光速不变----科普篇（一）

The velocity of light does not change

张树润

摘要：本文力争用通俗的语言说明光波的速度在任何情况下都不变，光粒子的速度是可以降低的，光波的群速度始终等于C=30万公里/秒。

如果说光即有波动性又有粒子性，这种说法是含糊不清的，光子由于运动速度的不同而具有波动性和有粒子性的成分有所不同。下面我们画一幅三角函数 图-1来说明[1]：光子e是一个能量常量，根据光子的运动速度h的不同它在X和Y轴上的投影也不同。Y轴上表达波动态，静止质量等于零运动速度等于C的能量；X轴表达粒子性，速度等于零的静止能量为m₀c²的能量。如果光子在C位置，它是速度等于C静止质量等于零的波。如果光子在d的位置，光子的速度等于零，转化成有静止质量m₀的电子。如果光子在P位置，这时光子具有双性态，它即有波动态oa又有粒子态0b。这里注意光子的波动性和粒子性是一个整体。打个粗糙比方：一个团火球从C点顺着cd大弧滑到d点，火球中心开始产生小小固体核，光子在滑动过程中它不断增大，而火球的直径不断缩校当光子滑动到d点时，火球没了，剩下一个较大的固体核。

在光子的折射过程中，光从一种媒介进入另一种折射率较大的媒介中，光子的速度变小，因为它还发光，所以我们还能看到光子运动路线。如果光子进入另一种媒介中它静止了，它不发光了，我们也看不到光的辐射了，光子这时转化成电子。

图-1

既然有光子运动速度变小于光波速度C的时候，我们就能把它加速。因为小于光波速度C的光子具有质量了，所以我们就能用机械法把光子加速。光子的运动速度等于C时，它没有质量，我们无法对它再加速了。

我们作一个实验[2]，在图-2中，设在真空中运动速度为C的一束单色光射入折射率是（n）的可以运动的透明介质中，当透明介质静止的时候，折射角为α，入射角为θ，这时我们有：

OA段光波的速度是C，OE段光子的运动速度是V。在光子的运动速度是V的时候有了静止质量，我们可以给光子加速。当透明介质以速度为V₁运动起来的时候，速度为V₁在OE方向上的速度分量是u，这时候光子的速度增大为V+u，由于光子的速度增大，折射角由α增大为Φ。当透明介质运动速度V₁加快时，入射角Φ渐渐加大，如果加大到Φ = θ时，AD成为直线。这时运动透明介质中的速度V= C，OD线段没有了静止质量，再也加不上速度了。如果再想有别的办法加速，这时出现的情况，见图-1所示，这是不可能的。

图-2

在图-2中：

光粒子的相速度除C以外的相速度，不表徵光的信号速度，也不表徵光能量的移动速度，根据光的群速度必须是光的最小相速度原理，光的群速度必然等于C≈30万公里/秒。实验证明：过去用各种仪器测定光速都等于C，被测定的光波都是群速度，这足以证明光波的群速度必然等于C。就目前来看，任何宣布他做成了超光速的实验，最后都失败了。

说明：

1.当光子的速度下降时，该光子含波动成分也随之下降，也就是频率下降，我们没有看到单色光的颜色的变化。[3]

我们的视觉是光子能量由视神经细胞转化成生理电，生理电的大小刺激脑细胞反映出的不同颜色。我们接受的是光子能量e，它是光子不变的能量，所以颜色不变。

2.图-1中坐标是什么？作用量的能量微分等于时间，写作：

其中S是作用量,e是能量

X坐标是四维时间的 ，Y坐标是另三维时间 ，

光波动能量投影在时间坐标上，无论透光媒介是由什么样的物质组成，都改变不了它速度C。只要光子运动，它在时间上就有投影 ，我们有：

时间t为:

在不同透光媒介,由于光子的运动速度不同而显现出来它的静止质量的不同，在引力场中，光子受引力场的作用而减速，引力场越强，减速越大，它们的关系是：

其中V是光子的减速

3.如果我们采用复光，它的里面含有多种波长的光，都以速度C运动，进入折射率为n的光透媒介中产生色散，所以采用单色光。

伟大的科学家爱因斯坦在当时的历史背景下，能把《光速不变》提出来，奠定了现代物理学基矗爱因斯坦没有强调光波的速度是不变的，给后代人留下了很多争论也是正常现象。

作者介绍：张树润 男 北京相对论研究联谊会的会员

E-mail：zhangwt72@163.com

参考资料：

[1]论光波在任何情况下都不变 张树润

[2]狭义相论实验基础 张元仲

[3]色觉是光能平均值的反应（1959） 张树润

2008-5-11

图片：北京高能物理研究所—粒子对撞机室