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對“光速不變”的詮釋

2018/06/05   維加斯新聞報
劉文旺

摘要：本文給出光速不變的詮釋，多普勒效應的本質、光子的參照物。
關鍵字：光速不變、多普勒效應、熱平衡狀態

一、介質中的光速分析
    邁克爾遜—莫雷（實驗精度達到了2.5×10-10）證明了真空中光速與觀察者的運動無關。
此後，眾多的實驗物理學家選擇在不同的介質中進行實驗結果顯示，不同的介質擁有不同的結果。這充分說明，我們熟知的M-M實驗並沒有測出真空中的光速與地球的運動無關。我們根本沒有得出真空中光波相對於任何觀測者擁有不變的速度。
荷蘭物理學家洛侖茲，推出洛侖茲變換，並從中推導出運動物體會在運動方向上的收縮，收縮係數與物體的運動速度有關：1/[1-（v/c）2]1/2、時間也會發生同樣的變化。尤其是，這一運動物體長度的收縮與物體的材料的硬度等沒有關係。
愛因斯坦是在光速不變的前提下創建了狹義相對論，也沒有解釋光速不變現象。
我在解釋光速問題時發現，當介質處於熱平衡狀態時，其組成成分的運動速度、動量、能量的分佈只與系統確定溫度有關，滿足確定的熱力學定律而與整體是否參與勻速直線運動，運動速度的大小、方向沒有關係。這樣其中的電磁屬性、力學屬性——介電常數、剪切模量等具有各向同性。因此，其中的光速、機械波的波速、庫侖定律的力場強度等具有各向同性。物理、化學等自然科學的原理、定理、定律具有不變的形式；相反，當介質處於非熱平衡狀態時，其組成成分的運動速度、動量、能量的分佈，不滿足確定的熱力學定律而與整體是否參與勻速直線運動狀態有關。這樣其中的電磁屬性、力學屬性——介電常數、剪切模量等不再具有各向同性。因此，其中的光速、機械波的波速等不具有各向同性。

二、真空
    真空是指在給定的空間內低於一個大氣壓力的氣體狀態。
確切地說，真空是指低於大氣壓力的氣體的給定空間，即每立方釐米空間中氣體分子數大約少於兩千五百億億個的給定空間。用現代抽氣方法獲得的最低壓力，每立方釐米的空間裡仍然會有數百個分子存在。
    按氣體壓強大小的不同，通常把真空範圍劃分為：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，極高真空1×10-9Pa以下。
    我們都知道，M-M實驗是在真空中做的，菲索實驗則是在水中做的。從而在我們的頭腦中就產生了，真空中光速不變的概念。從上面的分析可知，在我們的實驗環境根本不存在真空。
三、介質的兩種狀態
    下面我們給出了光速不變的詮釋，而且實現了M-M實驗、菲索實驗及光的多普勒效應三種現象的統一。
    法國物理學家菲涅耳得出光在運動的介質中的傳播速度：
    u=(c/n)+ （1-1/ n2）vcosθ
    菲涅耳公式能解釋運動介質中的光速問題如菲索實驗等。
    而在用相對論的速度疊加原理uˊ=(u-v)/(1-vu/c²)解釋菲索實驗中，沒有考慮光子與介質的相互作用，這是不可能的。理由很簡單，應用電磁理論，通過光子與軌道電子的相互作用人們解釋了介質的折射率的產生原因——光子與原子的軌道電子相互作用。若同時考慮介質原子的軌道電子與光子的相互作用，再考慮相對論速度疊加就不能解釋菲索實驗。
光子在穿過介質時，會與組成介質的原子或分子上的軌道電子發生相互作用，從而產生運動速度的變化。介質的折射率與光子的角頻率ω及電子的振盪角頻率ω0的關係是：
n2=1+4πNe2/m（ω02-ω2-iγω）
    其中，N是介質單位體積內的原子數，當N=0時就是真空，所以n=1、m為電子品質、ω為光子震盪角頻率、ω0是電子震盪角頻率，γ為阻尼衰減係數、i是複數單位。從這裡我們可以看出，同樣的入射光子ω不變，當電子的能量發生變化時，ω0的變化會導致折射率的變化。
    液體或氣體介質明顯存在兩種狀態：
    1、介質在容器中做定向運動，這時介質原子或分子沒有處於熱力學平衡態。
    2、介質處於無外力場，而且被封閉在容器中，容器處於靜止狀態或整體做勻速直線運動，這時介質原子或分子經歷一段弛豫時間後，會進入熱力學平衡態。
    固體中晶格的振動也具有類似的過程。

