中都以确定的速度V运动，不管这条光线是由静止的还是由运动着的物体发射出来的。【3】电磁波在真空中的传播速度等于电量的电磁单位与静电单位的比值。

Einstein光速不变原理的原话是：“诸如此类的例子，以及企图证实地球相对于‘光介质’运动的实验的失败，引起了这样一种猜想：绝对静止这个概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特征。倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的规律也一样适用。我们要把这个猜想提升为公设，而且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在空虚空间里总是以一确定的速度c传播着，这速度同发射体的运动状态无关。由这两条公设，根据静止物体的麦克斯韦理论，就足以得到一个简单而又不自相矛盾的运动物体电动力学。”

Einstein提出的光速不变有两种假设，一种是假设光波在空间中的传播速度与光源运动状态无关；另一种假设是光波相对观测者的传播速度与观测者运动状态无关.这两种假设紧密相连，接受前一种假设，就必须承认后一种假设，反对后一种假设，也就必须否认前一种假设。

有人认为Einstein“光速不变”的假设，具有三层意义：

1、在所有的宇宙空间中，光速都是不变的，都是以均匀的速度c，匀速传播。显然这层意义是完全可以取代，人们原来假设的“以太”的。这是因为虽然人们假设存在“以太”的目的，是为了解释“光和力”的传播，实际上却是为了确定“光和力”的传播速度。而任何速度都必然是相对于空间和时间的，可是空间和时间都是虚幻的，都是在茫茫宇宙中无法找到，并确定的。因此在人们的心目中，“以太”必然代表着绝对空间和绝对时间。从而以这种假设的绝对静止的“以太”为基础，计算确定“光和力”传播的速度。因为Einstein假设了“光速不变”的实质，就是假设“光”在宇宙空间中，相对于绝对空间和绝对时间，以匀速c传播。那么当然也可以视为空间和时间是以光速c运动的，而“光”却是静止的，其它的一切物质物体的运动发展变化，都是相对于静止的“光”的。由此可见：Einstein的“光速不变”假设，和“以太”假设是等效的。只是“光”比“以太”更加直观，更加容易理解。这是因为人们能够清楚地感觉到“光”的存在，而根本就无法感觉到“以太”的存在。虽然Einstein假设了“光速不变（以太也一样）”，但是却仍然无法明确地确定绝对空间和绝对时间，只能是在自己的心目中，代表着绝对空间和绝对时间，当做绝对空间和绝对时间来使用。当然无法明确地向别人表达说：“光速不变”就代表代替绝对空间和绝对时间了。这是因为Einstein没有发现《物体运动的组织网络系统规律》，没有发现客观存在着“系统空间”，根本就没有发现能够站得住脚的理由。2、“光速”相对于宇宙中所有的光源物体的传播速度都是c，都是光速。显然可以把“光”的传播速度视为c，而把光源的运动速度视为零，视为静止的；同时又可以把“光”的传播速度视为零，即相当于“以太”，那么就可以把光源的运动速度，视为c。3、“光速”相对于宇宙中所有的非光源物体的传播速度都是c，都是光速。显然可以把“光”的传播速度视为c，而把物体的运动速度视为零，视为静止的；同时又可以把“光”的传播速度视为零，那么就可以把物体的运动速度，视为c。

Einstein的狭义相对论作为出发点的基本前提是：静止状态与恒速运动状态并不能由这个系统或那个系统的观测者用任何电磁学或者力学的实验进行区分。狭义相对论的内容可以归结为一句话：一切自然定律必定受到这样的限制，使它们对于Lorentz transformation都是协变的。在狭义相对论中，Einstein还给出了光速不变假定的如下数学形式：设有相对作匀速直线运动的两个运动参照系 r、R（以下简称为r 、R　系、参见图二），r、R 系分别由直角坐标系oxyz 和 OXYZ构成 ，两个直角坐标系的 x 、X 轴重合，y 、Y 轴和 z 、Z 轴均平行，r 、R 系在 x 、X 轴方向以一定的速度匀速远离，在两个坐标系原点 o 、O 分别有持时钟和量尺的观测者， r 、R 系的观测者使用自己的时钟和量尺测得的 r 、R 系远离速度均为 u 。

在上述情况下，Einstein继续假定，在两个坐标系原点 o 、O 重合，r 、R 系观测者所持时钟时间t = T = 0时，在 r 系原点o处有一个点光源发出了一个球面光波，这个球面光波以光速膨胀为球形。在球面光波膨胀过程中，r 、R 系的观测者各自使用自己的时钟和量尺测量球面光波的膨胀运动。

在这种情况下，r 系观测者测得的球面光波运动情况是：球面光波以光速Ｃ膨胀为球形，在球面光波膨胀过程中，球面光波的球心始终是 r 系的原点 o 点。在 r 系观测者所持时钟显示的时间为 t ，r 系观测者使用量尺测得的球面光波任一点坐标为 x 、y 、z的情况下 ， r 系观测者使用时钟和量尺测得的球面光波膨胀运动可以表述为如下数学方程

x²+y²+z²=Ｃ²t²

与此相应，R 系观测者测得的球面光波运动情况是：球面光波以光速Ｃ膨胀为球形，在球面光波膨胀过程中，球面光波的球心始终在 R 系原点 O点 。在 R 系观测者所持时钟显示的时间为 T ， R 系观测者使用量尺测得的球面光波任一点坐标为 X 、Y 、Z的情况下， R 系观测者使用时钟和量尺测得的球面光波膨胀运动可以表述为如下数学方程

