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光速恒定假设的是与非

2019/04/17   維加斯新聞報
作者：彭晓韬

    [文章提要]：本文以爱因斯坦相对论基石之一——光速恒定假设作为讨论对象，通过分析研究认为：光速恒定假设存在难以自圆其说之处，从而从根本上对相对论提出质疑或反对的意见。

    爱因斯坦相对论的基石之一是光速恒定假设：光在真空中总是以确定的速度c传播，这个速度的大小同光源的运动状态无关。也就是说，光速恒定假设包含的内容有：在真空中的各个方向上，光信号传播速度的大小均相同。光速同观察者所处的惯性系相对于光源静止的惯性系间的运动状态无关。

    光速恒定假设的另一种表述是：在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性系中，所测得的光在真空中的传播速度都是相等的。这个原理说明真空中的光速是个恒量，它即与惯性系的运动状态没有关系，也与光源在惯性系中是静止或匀速直线运动无关。下面我们用图来直观地表述此假设：

    一、下图一《静止光源光波传播示意图》是在如下假设基础上绘制的：

    1、某一惯性系（以下简称此惯性系为“Ｇa”）中有一点光源Ａ位于坐标原点O处且相对于该惯性系静止；

    2、光源Ａ从Ｇa惯性系中的时间Ｔ=0时开始，每间隔1秒钟向外发出一个光脉冲；

    3、图中绘制了光源Ａ在Ｇa惯性系中时间的0、1、2、3秒四个时刻光脉冲在空间中的状态。

   


    二、下图二《1/4光速运动光源光波传播示意图》是在如下假设基础上绘制的：

    1、惯性系Ｇa中有一点光源Ｂ在Ｔ＝0时位于坐标原点O处且相对于该惯性系以1/4光速匀速沿Ｘ轴正向直线运动；

    2、光源Ｂ从Ｇa惯性系中的时间Ｔ=0时开始，每间隔1秒钟向外发出一个光脉冲；

    3、图中绘制了光源Ｂ在Ｇa惯性系中时间的0、1、2、3秒四个时刻光脉冲在空间中的状态。

   


    三、下图三《1/2光速运动光源光波传播示意图》是在如下假设基础上绘制的：

   


    1、惯性系Ｇa中有一点光源Ｃ在Ｔ＝0时位于坐标原点O处且相对于该惯性系以1/2光速匀沿Ｘ轴正向直线运动；

    2、光源Ｃ从Ｇa惯性系中的时间Ｔ=0时开始，每间隔1秒钟向外发出一个光脉冲；

    3、图中绘制了光源Ｃ在Ｇa惯性系中时间的0、1、2、3秒四个时刻光脉冲在空间中的状态。

    四、从以上三张示意图中可以看出：静止光源发出的光脉冲是以光源为中心的等距同心圆；而匀速直线运动的光源所发出的光脉冲并非以光源为中心的等距同心圆，而是随着光源运动速度的提高，光源前进方向的光脉冲间的距离越来越近，而另一侧光脉冲间的距离则越来越远。

    五、按照爱因斯坦相对论光速恒定假设或称作光速不变原理，上述图示的三种情况似乎十分合情合理，并无矛盾之处。所用的时间和尺规均为惯性系Ga中的，不会因为光源Ｂ和Ｃ的运动而改变。而按照伽利略和牛顿理论，光源Ｂ和Ｃ在        Ｔ＝0、1、2、3秒时刻的图像应该如下图四、五所示。

    

   

    六、从以上图二～图五对比可以看出，当光源运动时，特别是光源运动的速度与光速差别较小时，伽利略和牛顿理论与        爱因斯坦理论所描述的景象差别很大，应该很容易验证到底谁的理论正确。但现实中确实存在诸多困难来实际验证，其        主要困难有：绝对真空现实中难实现、地球并非真正意义上的惯性系、高速运动的光源也难找到（目前人类能达到的最        快速度也不过每秒数十千米，与光速30万公里差4个数量级之多。但随着科学技术的发展，目前人类应该有能力在太空中进行此方面的实测验证光速是否与光源的运动无关。下面我们仅从想像中进行分析与探讨：

