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对于光速不变性原理的争论

在相对论中最难理解的莫过于真空光速不变原理了，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，这就是真空光速不变原理（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）.

有人总结说：20世纪初物理学上空的“两朵乌云”，不仅未消，如今反倒平添了许多.爱因斯坦与波尔（N.Bohr）关于量子力学那场辩论给人们留下了深刻的印象，爱因斯坦对量子力学的主要指责是其关于物质规律的描述是不完备的，可是当我们考察狭义相对论时（以下简称相对论），会产生一种与爱因斯坦当年看待量子力学时相似的感觉，即相对论存在有某种过多地人为任意性，而并非大自然的本来面目.具体而言，这是指A.爱因斯坦本人也不得不承认的“相对论常遭指责，说它未加论证就把光的传播放在中心理论的地位，以光的传播定律作为时间概念的基础”；另外还指他也意识到的光的传播定律与相对性原理的抵触.在爱因斯坦的光速不变原理中，包含了另外一个重要的“假设要素”:单程光速不变.有关“以太漂移”以及光速测量的所有实验的分析表明，作为“经验上观察到的现象的一般性质、一般原理”而言，不包含重要假定的原理应该是“空间闭合回路的平均光速不变”，或者“往返平均光速不变”.其实，要测量“单程光速”，必须把在起点和终点的钟事先对好;然而，用什么来对钟呢?如果不采用其他假定，就只能用光讯号.但是，要测量的就是单程光速，于是这就陷入逻辑循环.爱因斯坦当然非常清楚这一点.如何解决呢?他认为，必须采取“约定”.其实，“约定”就是一种基于实验，而又高于实验的“假定”.有没有实验可以验证这个“假定”的真伪呢?至少到目前还没有!除了上述这两个重要的“假设要素”之外，狭义相对论中还存在其他“假设要素”.和牛顿力学一样，狭义相对论的基础也是惯性系和惯性运动的存在.无论在洛伦兹-彭加勒的理论中，还是在爱因斯坦狭义相对论中，都无法解决惯性运动和惯性系的起源.在理论上，这正是爱因斯坦突破狭义相对论，发展广义相对论的重要原因之一.物理理论必须在其建立的过程中，在所需要的一系列循序渐进的推理过程中处处都应该符合逻辑，反向推演的过程也应该处处能合理解释.即使这样，这也不能保证这个理论的正确，还必须经过实验的验证.

有人认为：在狭义相对论中光速只是作为传递信号的速度出现的，没有用到光的任何特殊性质.如果将传递信号的速度由光速改为声速，将基本假设中的真空光速不变原理改为声速不变原理：在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参照系中，所测得的某一特定状态的物质中的声速都是相等的.将公式推导过程中的光信号改为声信号，光速改为声速，那么就会得出任何物体的速度不能大于声速的结论，这种荒谬是十分明显的.子弹的运动速度超过声速、飞机的速度可以超过声速.正常情况下，人可以用眼睛通过光线来研究和了解世界，而盲人和蝙蝠则依赖声波来研究和了解世界.如果狭义相对论是正确的话，那么盲人和蝙蝠就会得出任何物体的速度不会大于声速的结论.其实这种观点是错误的，原因如下：1、只有光不需要依靠介质来传播，能在真空中传播的只有光，而声音的传播严重地依赖介质，在星际空间（它还并非是真空！），声音无法传播！从而，对于星空的观测和探测，只能依靠光！2，通常光速远高于声速，光的频率远高于声音，作为测量信号，其测量精度、分辨率远高于声音；3，光速的稳定性也远胜声音：光在空气中的传播速度与在星际空间的传播速度几乎是一样的；而声音在空气中的传播速度受气压、湿度和温度的影响.4，人是陆生生物，在陆空中光传播远而快，衰减小，声音则相反.故人体发展的光探测器——眼睛，其灵敏度、分辨率远高于声探测器——耳朵：通过光，眼视可以正确判别颜色、方位、远近、大小，物体的种类、性质、状态，甚至判别其运动速度；而通过声音，耳听仅能大致判别声源的方位、远近，物体的种类、性质.作为物理测量，人类选用光而不是声音是必然的.通过望远镜和粒子探测器、光电探测器，人类在不断探测广阔的宇宙空间奥秘；通过显微镜、粒子探测器、云雾室、胶片摄影，人类在不断探测微观世界的奥秘，不用光，而用声音，行吗？！用文字保存、传播人类的文明（包括科学），远距离（包括星际）传输信息，不用光，而用声音，行吗？！甚至生命体内部的信息传递和控制依赖的也是电磁信息（神经电脉冲和化学信息），而非声信息！盲人的听觉比视力正常的人的听觉是要强，但绝不会有蝙蝠那么好！在光线充足的场合，盲人从声信息获得的信息绝对不会比视力正常的人从视觉获得的光信息那么丰富，这就是为什么盲人总希望自己有一双正常的眼睛来观察世界！

