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对“光速不变”的诠释

2018/06/05   维加斯新闻报
刘文旺

摘要：本文给出光速不变的诠释，多普勒效应的本质、光子的参照物。
关键字：光速不变、多普勒效应、热平衡状态

一、介质中的光速分析
    迈克尔逊—莫雷（实验精度达到了2.5×10-10）证明了真空中光速与观察者的运动无关。
此后，众多的实验物理学家选择在不同的介质中进行实验结果显示，不同的介质拥有不同的结果。这充分说明，我们熟知的M-M实验并没有测出真空中的光速与地球的运动无关。我们根本没有得出真空中光波相对于任何观测者拥有不变的速度。
荷兰物理学家洛仑兹，推出洛仑兹变换，并从中推导出运动物体会在运动方向上的收缩，收缩系数与物体的运动速度有关：1/[1-（v/c）2]1/2、时间也会发生同样的变化。尤其是，这一运动物体长度的收缩与物体的材料的硬度等没有关系。
爱因斯坦是在光速不变的前提下创建了狭义相对论，也没有解释光速不变现象。
我在解释光速问题时发现，当介质处于热平衡状态时，其组成成分的运动速度、动量、能量的分布只与系统确定温度有关，满足确定的热力学定律而与整体是否参与匀速直线运动，运动速度的大小、方向没有关系。这样其中的电磁属性、力学属性——介电常数、剪切模量等具有各向同性。因此，其中的光速、机械波的波速、库仑定律的力场强度等具有各向同性。物理、化学等自然科学的原理、定理、定律具有不变的形式；相反，当介质处于非热平衡状态时，其组成成分的运动速度、动量、能量的分布，不满足确定的热力学定律而与整体是否参与匀速直线运动状态有关。这样其中的电磁属性、力学属性——介电常数、剪切模量等不再具有各向同性。因此，其中的光速、机械波的波速等不具有各向同性。

二、真空
    真空是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。
确切地说，真空是指低于大气压力的气体的给定空间，即每立方厘米空间中气体分子数大约少于两千五百亿亿个的给定空间。用现代抽气方法获得的最低压力，每立方厘米的空间里仍然会有数百个分子存在。
    按气体压强大小的不同，通常把真空范围划分为：低真空1×105 -1×102Pa，中真空1×102-1×10-1Pa，高真空1×10-1-1×10-5Pa，超高真空1×10-5-1×10-9 Pa，极高真空1×10-9Pa以下。
    我们都知道，M-M实验是在真空中做的，菲索实验则是在水中做的。从而在我们的头脑中就产生了，真空中光速不变的概念。从上面的分析可知，在我们的实验环境根本不存在真空。
三、介质的两种状态
    下面我们给出了光速不变的诠释，而且实现了M-M实验、菲索实验及光的多普勒效应三种现象的统一。
    法国物理学家菲涅耳得出光在运动的介质中的传播速度：
    u=(c/n)+ （1-1/ n2）vcosθ
    菲涅耳公式能解释运动介质中的光速问题如菲索实验等。
    而在用相对论的速度叠加原理uˊ=(u-v)/(1-vu/c²)解释菲索实验中，没有考虑光子与介质的相互作用，这是不可能的。理由很简单，应用电磁理论，通过光子与轨道电子的相互作用人们解释了介质的折射率的产生原因——光子与原子的轨道电子相互作用。若同时考虑介质原子的轨道电子与光子的相互作用，再考虑相对论速度叠加就不能解释菲索实验。
光子在穿过介质时，会与组成介质的原子或分子上的轨道电子发生相互作用，从而产生运动速度的变化。介质的折射率与光子的角频率ω及电子的振荡角频率ω0的关系是：
n2=1+4πNe2/m（ω02-ω2-iγω）
    其中，N是介质单位体积内的原子数，当N=0时就是真空，所以n=1、m为电子品质、ω为光子震荡角频率、ω0是电子震荡角频率，γ为阻尼衰减系数、i是复数单位。从这里我们可以看出，同样的入射光子ω不变，当电子的能量发生变化时，ω0的变化会导致折射率的变化。
    液体或气体介质明显存在两种状态：
    1、介质在容器中做定向运动，这时介质原子或分子没有处于热力学平衡态。
    2、介质处于无外力场，而且被封闭在容器中，容器处于静止状态或整体做匀速直线运动，这时介质原子或分子经历一段弛豫时间后，会进入热力学平衡态。
    固体中晶格的振动也具有类似的过程。

