|
［文章摘要］：光行差常数被广泛用来证明光速恒定的同时，又被用来证明光速遵循速度叠加原理。这种相互矛盾的现象到底是怎么回事呢？本文通过详细分析得出：光行差常数是因星光在大气层内运动速度恒定以及观测装置中的物镜产生的透射光波速度相对物镜速度恒定决定的，与光速是否遵循速度叠加原理以及光在真空中的任意参照系中是否恒定无关。其物理意义是：当星光进入大气层或物镜时，会使大气层 /物镜成为次级光源，星光以入射点为始点，并以均匀速度向大气层 /观测装置内不同方向传递由星光产生的折射 /透射光。当观测装置垂直于地面（天体位于天顶处）时，由相对测量装置静止的入射点产生的折射光垂直进入观测装置而形成入射点次级光源在天球上的虚像，其与星光入射时刻入射点在天球上的投影位置间的夹角的反正切值即为光行差常数。因此，光行差常数既不能证明光速在任意参照系中恒定，也不能证明光速遵循经典物理学的速度叠加原理。
一、光行差常数的基本概念光行差常数：
天文常数之一。光行差是由观测者运动引起的﹐光行差位移同观测者的平均运动速度 v和光速 c有关。v/c的反正切值称为光行差常数。作为天文常数的光行差常数，是指周年光行差常数，以 k表示。在这种情况下，v表示地球公转的平均线速度。首次发现光行差现象的布拉得雷于 1725～1728年得出=20.5″。到目前为止﹐两个半世纪以来许多天文学家根据浩瀚的资料得出了近百个光行差常数的数值。绝大多数的数值都在 20.4″～20.6″之间。1840～1842年﹐..斯特鲁维用中星仪在卯酉圈上观测﹐得到=20.4451″﹐这个数值为全世界天文学家使用了近半个世纪﹐1896年﹐纽康综合当时的各种测定值以后﹐得出=20.47﹐这个数值使用了近七十年。尽管很早就发现纽康的这个数值偏小﹐精度较低﹐但由于牵涉到其他常数﹐并未予以改动。到 1964年﹐国际天文学联合会通过的天文常数系统中﹐值才改为 20.4958″﹐这是根据地球轨道的运动速度值和光速值推导出来的。光行差常数是一个导出常数。这个数值从 1968年开始采用﹐将一直用到 1983年﹐1976年国际天文学联合会的天文常数系统中确定相对于标准历元 2000.0年的值是 20.49552″,这个新值从 1984年为全世界统一采用［摘自百度百科］。
二、按速度合成法解释光行差常数及存在的问题如下图一所示：在地球上观测遥远的天体时，由于地球绕太阳公转，星光与地球公转方向存在一定夹角时，所观测到的天体视向与真实方向间存在一定的角度差异，这就是光行差。1、天体位于天顶处时的光行差
如下图二所示：当天体正好位于地面观测点的正上方（天顶处）时，则星光的运动方向与地球的公转方向正好垂直，按照速度叠加原理，此时的光行差为：V/C。由光行差定义可知：v/c为常数的条件有二：一是地球公转速度不变；二是光速不变。
根据现有资料，地球公转的速度虽然存在一定的变化，但变化幅度很小，可视为基本不变。地球绕太阳公转的平均速度为：29.783千米/秒；
光在地表大气层内的运动速度约为：Ｃ气＝Ｃ/n＝299792.458/1.000 292=299704.9442千米/秒。当测量装置相对大气层静止（风速不大于 100米/秒）时，在大气层内传递的光相对测量装置的速度也可视为基本不变。
根据以上假设，可计算得到天体位于天顶处时的光行差为：20.49744″（详见下表一第 1项）。若要使光行差等于目前公认的 20.49552″，则大气平均折射率应调整为 1.0002050，大
气层内的光速应调整为 299733千米/秒（详见下表一第 3项）。
2、天体位于地平线以上 45°时的光行差
如上图三所示：当天体位于地平线以上 45°位置上时，按目前公认的光行差常数值推算的大气折射率 1.0002050计算的大气层内的光速为 299733千米/秒，则有：
计算可得光行差值为：14.49252″（详见附件一第 6项）。
综上所述：用光速可叠加法虽然可以把光行差解释为是由地球围绕太阳公转造成的。但此种解释方法在要求光速在大气层内遵循速度叠加原理的同时，又要求任意天体产生的光速度恒定。这种相互矛盾的要求不仅明显违背在大气层内光速相对静止的测量装置基本恒定的客观事实，而且违背最基本的逻辑规则。当天体位于非天顶位置时，如在地平线上，则位于地球公转前方天体的光速应为（C+V），而后方的光速应为（C-V）。均不符合大气层内光速恒定的事实。
同时，当测量装置相对大气层基本静止时，两者间的相对运动速度为 0而非地球公转速度！
因为光波在大气层内的运动速度仅与大气层的性质和运动状态有关，当观测装置相对大气层基本静止时，大气层内的光速相对观测装置也应恒定。因此，不应该出现光速矢量叠加现象。也就是说：观测装置相对大气层内的星光速度不应该因星光的方向不同而改变。而上述二种情况下，光的视速度明显不同是不符合客观事实的。由此可见，用光速矢量叠加法解释光行差是存在矛盾的，更是不符合客观实际的。
三、天顶处天体光行差为常数的本质因素