    1、一个发出等时差脉冲的光源，无论你相对其静止或运动进行观测，其发出的光脉冲在空间的位置不会因为你的观测状态而改变。如：在地球上向月球发出一个光脉冲，从发出到到达月球表面大约需要1.2秒。这是在相对于地球静止的参照系（我们暂不称地球为惯性系）是测得的。如果你在以每秒10千米沿地月连线上运动时，如果是在光脉冲发射瞬间你从地球向月球飞去，侧1.2秒后光脉冲到达月球表面时，你离开地球的距离是12千米，而你离月球的距离少了12千米，也就是说，1.2秒后你离光脉冲比地球少了12千米。如果正好相反，你是朝月球的反方向飞行，侧当光脉冲到达月球时，你离月球的距离多了12千米。但无论你是朝月球飞行还是朝远离月球方向飞行，均不会影响光脉冲在1.2秒后到达月球表面这一事实。

    2、按照爱因斯坦理论，两个相对运动的惯性系中的时间与尺规与其运动速度Ｖ的平方相关，即相关因子f=(1-(V/C)^2)^0.5。也就是说，在上面的假设中，无论你是朝向月球还是朝远离月球方向以每秒10千米的速度飞行，两个参照系中的时间与尺规因子是相等的。假设地月间的距离是Ｌ，则朝月球与趄远离月球方向飞行时，在光脉冲到达月球表面瞬间，你分别离月球的距离为（Ｌ-12）和（Ｌ+12）。使用时间与尺规相关因子f进行变换，时间变换应该相同，以每秒10千米运动的你在光脉冲到达月球表面时，你飞行了（1.2/f≈1.20000000066667）秒；而距离的变换会因为你的运动方向不同时出现两种不同的数值，即朝月球运动时为（Ｌ-12）f，朝远离月球方向运动时为（Ｌ+12）f。根据速度的定义，在你的参照系中，当你朝月球运动时的光波速度为：（（Ｌ-12）f）/（1.2/f）=（（Ｌ-12）f^2）/1.2；而朝远离月球方向运动时的光波速度为：（（Ｌ-+12）f）/（1.2/f）=（（Ｌ+12）f^2）/1.2。两者不可能相等。

    3、我们假设在图一中增加一个观测装置，该装置Ｔ＝0时在原点Ｏ处并沿Ｘ轴负方向以速度Ｖ运动，当速度Ｖ等于1/4或1/2光速时，根据运动的相对性原理，应该出现图二、三或图四、五的情形呢？由于观测装置的运动，本来是同心圆状的光脉冲空间分布景象会变成图二、三中所示的非同心圆分布景象吗？答案应该是否定的。

    4、爱因斯坦理论推导出的两个平动参照系间时间和尺规变换因子f并不能将静止光源发出的同心圆状的脉冲光环变换为飞同心圆，无论时间和尺规变换因子f是大于1（时间变快，尺规变长）还是小于1但大于0（时间变慢，尺规变短）。

    5、由于时间和尺规变换因子f仅作用于运动方向，即图中的Ｘ轴方向，当f大于1时，圆形的脉冲光环将会变成长轴与Ｘ轴平行（重叠）的椭圆；而当小于1时，圆形的脉冲光环将会变成长轴与Y轴平行的椭圆。但椭圆的中心点位置将不会发生变化。因为光源位于同心圆的圆心，无论如何变换，在特定时刻其位置必须是单一的。因此，如图一所示的光脉冲光环景象不可能通过爱因斯坦相对论变换而变成成图二、三的情形。我们更不能要求某一特定的、静止或匀速直线运动的脉冲光源因为观测装置相对与光源以不同的方向、不同的速度运动时而改变脉冲光环间的相对空间关系。

    6、如果图二、三所示的情况属实，则当观测装置也以相同的速度和方向运动（相对光源Ｂ或Ｃ静止）时，我们必须把图中非同心圆状的光环变换成如图一一样的同心圆状。采用何种变换能实现此一目的呢？无论变换因子f为何值，均不可能实现。

    综上所述，光速恒定假设与实际情况应该存在较大差距。无论采取何种变换，均不能将朝观测装置方向或远离观测装置运动的光源所发出的脉冲非同心圆状光环变换成与相对观测装置静止的光源一样的同心圆状脉冲光环。

    那么如此多的试验、观测数据均支持爱因斯坦相对论，这又如何理解呢？

    其实这也挺好理解的，因为我们进行这些试验和观测时均使用了光波。由于光波速度的有限性（不是无限快的速度），在观测运动物体时，观测开始与结束时，被观测物体的位置一般均发生了变化，随着被观测物体速度的增大，这种变化也越来越大。因此，与伽利略和牛顿的理论比较，试验观测结果更倾向于支持爱因斯坦理论了。