四、菲索实验与多普勒效应的本质。
    菲索实验表明：沿介质运动的方向光速增加；反方向光速减小，如下图所示。
    1、理论分析：
    介质在容器中做匀速运动，是热运动与定向运动的叠加。从整体上看，在外力作用下的流动，使介质原子或分子沿外力方向加速，碰撞前面的原子或分子使其加速。
    这样，沿介质运动方向原子或分子速度较大、能量较高，反方向速度较小能量较低；从微观上看，轨道电子会环绕原子核做椭圆运动——如下图所示。沿介质运动方向，虽然原子核的力场拖曳电子使其能量减小，但向前的碰撞加速仍使其总ω0增大，代入上式则折射率减小，光速增加。此时辐射光子频率略大于介质静止时的频率，这就产生了多普勒效应的紫移现象；沿介质运动的反方向，原子核力场反向拖曳电子使其能量减小，且向后的碰撞减速使其总ω0进一步减小，代入上边的折射率公式，从而得出折射率增加，光速减小。此时，辐射光子频率略小于介质静止时的频率，这就产生了多普勒效应的红移现象。
    对于非中性的介质、固体中的晶格上的原子或分子情况是类似的。
    同热致加宽、场致加宽一样，都是轨道电子做椭圆运动，偏离了量子化能量的结果，是实在的物理过程造成的。
    这就是光子的多普勒效应的本质、及菲索实验产生的原因。在这里我们实现了多普勒效应与介质中光速的变化，两种现象的统一。
    多普勒效应是奥地利数学家、物理学家多普勒法发现的。
 
    其实，热致加宽就是处于热力学平衡态时，各向同性的多普勒效应的叠加。这体现在液体、气体随温度的增加，热致加宽现象增强，而晶体的热致加宽现象相对较弱上，后者的晶格振动能量变化范围较小。
    实验发现，在外在光子的能量略小于原子或分子发生能级跃迁所需要的能量时，轨道电子倾向于吸收与原子或分子运动方向相反的光子（实验中，外在的光子沿相反方向射入介质中），而很少吸收与原子或分子同向运动的光子。这体现了，运动的原子或分子中的轨道电子在做椭圆运动，沿原子或分子运动的方向，轨道电子能量较大；沿原子或分子运动的反方向，轨道电子能量较小。这就证明了上面关于菲索实验中光速的变化、多普勒效应解释的正确性。
    我们也因此解释了：同一种介质，不同温度下（可能处于不同的固、液、气状态）与光子发生相互作用的轨道电子的能量不同，ω0不同，所以折射率不同。当然，这一事实的存在，反过来也证明了上述观点的正确性。
    2、实验验证：
    在有外力场存在时，介质分子或原子的轨道电子的能量也会发生同样的变化：光谱拥有不同的数值，这就是场致加宽现象。需要补充的是，我认为也会同时出现折射率的变化。
可做实验验证：
    实验1：给介质加电场、磁场，测量其折射率、辐射频率的变化。结论应该是折射率同辐射光谱同步变化。对于加电场情况，沿电场方向，轨道电子减速折射率增加、谱线红移；沿电场反方向轨道电子加速折射率减小、谱线紫移。
    若既处于匀速运动又处于力场中，则是两种情况的叠加。
    由斯特藩-玻耳兹曼定律、威恩位移律J=σT4、λmaxT=2.898×10-3mK可知，对于任何一个黑体，其辐射满足上边的公式，而且拥有确定的能量。在一个向其运动者看来，按现有多普勒效应会发生紫移，由λmaxT=2.898×10-3mK可知，它的温度会在增加，同时，由J=σT4可知，其辐射的能量会无端增加。当观测者以极高的速度运动时，其辐射的能量又会出现发散现象。
    按照我的观点，多普勒效应的产生是轨道电子能量发生绝对变化的结果造成的，与观测者的运动无关。因此，不存在对不同运动的观测者有不同的温度、也就不出现能量的紫外灾难了。

五、光速不变现象
    1、理论分析：
    介质被封闭在容器中且没有外力场存在时，容器整体在外力作用下做匀速直线运动或处于静止状态。这时，容器中的介质在最初的加速使运动速度增加后，由于彼此间的碰撞及与容器壁的碰撞，最终会达到热力学平衡态。定向运动动能的一部分在彼此的碰撞过程中转化为体系内能、温度升高。这时介质中的各原子或分子的速度、能量、动量分布具有各向同性。因此，一方面，不同能量的原子或分子辐射的光谱不同，但与容器的运动方向无关；另一方面，由于介质原子或分子的运动具有各向同性，轨道电子的能量各向同性。因此，ω0具有各向同性，代入上边介质中的折射率公式可以得出，介质拥有与容器的运动方向无关的折射率。因此，在我们的实验室内介质中的光速与地球的运动无关，具有各向同性。
    值得补充的是，此时介质的轨道电子的震荡频率具有各向同性，不但光速具有与地球运动的无关性，由于此时介质的介电常数等具有各向同性，因此，介质的剪切模量等也因此具有同样的各向同性，这就产生了地球上各种机械波的波速也具有各向同性，与地球的自转、公转的无关性。这就是我们建立“声速相对论”中，实验室中声速与地球的运动的无关性的由来。
由于地球重力场较弱，我们实验室内的介质，尤其是液态或气态的，处于一种近似的热力学平衡态，因此其中的光速、光谱与地球的自转、公转运动方向无明显关系。
地球大气虽然伴随地球的自转与公转高速运动着，但彼此间的碰撞使其处于近似的热力学平衡态，光速具有近似的各向同性。也没有明显的与地球运动方向相关的多普勒效应。
    当然，精确的实验会证明，由于参与地球自转运动的存在，会使沿地球自转的方向的光速略大于反方向。早在1999年，中日为了实现卫星对钟进行的实验，就证明东西方向光速不同就证明了这一点。相应地，机械波如声波的速度也会出现沿自转方向及反方向也会有所不同。可做实验证明：
    实验1：机械波的速度沿地球自转方向及反方向不同，但差别很小！
    在M-M实验中，真空管中稀薄的气体处于热力学平衡态，所以没有明显的光速变化。
 