爱因斯坦认为应该假设每一个空间点都有一个时钟，但这仍与真空光速不变原理相互矛盾.作出保持真空光速不变的同时面是不可能的，因此相对论的真空光速不变退缩到局域.相对论的弯曲时空并不能通过曲线坐标反映出来，因此每一点有一个时钟，仍然不能表示相对论的四维弯曲时空.相对论没有自恰的时空，广义相对论用的坐标系还是经典坐标系，即用一个时钟表示时间，而且没有Lorentz时空变换的坐标系.著名物理学家康特（W.Kantor）剖析60多个实验的第一手资料后有结论：全都基于无效的逻辑或错误的方法.

光速问题的争论还将无休止纠缠下去，如不过好三道坎：㈠、电动力学问题与光行差、多普勒效应等一类"纯观察"现象不同，属动力学，因而是无法用狭义相对论来解决的.因此，电动力学的所有实验都不可作为这一"原理"的"验证依据".史实表明，"质速关系"和"质能关系"等早已在1905年前出现;㈡、迈克尔逊-莫雷(1887)实验只是否定以太论并证实：在光源所在的参照系中光速各向同性总为c，但不能证实相对于一切惯性系都各向同性总为c;㈢、德·西特关于光速与源速无关的著名双星观察论据，有严重的逻辑漏洞，是不可为据的.甚至连大多数的相对论支持者都承认迄今尚未实验观察到Lorentz收缩：“一涉及广延体就出问题……相对论性静力学、热力学、流体力学，至今尚未建立令人满意的理论框架.”由于相对论是在假设真空光速不变，从时空关系出发推出运动物体相对性效应的，而引起真空光速不变的真正原因却没有交待.这种从“关系”到“事物”的理论隐藏着严重的缺陷.人们围绕这“真空光速不变”“洛伦兹变换”展开了激烈的争论.

笔者认为光速不变性原理不可能在狭义相对论框架内解决，前面笔者提出了光速不变性原理有一定的实验基础，后面笔者将分析正是引力的传播速度是定值c，才决定了光速是c.

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”1905年，爱因斯坦在德国《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真空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】光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.

爱因斯坦真空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.”

爱因斯坦提出的真空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.

爱因斯坦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，使它们对于洛伦兹变换都是协变的.在狭义相对论中，爱因斯坦还给出了真空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，爱因斯坦继续假定，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真空光速不变假定的数学形式.

在给出了上述真空光速不变假定的数学形式之后，以之为基础，爱因斯坦推理出了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=

爱因斯坦对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传播的入射光波进入色散媒质内，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.这样就使得关于爱因斯坦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角方向上辐射光波的波长，则可知道这两背向传播光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，则可肯定真空光速不变假设成立.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光波的波长.如果真空光速不变假设成立，应观测到两波长的平均值与氢离子静止时辐射光波的波长之比等于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光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，就不能说真空光速不变假设已被实验所证实.“各种检验真空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.

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真空光速不变的实验报道.