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 曾明生 （mgsgzg@sohu.com） 2008.05.01 23:39:28
论光速不变原理的正确性
——兼论爱因斯坦在创立狭义相对论过程中的失误
摘 要：光速不变原理的正确性长期以来被人质疑的主要原因之一是，在爱因斯坦创立狭义相对论的过程中确实存在着一些失误。去掉这些失误后，光速不变、相对时空观乃至相对论的正确性就很容易被认同了。论文还指出了相对论的一个发展方向。
关键词：光速不变原理、机械运动、电磁波的传播、时空
1905年爱因斯坦的《论运动物体的电动力学》的发表标志着狭义相对论的创立。狭义相对论（以下简称相对论）的基本假设之一是“光速不变原理”：在所有惯性系中，真空中的光速具有相同的量值c [1]（111页）。也就是说，不管光源与观察者之间的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所测量的真空中光速都是相等的c [1]（111页）。
随着时间的推移，越来越多的人接受了相对论，当然也就接受了光速不变原理。但至今在中国，在全世界仍然还有一些人对相对论持怀疑，甚至否定的态度。反对派的主要根据是，光速不变原理是不正确的。
爱因斯坦在创立相对论的过程中确有一些失误。然而，这并没有影响到“光速不变原理”的正确性和相对论的正确性。
1. 光速的测量与惯性系、非惯性系
反对派认为，光速不变原理没有得到任何实验（包括几乎所有物理教科书上都有详细叙述的迈克尔逊-莫雷干涉试验）的证实。其理由是：第一，所有的实验都是在地球表面这一个近似的惯性系进行的，即没有任何一个实验是把观察者置于相对地面运动的另一惯性系来检验光速是否还是c；第二，所有的实验都没有考虑到观察者与光源之间的相对运动速度。
先看第一个理由成立与否。
凡是牛顿运动定律适用的参照系，称为惯性系，而牛顿运动定律不成立的参照系，称为非惯性系；在宇宙中严格的惯性系并没有找到[4]（64页）。实际上，在非惯性系中处理问题时，惯性系的三个牛顿运动定律当中，只有第二运动定律才需要加以修正[4]（65页）。
而观察者测量光速只是一个运动学范畴的事件，丝毫不涉及到牛顿第二运动定律。也就是说，观察者测量光速所得到的结果，与他所在的参照系是惯性系还是非惯性系无关，也与光源所在的参照系是惯性系还是非惯性系无关。
因此，在光速不变原理中加上“所有惯性系”这个限制是多余的。即在光速不变原理中加上“所有惯性系”是爱因斯坦的一个失误。
因此，相对论的光速不变原理应当订正为“真空中的光速具有相同的量值c”。
当然，就相对论的整体而言，它还是要涉及到动力学问题的。在非惯性系中，牛顿第二定律除了要考虑因子（1- v2/c2）1/2以外，还必须加上所谓“惯性力”才是正确的。所以当创立相对论的过程进入动力学阶段时，爱因斯坦才应该把上述“所有惯性系”这个限制提出来。
再来看第二个理由成立与否。
观察者是直接测量光的传播速度的。换言之，他不会首先在与光源相对静止的某一个参照系中测量得到光速c1，然后再到与该参照系以速度v相对运动的另外一个参照系（后者），最后把c1±v（速度合成）作为后者中观察得到的光速。
至此，上述两个理由都不成立。
结论就是，大量物理试验中观察者在不同的参照系测量得到的结论——“真空中的光速具有相同的量值c”，是可信的。
大量物理试验证实了狭义相对论的正确性，也就间接地证实了“光速不变原理”的正确性。
2.光速不变与麦克斯韦电磁场理论
其实，在狭义相对论诞生的1905年，根据当时已经有定论的物理理论和事实，稍加推理就可以得知，“真空中的光速具有相同的量值c”。
19世纪初科学界就已经知道，光是一种波动（光波）。19世纪末科学界又确定，光波就是电磁波[3]（247页）。因此，光波的传播也就是变化电磁场（即时变电磁场）的传播。