    2、实验验证：
    实验2：在M-M实验中的真空管内注满任何一种介质，再测其中的光速，仍会得到光速不变现象。
    其实，这时该实验器材只是一个十字形的容器，光速当然不变。我们在实验室中测量介质的折射率与地球运动无关，就已经证明了这一点。
    实验3：如下图所知，在中性的介质中，加外加电场。沿电场的方向轨道电子的运动速度减少，能量减少与光子的耦合性增加，因此光速会减小，折射率增加；沿电场的方向的反方向轨道电子的运动速度增加，能量增加与光子的耦合性减弱，因此光速增大，折射率减小。且这一变化的数值随电场强度的增加而明显。由于这一外加的电磁场作用于介质的原子中的不同轨道电子的强度不同，不同层的轨道电子的能量变化不同，而不同能量的光子与不同的轨道电子发生相互作用，因此，外加电场后，对不同频率的光子的影响是不同的，光速的变化大小也不同。
    同时我们会观测到，该介质在电场的方向的辐射的频率会发生红移，反方向上会发生紫移。这就是菲索实验的解释中，沿介质运动的方向，轨道电子能量增加，反方向，介质轨道电子的能量减少，从而产生了前者光速增加，后者光速减小的现象及多普勒效应的本质。
    两个现象互相印证。
    在介质环境加一个磁场也会产生同样的效果。与加电、磁场的产生辐射谱线的加宽是一回事。
    一个鲜明的例证是，在塑胶软管中流动的水，对容器壁压强减小。在大气压的作用下水管变扁。而关掉水龙头后，封闭在水管中的水不造成水管变扁。这时我们说水管中的水分子处于热力学平衡态，水分子动量沿不同方向均匀分布，没有压强的变化所以水管没有变扁。但是要知道这时它仍伴随地球的自转、公转而运动着。
    压力可以实现各向同性向各向异性的转化，这体现了光子在介质中是与轨道电子发生相互耦合的。在外力的作用下，原子间的距离发生变化，因此，轨道电子的运动就会变成椭圆运动，从而使与其耦合的光子沿此单一的方向耦合产生运动方向的选择性。尤其是在双折射现象中，光子选择与两个不同方向的轨道电子发生相互作用，而拥有不同的折射率。这证明了上述关于介质中光速变化理论的正确性。
    因此，关于关于光速的变化情况我们小结如下：
    介质达到热平衡状态时，光速具有不变性；介质未达到热平衡状态时，光速不具有不变性。菲索实验、M-M试验、光行差现象证明了这一点。因此，不存在绝对的光速不变，光速不变原理是不成立的。
    离开介质进入到真空中，光速不再具有不变性。光行差现象的存在证明了这一点！

六、光速的参照物
    判断一个物体是运动还是静止，首先要选取一个物体作为标准，这个被选作标准的物体叫参照物。
    借助上面的分析我们发现，介质中的光速是由介质中原子、分子中的轨道电子的能量决定的。还有，各种机械波的速度，如声速都是相对于传播机械波的介质而言的。借此，我们给出光速的参照物：
    光速的参照物就是传播光的介质本身。当介质处于热力学平衡态时，光速与介质匀速运动速度的大小、方向没有关系；当介质处于非热力学平衡态时，光速与介质匀速运动速度的大小、方向有关，沿介质运动的方向光速增加，反方向光速减小。当我们相对于这个体系运动时，光速是可变的。
菲索实验证明了这一点！

二、应用举例：
    由黑子旋转测得的太阳自转是：赤道25天、极区33天；由多普勒效应测得的太阳自转是：赤道26天、极区37天。这主要是由于热运动的存在，使得其多普勒效应减弱了，由此计算出的自转速度减小造成的。

主要参考文献：
《天体物理学》李宗伟、肖兴华 ：高等教育出版社 200年7月；
《光学》母国光、战元龄高等教育出版社1987年；
《量子力学Ⅰ》曾谨言 科学出版社 1995年；