X²+Y²+Z²=Ｃ²T²

以上两个数学方程就是光速不变假定的数学形式。

在给出了上述光速不变假定的数学形式之后，以之为基础，Einstein推理出了Lorentz变换，也就是r 、R 系的坐标变换关系和时间变换关系：

X=γ(x–ut)

Y=y

Z=z

T=γ(t–)

γ=

Einstein对Lorentz变换给出的解释是：对于一个点物理事件，在 r 系研究者使用本系时钟和量尺测得的物理事件的坐标和时间为（x，y，z，t）的情况下，R 系研究者使用本系时钟和量尺测得的物理事件的坐标和时间为（X，Y，Z，T），（x，y，z，t）和（X，Y，Z，T）的量值关系由上述Lorentz变换给出。

厄瓦耳(Ewald1912)和俄辛(Oseen1915)的消光定理（Extinctiontheoremof）认为：一个从真空中的以光速c传播的入射电磁波进入色散媒质内，那么它的场就被感生偶子场的一部分所抵消（从宏观角度上看也就是被电极化强度P的一部分抵消的。且被另一个波所代替，这个波以表征媒质的相速度传播，入射波因干涉而消失，数学分析得知对这个过程是在有限的一段距离上发生的，由于真空波和媒质波有着不同的相速度，两者经过这段距离之后就会有明显的位相差，当频率为ω时，相位差是Δφ=ω(n-1)x/c式中n为折射率，x为这个距离。这里请你们要注意的是，入射波是干涉消失的，而不是吸收，所以，在这里我们讨论的是相位！因为计算难度和相对复杂性，在这里我们给出一些数据：对于n约为1.5的玻璃和波长为650nm的可见光得出的消光定理距离约为2*10^-7m；对于空气中的1Mev的γ射线消光定理距离约为0.73m；而可见在星际空间传播时的消光定理距离则长达2光年左右。从上面的各种情况下的消光定理距离可以看出，不管光离开其光源时速率多大，由于媒质的介入，一个新的扰动来替代他，这个扰动的频率与光原光频率相同，但却以媒质的特征相速度来传播。这时，对媒质的光学性质进行修正以后，相对于媒质静止的观测者测得的光速都将等这种媒质中的光速，使得源的运动和光相对于源的速率无关。这样就使得关于Einstein第二个设定的所有早期实验和许多近代实验的验证全部因为消光定理而失效。1964年，瑞士日内瓦的欧洲联合核子研究中心，高能中性π介子衰变中产生的6KMeV光子，测量80M路上的飞行时间来确定这里光子的速率，π介是用19.2KMeV的质子轰击铍靶产生的，他们的速率是0.99975C，这个速率是由同一事件的带电π介子速率推算而来的，利用射束的r-f结构来计时。得出源速相当快、甚至接近光速时发出的光子速率依然是C，实验误差在1.3×10^-4左右。实验是把以速度v运动的氢离子做为运动光源，通过观测运动氢离子沿与v成a角方向和沿180^o+a角方向上辐射电磁波的波长，则可知道这两背向传播电磁波波长的乘积与观测角a之间的关系，实验若证实两波长的乘积与观测角a变化有关，则可肯定光速不变假设成立。相反，若实验证实两波长的乘积是与观测角a的改变无关，实验结果就应看做是支持c，=c(1-(k₀×u/c)²)^1/2式成立的证据。

1938年，Ires—Stuwell所做的氢极隧射线实验与上述实验有区别，他是把沿180^o+a角方向传播的光线用反射镜反射180^o后，在同一侧同时观测两电磁波的波长。如果光速不变假设成立，应观测到两波长的平均值与氢离子静止时辐射电磁波的波长之比等于1+v²/2c².如果c，=ck₀×u式成立，应观测到两波长的平均值与氢离子静止时辐射电磁波的波长之比应等于1+v²/2c²-v²sin2a/4c².Ires—Stllwdl所做的实验是观测角a约为7^o时的结果，对于此角度而言，实验结果也并非与1+v²/2c²-v²sin2a/4c²相矛盾。因此，必须在v一定时验证两波长的平均值与a之间的关系，而不是在a较小时验证两波长的平均值与v之间的关系。否则，就不能说光速不变假设已被实验所证实。“各种检验光速不变性的实验都只证明了回路光速的不变性，并没有证明单向光速的不变性。” 【1】由于几乎所有实验都包含光的往返，由于存在着抵消，不能消除光速方向上的差异。按经典理论我们可以说光在不同密度介质中传播速度不同，但是这个不同绝对不是光的传播速度改变了，而是光的传播方向改变了，使光在原来传播方向上的分速度改变了。而光速永远是光在引力场中的传播速度，换言之，只有引力场才具有传播“光子”的能力。而其它任何具有质量的介质只能改变光的传播方向，并不能改变光的传播速度，因为具有质量的介质没有传播光子的能力。

参考文献：

【1】张元仲 著《狭义相对论实验基础》（科学出版社，1979年9月第一版，第19～20页）。时至今日仍然未见有证实单向光速不变的实验报道。

【2】[美] 约翰·施塔赫尔编，Einstein奇迹年，范岱年等泽，上海：上海科技教育出版社，2001，106—107。

【3】德国《物理学纪事》1905年第4系列第17卷第895－921页，参见蔡怀新等编译《Einstein论著选编》，上海人民出版社，1973年。

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