由于测量光行差的天文观测过程均在地表大气层内进行的。因此，所观测到的均为在大气层内运动的星光，其速度主要由大气层的性质和运动状态决定，与产生星光的天体的运动状态无关。也就是说：测量光行差所使用到的光波速度为地球大气层内的光速，与星光进入地球大气层以前的运动速度无关。即使是星光在星际空间中的速度大于或小于真空中的速度，也不会影响到其进入大气层后的速度。
由于天体一般离地球十分遥远，在一地球年内，可视为相对太阳系静止的光源。因此，星光相对地球大气层就为非静止光源。星光遇到大气层后，会使大气层内的原子成为新的次级光源而产生反射/散射、折射/透射和转换/热辐射光等。地面观测到的就是其产生的折射光。由于大气层相对地面观测装置可视为相对静止（相对光速而言，风速在 100米/秒以内的影响可忽略），因此，观测装置测量到的、由大气层产生的次级星光就相对观测装置速度也恒定。
如上图四所示：假设天文观测装置垂直于地平线，其Ｔ 2时刻观测到的星光为Ｔ 1＝Ｔ 2-Δt时刻进入大气层的（位于图四中Ａ点）；当星光到达观测装置时，Ａ点与地面观测装置及大气层同时向右运动了Ｖ Δt距离，即Ａ点移动到了Ｂ点、观测装置从Ｏ点移动到了Ｐ点。因此，地面观测装置Ｔ 2时刻观测到的是Ｔ 1时刻地球大气层顶面Ａ点发出的次级星光的成像。则有：ＳＡＢ＝Ｓ ＝Ｖ Δt
op
假设大气层厚度为Ｌ，大气层内的光速为Ｃ气，则有：Ｌ＝Ｃ气Δt
因观测装置垂直于地面，因此可不考虑因大气层不均匀导致的折射影响，则有：
∠θ＝∠APB＝arctan(Ｖ Δt/L)＝arctan(Ｖ/Ｃ气)（公式 2）
从以上推导可知：在地表大气层内进行的天文观测所测量到的天体位置为由该天体产生的星光在进入大气层时的位置的虚像。即天体的实际位置与成像位置因地球大气层的作用而发生了偏离。这才是光行差的本质。
由于地球大气层内光波速度和地球公转速度均基本恒定，对于位于天顶处的天体而言，其光行差为大气层内光波速度与地球公转速度的比值，其为不变的常数是完全正常和应该的。
四、与地平线夹角 45°处天体光行差鉴于地球半径远大于大气层厚度，为方便起见，我们暂不考虑地面曲率和大气层边缘曲率的影响。在不考虑大气层折射率的条件下，由大气边缘Ａ点产生的次生星光到达地面观测点的时间差为： Δt＝Ｌ/cos(45°)Ｃ气；则有：ＳＡＢ＝Ｓ op＝Ｖ Δt＝ＶＬ/cos(45°)Ｃ气∠APB＝∠ θ＝arctan(ＳＡＢsin(45°)/(L/cos(45°)-ＳＡＢ cos(45°))
五、真空条件下的光行差形成机制分析以上分析得出的结论是：光行差是由大气层产生的次级光源虚、实像在天球上的投影间的夹角。那么在没有空气的真空环境下，能否观测到光行差呢？比如，在月球上进行观测时，能否观测到光行差呢？
如上图六所示：假设观测仪高度为Ｌ并垂直地平线放置，则位于天顶处的天体产生的星光到达观测仪顶端的物镜时，物镜会使星光产生反射/散射、折射/透射和转换/热辐射光。透射光会垂直向下传递到底部的目镜。假设经物镜透射后的星光的运动速度为Ｃ镜，则其相对物镜速度恒定。Ｔ 2时刻目镜观测到的星光是由Ｔ 1时刻物镜产生的透射光，在物镜产生的透射光从物镜到达目镜的同时，观测仪中的物镜从Ａ点运动到了Ｂ点、目镜从Ｏ点运动到了Ｐ点。则有：
Ｔ2＝Ｔ 1+Ｌ/Ｃ镜ＳＡＢ＝ＳＯＰ＝ＶＬ/Ｃ镜
Ｋ＝ＳＡＢ/Ｌ＝Ｖ/Ｃ镜（公式 5）
θ＝arctan(Ｋ)=arctan(Ｖ/Ｃ镜)
由以上推理可知：即使是在真空状态下进行天体测量时，仍然会存在光行差，且位于天顶处的天体的光行差仍然为常数，不会受到天体运动状态不同的影响。因为测量过程中使用的光是经过物镜改造后的透射光，其速度仅与物镜的运动状态有关，与入射光的速度无关。
六、光行差本质因素验证方法从以上分析可知：利用速度叠加原理和大气层/物镜次生光源方法均可很好地解释光行差，
但两者存在根本性的区别：前者要求光在大气层内视速度遵循速度叠加原理，而又要求与光源的运动状态无关！否则，不同运动状态的天体产生的光速也应该不同才对。后者很好地解释了光速在大气层内速度恒定的条件下的光行差产生机制，且不排斥光速在其他条件下不恒定的可能性。也就是说：虽然光行差常数揭示了光在地球大气层内速度恒定，星光在大气层外的速度可能并不恒定且可能与天体的运动状态有关。
比较（公式 1）与（公式 4）可以发现：同样为位于地平线以上 45°的天体的光行差值并不相同。因此，可以利用此种差异来判定到底哪种解释光行差的方法更符合客观实际。
由上表二可知：当观测精度能达到万分之一角秒以上时，才能判定哪种解释方法更符合客观实际。
总之，采用星光在大气层内速度恒定的方法解释光行差更加符合客观实际，也不违背介质中的光速仅由介质性质和运动状态决定的基本规律，相较采用视光速可变的速度叠加方法解释光行差更加贴近实际。同时消除了一方面要求光速恒定，另一方面又要求光速遵循经典物理学的速度叠加原理的矛盾。
閱讀: 116664
| 