四、菲索實驗與多普勒效應的本質。
    菲索實驗表明：沿介質運動的方向光速增加；反方向光速減小，如下圖所示。
    1、理論分析：
    介質在容器中做勻速運動，是熱運動與定向運動的疊加。從整體上看，在外力作用下的流動，使介質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。
    這樣，沿介質運動方向原子或分子速度較大、能量較高，反方向速度較小能量較低；從微觀上看，軌道電子會環繞原子核做橢圓運動——如下圖所示。沿介質運動方向，雖然原子核的力場拖曳電子使其能量減小，但向前的碰撞加速仍使其總ω0增大，代入上式則折射率減小，光速增加。此時輻射光子頻率略大於介質靜止時的頻率，這就產生了多普勒效應的紫移現象；沿介質運動的反方向，原子核力場反向拖曳電子使其能量減小，且向後的碰撞減速使其總ω0進一步減小，代入上邊的折射率公式，從而得出折射率增加，光速減小。此時，輻射光子頻率略小於介質靜止時的頻率，這就產生了多普勒效應的紅移現象。
    對於非中性的介質、固體中的晶格上的原子或分子情況是類似的。
    同熱致加寬、場致加寬一樣，都是軌道電子做橢圓運動，偏離了量子化能量的結果，是實在的物理過程造成的。
    這就是光子的多普勒效應的本質、及菲索實驗產生的原因。在這裡我們實現了多普勒效應與介質中光速的變化，兩種現象的統一。
    多普勒效應是奧地利數學家、物理學家多普勒法發現的。
 
    其實，熱致加寬就是處於熱力學平衡態時，各向同性的多普勒效應的疊加。這體現在液體、氣體隨溫度的增加，熱致加寬現象增強，而晶體的熱致加寬現象相對較弱上，後者的晶格振動能量變化範圍較小。
    實驗發現，在外在光子的能量略小於原子或分子發生能級躍遷所需要的能量時，軌道電子傾向於吸收與原子或分子運動方向相反的光子（實驗中，外在的光子沿相反方向射入介質中），而很少吸收與原子或分子同向運動的光子。這體現了，運動的原子或分子中的軌道電子在做橢圓運動，沿原子或分子運動的方向，軌道電子能量較大；沿原子或分子運動的反方向，軌道電子能量較小。這就證明了上面關於菲索實驗中光速的變化、多普勒效應解釋的正確性。
    我們也因此解釋了：同一種介質，不同溫度下（可能處於不同的固、液、氣狀態）與光子發生相互作用的軌道電子的能量不同，ω0不同，所以折射率不同。當然，這一事實的存在，反過來也證明了上述觀點的正確性。
    2、實驗驗證：
    在有外力場存在時，介質分子或原子的軌道電子的能量也會發生同樣的變化：光譜擁有不同的數值，這就是場致加寬現象。需要補充的是，我認為也會同時出現折射率的變化。
可做實驗驗證：
    實驗1：給介質加電場、磁場，測量其折射率、輻射頻率的變化。結論應該是折射率同輻射光譜同步變化。對於加電場情況，沿電場方向，軌道電子減速折射率增加、譜線紅移；沿電場反方向軌道電子加速折射率減小、譜線紫移。
    若既處於勻速運動又處於力場中，則是兩種情況的疊加。
    由斯特藩-玻耳茲曼定律、威恩位移律J=σT4、λmaxT=2.898×10-3mK可知，對於任何一個黑體，其輻射滿足上邊的公式，而且擁有確定的能量。在一個向其運動者看來，按現有多普勒效應會發生紫移，由λmaxT=2.898×10-3mK可知，它的溫度會在增加，同時，由J=σT4可知，其輻射的能量會無端增加。當觀測者以極高的速度運動時，其輻射的能量又會出現發散現象。
    按照我的觀點，多普勒效應的產生是軌道電子能量發生絕對變化的結果造成的，與觀測者的運動無關。因此，不存在對不同運動的觀測者有不同的溫度、也就不出現能量的紫外災難了。

五、光速不變現象
    1、理論分析：
    介質被封閉在容器中且沒有外力場存在時，容器整體在外力作用下做勻速直線運動或處於靜止狀態。這時，容器中的介質在最初的加速使運動速度增加後，由於彼此間的碰撞及與容器壁的碰撞，最終會達到熱力學平衡態。定向運動動能的一部分在彼此的碰撞過程中轉化為體系內能、溫度升高。這時介質中的各原子或分子的速度、能量、動量分佈具有各向同性。因此，一方面，不同能量的原子或分子輻射的光譜不同，但與容器的運動方向無關；另一方面，由於介質原子或分子的運動具有各向同性，軌道電子的能量各向同性。因此，ω0具有各向同性，代入上邊介質中的折射率公式可以得出，介質擁有與容器的運動方向無關的折射率。因此，在我們的實驗室內介質中的光速與地球的運動無關，具有各向同性。
    值得補充的是，此時介質的軌道電子的震盪頻率具有各向同性，不但光速具有與地球運動的無關性，由於此時介質的介電常數等具有各向同性，因此，介質的剪切模量等也因此具有同樣的各向同性，這就產生了地球上各種機械波的波速也具有各向同性，與地球的自轉、公轉的無關性。這就是我們建立“聲速相對論”中，實驗室中聲速與地球的運動的無關性的由來。
由於地球重力場較弱，我們實驗室內的介質，尤其是液態或氣態的，處於一種近似的熱力學平衡態，因此其中的光速、光譜與地球的自轉、公轉運動方向無明顯關係。
地球大氣雖然伴隨地球的自轉與公轉高速運動著，但彼此間的碰撞使其處於近似的熱力學平衡態，光速具有近似的各向同性。也沒有明顯的與地球運動方向相關的多普勒效應。
    當然，精確的實驗會證明，由於參與地球自轉運動的存在，會使沿地球自轉的方向的光速略大於反方向。早在1999年，中日為了實現衛星對鐘進行的實驗，就證明東西方向光速不同就證明了這一點。相應地，機械波如聲波的速度也會出現沿自轉方向及反方向也會有所不同。可做實驗證明：
    實驗1：機械波的速度沿地球自轉方向及反方向不同，但差別很小！
    在M-M實驗中，真空管中稀薄的氣體處於熱力學平衡態，所以沒有明顯的光速變化。
 