1865年麦克斯韦在“位移电流假设”和“涡旋电场假设”的基础上，建立了以麦克斯韦微分方程组为核心的电磁场理论。该方程组的解预言了电磁波的存在，指出光辐射也是一定频率的电磁辐射（电磁波）。1889年德国人赫兹的试验证实了麦克斯韦电磁场理论的正确性。在1905年，电磁波技术已经进入实用化的阶段，如欧洲、美国等早已开办无线电报的商业业务。
根据麦克斯韦电磁场微分方程组的解可知，电磁波在真空中的传播速度c只取决于媒质本身固有的电磁性质[3]（247页）：
c ＝ 1／（ε0 μ0）1 / 2
式中ε0、μ0分别为真空的介电系数、磁导率。因为真空的介电系数、磁导率分别都是恒量，所以光波（电磁波）在真空中的传播速度c也是恒量。这个表达式还明白无误地指出，对c自身的量值而言，完全不存在速度合成问题。
显然，麦克斯韦电磁场微分方程组与牛顿第二定律无关。这也印证了前文的结论——“测量光速所得到的结果，与观察者所在的参照系是惯性系还是非惯性系无关，也与光源所在的参照系是惯性系还是非惯性系无关。”
以上情况清楚地表明，时至1905年，“光速不变”已经根本不是一个需要假设的命题，而是一个可由公认理论得到的，并且可以得到大量物理试验证实的结论。
实际上，“光速不变”本来就隐含在麦克斯韦电磁场理论之中。这就是荷兰物理学家洛伦兹本人之所以可以在比爱因斯坦更早的19世纪末，在没有“光速不变” 假设的条件下也得到了与爱因斯坦在相对论中推得的变换完全相同的洛伦兹变换。
可见，创立狭义相对论时爱因斯坦直接应用“真空中的光速具有相同的量值c”这个结论就完全可以了。因此，时至1905年，他还把所谓“光速不变原理”作为相对论的假设之一完全是多余的。爱因斯坦这样做，不能不说是他的一个重大失误。
3. 光速不变的物理机制
下面把分析“机械运动”和“电磁波（光波）的传播”的物理涵义，以了解“光波在真空中的传播速度是一个恒量c”这个结论的物理机制。
“机械运动”是物体空间位置的变化[4]（6页）。
而根据麦克斯韦电磁场理论，“设在空间某区域内有变化电场（或变化磁场），那么在邻近的区域内将引起变化磁场（或变化电场）；这变化磁场（或变化电场）又在较远的区域内引起新的变化电场（或变化磁场），并在更远的区域内引起变化磁场（或变化电场），这样继续下去。这种变化电场和磁场交替产生，由近及远，以有限的速度在空间传播的过程称为电磁波。”[3]（243页）
无论变化电场产生变化磁场，还是变化磁场产生变化电场，前者产生后者时，后者的能量都是前者提供的。如果没有能量源对前者补充能量，当前者的能量全部转化成后者的能量后，前者本身也就消失了[2]（164页）。因此，所谓前者“产生”了后者，实际上是前者“转化”成了后者。所以电磁波传播路途上每一处的变化电场或变化磁场（后者），都是由前边紧靠它的变化电场或变化磁场（前者）辗转转化而来的。但前者并没有移动（运动）到后者所处位置而成为后者，故后者与前者并不是同一个常后者的频率、振幅与前者相同，只是相位有所滞后[2]（164页）。
这正是变化电磁场是在空间进行传播，而不是进行机械运动的物理涵义。可见，电磁波的传播和普通物体的（机械）运动在物理机制上有本质的区别。
由麦克斯韦“位移电流假设”和“涡旋电场假设”可知，无论变化电场产在邻近的区域内生变化磁场，还是变化磁场在邻近的区域内产生变化电场，都是通过媒质来实现的[3]（242页）。即变化电磁场的传播与媒质的电磁特性有关。求解麦克斯韦电磁场方程组的过程和解表明，电磁波（光波）在媒质中的传播速度仅取决于媒质的电磁特性（ε、μ）。
另外，因为电磁波传播路途上每一处的变化电场或变化磁场，都是由前边紧靠它的变化电场或变化磁场辗转转化而来的，所以光源产生的变化电磁场一旦在空间开始传播（形成电磁波），就与光源脱离了联系。这样一来，不管以后光源的空间位置怎样作机械运动，甚至消失了，都对电磁波的传播不产生任何影响。这就是光速绝不参加速度合成（c±v）的根本原因。