    2、實驗驗證：
    實驗2：在M-M實驗中的真空管內注滿任何一種介質，再測其中的光速，仍會得到光速不變現象。
    其實，這時該實驗器材只是一個十字形的容器，光速當然不變。我們在實驗室中測量介質的折射率與地球運動無關，就已經證明了這一點。
    實驗3：如下圖所知，在中性的介質中，加外加電場。沿電場的方向軌道電子的運動速度減少，能量減少與光子的耦合性增加，因此光速會減小，折射率增加；沿電場的方向的反方向軌道電子的運動速度增加，能量增加與光子的耦合性減弱，因此光速增大，折射率減小。且這一變化的數值隨電場強度的增加而明顯。由於這一外加的電磁場作用於介質的原子中的不同軌道電子的強度不同，不同層的軌道電子的能量變化不同，而不同能量的光子與不同的軌道電子發生相互作用，因此，外加電場後，對不同頻率的光子的影響是不同的，光速的變化大小也不同。
    同時我們會觀測到，該介質在電場的方向的輻射的頻率會發生紅移，反方向上會發生紫移。這就是菲索實驗的解釋中，沿介質運動的方向，軌道電子能量增加，反方向，介質軌道電子的能量減少，從而產生了前者光速增加，後者光速減小的現象及多普勒效應的本質。
    兩個現象互相印證。
    在介質環境加一個磁場也會產生同樣的效果。與加電、磁場的產生輻射譜線的加寬是一回事。
    一個鮮明的例證是，在塑膠軟管中流動的水，對容器壁壓強減小。在大氣壓的作用下水管變扁。而關掉水龍頭後，封閉在水管中的水不造成水管變扁。這時我們說水管中的水分子處於熱力學平衡態，水分子動量沿不同方向均勻分佈，沒有壓強的變化所以水管沒有變扁。但是要知道這時它仍伴隨地球的自轉、公轉而運動著。
    壓力可以實現各向同性向各向異性的轉化，這體現了光子在介質中是與軌道電子發生相互耦合的。在外力的作用下，原子間的距離發生變化，因此，軌道電子的運動就會變成橢圓運動，從而使與其耦合的光子沿此單一的方向耦合產生運動方向的選擇性。尤其是在雙折射現象中，光子選擇與兩個不同方向的軌道電子發生相互作用，而擁有不同的折射率。這證明了上述關於介質中光速變化理論的正確性。
    因此，關於關於光速的變化情況我們小結如下：
    介質達到熱平衡狀態時，光速具有不變性；介質未達到熱平衡狀態時，光速不具有不變性。菲索實驗、M-M試驗、光行差現象證明了這一點。因此，不存在絕對的光速不變，光速不變原理是不成立的。
    離開介質進入到真空中，光速不再具有不變性。光行差現象的存在證明了這一點！

六、光速的參照物
    判斷一個物體是運動還是靜止，首先要選取一個物體作為標準，這個被選作標準的物體叫參照物。
    借助上面的分析我們發現，介質中的光速是由介質中原子、分子中的軌道電子的能量決定的。還有，各種機械波的速度，如聲速都是相對於傳播機械波的介質而言的。借此，我們給出光速的參照物：
    光速的參照物就是傳播光的介質本身。當介質處於熱力學平衡態時，光速與介質勻速運動速度的大小、方向沒有關係；當介質處於非熱力學平衡態時，光速與介質勻速運動速度的大小、方向有關，沿介質運動的方向光速增加，反方向光速減小。當我們相對於這個體系運動時，光速是可變的。
菲索實驗證明了這一點！

二、應用舉例：
    由黑子旋轉測得的太陽自轉是：赤道25天、極區33天；由多普勒效應測得的太陽自轉是：赤道26天、極區37天。這主要是由於熱運動的存在，使得其多普勒效應減弱了，由此計算出的自轉速度減小造成的。

主要參考文獻：
《天體物理學》李宗偉、肖興華 ：高等教育出版社 200年7月；
《光學》母國光、戰元齡高等教育出版社1987年；
《量子力學Ⅰ》曾謹言 科學出版社 1995年；