4. 光速不变与相对时空
牛顿绝对时空观是（低速）机械运动的种种表现在人们头脑中的反映，伽利略变换是基于牛顿绝对时空观而建立的。绝对时空观认为，所有坐标系的时间和空间的量度基准是统一的。现在观察者从两个以速度v 作相对运动的坐标系分别测量同一列光波的传播速度。假若在一个坐标系测得的光速是c1，那么在另一个坐标系测得的光速必定是（c1±v）。
然而物理试验的真实结果却是，两个坐标系测得的光速是同样的一个量值c。据此，科学界只能认定，从根本上讲，牛顿绝对时空观以及对应的伽利略变换是不正确的（现代物理学的结论是，牛顿力学、伽利略变换只是相对论力学、洛伦兹变换在物体作低速机械运动情况下的极限形式）。
因为光波的传播速度是光波传播的空间长度与对应的时间长度的比值，所以只有认为“作相对运动的两个坐标系的时间和空间的量度基准是不一致的”，才能够解释真实物理试验得到的上述结果。
基于此，爱因斯坦提出了相对时空观：时间和空间彼此相关，并且它们都是与物质和物质的运动联系在一起的[]（107—108页）。大量的物理事实证实了相对时空观和与之对应的洛伦兹变换是正确的。
仔细考察反对派构思的质疑、否定相对论的种种方案可以发现，这些方案无不显式地或隐式地把光波的传播当成了一种机械运动，并且完全用牛顿绝对时空观分析、处理问题。
5.相对论的发展方向之一
物理理论和物理试验表明，声波一类的机械波在各向同性的弹性媒质中的传播速度也是一个恒量（这里记作b）。很容易知道，由此也完全能够产生相对时空观，并得到一个与洛伦兹变换相似的变换，只需要把洛伦兹变换的因子（1-v2/c2）1 / 2改成（1-v2/b2）1 / 2即可。换言之，基于这个声速b也可以创立了一种“另类相对论”。显然，由“另类相对论”可得到一个结论：任何物体的（机械）运动速度不能超过声速b。当然，物理现实立即就否定了这个结论，也就否定了“另类相对论”的正确性
然而爱因斯坦从来没有说到过，他为什么要选择光速而不是声速来推演出洛伦兹变换，从而创立相对论。
以上情况说明，除了光波（电磁波）以外，自然界确实还存在着传播速度也为恒量的波动。因此，可以“假设”自然界存在某一种波动，其传播速度u（u＞c）也是一个恒量。由此能够得到一个与洛伦兹变换相似的变换，只需要把洛伦兹变换的因子（1-v2/c2）1 / 2改成（1-v2/u2）1 / 2即可。这样，物体的（机械）运动速度v虽然不能超过u，但是可以超过光速c。当然，截至目前，这仅仅是理论上的一种假设而已。虽然如此，但至少在理论上可以说，存在着物体的机械运动速度v超过光速c的可能性。
相对论有如下两点遗漏：（1）物体的机械运动速度v和光波的传播速度c，这两个在物理机制上迥然不同的物理量为什么会紧密地联系在一起，对运动物体的质量、能量、动量乃至时空产生形成重要的影响；（2）结论“c是v不可逾越的极限”在相对论中只有数学的答案，而没有物理的答案。
由麦克斯韦电磁场理论知，光速c是和变化电尝变化磁场联系在一起的。而电尝磁场都是物质。进而可以推知，狭义相对论的质量-能量关系式“E = mc2”实际上指出了质量、能量、电、磁四者之间是存在着内在联系的。揭示出这种内在联系的真实情况是对相对论的一种发展。
参考文献：
[1] 程守洙，江之永. 普通物理学3[M]. 北京：人民教育出版社,1982.
[2] 杨儒贵. 电磁场与电磁波[M]. 北京：高等教育出版社, 2003(第1版).
[3] 程守洙，江之永. 普通物理学2[M]. 北京：人民教育出版社, 1982.
[4] 程守洙，江之永. 普通物理学1[M]. 北京：人民教育出版社, 1982.
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