、真空光速不變性原理的提出相對(duì)論和量子力學(xué)是近代物理學(xué)的兩大

1、 4、真空光速不變性原理的提出 相對(duì)論和量子力學(xué)是近代物理學(xué)的兩大理論支柱,它們的提出推動(dòng)了人類科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,可以預(yù)料再今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),這兩種理論還將會(huì)處于統(tǒng)治地位并得到進(jìn)一步發(fā)展.但相對(duì)論提出后的近100年,一直受到不少人的反對(duì),其中包括一些著名物理學(xué)家.但一種科學(xué)理論遭到如此多人的反對(duì)在科學(xué)史上還是少見的,托勒密的地心說盡管是一個(gè)錯(cuò)誤的理論,但在當(dāng)時(shí)它還是符合人們的直覺經(jīng)驗(yàn)的,在邏輯上還是自恰的,用托勒密的地心說進(jìn)行一些歷法計(jì)算還是相當(dāng)準(zhǔn)確的.這個(gè)學(xué)說在統(tǒng)治人們一千多年的漫長(zhǎng)歷史過程當(dāng)中,絕大部分人還是認(rèn)同的,這說明托勒密的地心說具有可理解性.那么相對(duì)論為什么得到如此多人的反

2、對(duì)呢?我認(rèn)為相對(duì)論(或多或少)關(guān)鍵是在邏輯上具有不可理解性,一些假設(shè)條件(如真空光速不變)違反人們的直覺甚至理性。這是否意味著相對(duì)論是一個(gè)錯(cuò)誤的理論呢?不是,相對(duì)論是一個(gè)很了不起的理論,其偉大之處在于它使人們擺脫了牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的束縛，對(duì)時(shí)間和空間的概念賦予了新的物理學(xué)涵義時(shí)間和空間不是別的而正是運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)本身，進(jìn)一步說是物質(zhì)本體通過運(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)出的現(xiàn)象形態(tài)。那么，相對(duì)論如此偉大為何又遭到如此多人的反對(duì)呢？問題的關(guān)鍵就在這里。大部分人在學(xué)習(xí)或研究相對(duì)論時(shí)，參考的是一些教科書，但相對(duì)論是一個(gè)同（真空中）物質(zhì)運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的很深的時(shí)空理論，一些教科書上并沒有直接反映這種思想，而對(duì)相對(duì)論的一些邏輯推導(dǎo)

3、或討論又在牛頓的絕對(duì)時(shí)空框架內(nèi)進(jìn)行，但相對(duì)論作為一種時(shí)空理論必然離不開時(shí)空坐標(biāo)這樣一些概念，人們?cè)谂龅綍r(shí)空坐標(biāo)這種概念時(shí)自覺或不自覺地就與絕對(duì)時(shí)空框架聯(lián)系了起來(lái)，而忽視了時(shí)空本身的物質(zhì)屬性和運(yùn)動(dòng)屬性，這樣就使得相對(duì)論的一些邏輯假設(shè)和理論推導(dǎo)難以讓人們?cè)谥庇X和理性思維方式下去體驗(yàn)和把握，由此造成了學(xué)習(xí)者或研究者的思維混亂。從表面上看，相對(duì)論是一關(guān)于時(shí)空坐標(biāo)變換的理論，其實(shí)坐標(biāo)變換僅是一種數(shù)學(xué)處理手段，還是表象的東西。嚴(yán)格講，相對(duì)論是一個(gè)關(guān)于運(yùn)動(dòng)著的物體或粒子與真空相互作用的理論，要描述這種相互作用機(jī)制可以采用坐標(biāo)變換的方法也可以采用其他方法，愛因斯坦采用了前者，前者更直觀、更經(jīng)濟(jì)些，但卻遠(yuǎn)離了物

4、理本質(zhì)。其實(shí)，相對(duì)論的一些結(jié)論可用粒子物理和量子力學(xué)以及牛頓力學(xué)（從某種意義上講，牛頓力學(xué)是一種經(jīng)驗(yàn)科學(xué)，但它在本質(zhì)上也是一種物體或粒子與真空相互作用的理論，引力、物體的慣性、質(zhì)量等無(wú)一不與物體或粒子與真空相互作用機(jī)制有關(guān)。大家可參考：THEQUANTUMTHEORYOFMOTION。PETERRHOLLAND著，北京：世界圖書出版公司）方法推導(dǎo)出來(lái)。在相對(duì)論中最難理解的莫過于真空光速不變?cè)砹?，其?shí)這一原理是正確的：只要將那個(gè)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系不要看成絕對(duì)坐標(biāo)系，而是一種運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)系統(tǒng)，光進(jìn)入該系統(tǒng)后，由于光子與該物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)的某種更為細(xì)膩的物質(zhì)真空量子相互作用，使得光依然以光速運(yùn)動(dòng)，也就說光子與

5、它產(chǎn)生相互作用的鄰域真空是一個(gè)不變量，這就是真空光速不變?cè)恚ㄕ?qǐng)參考：廣義相對(duì)論引論，王仁川，合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1996年）。相對(duì)論認(rèn)為，光速和源速無(wú)關(guān)，和測(cè)量光速者的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，這要求光速必須是無(wú)窮大，也許正因?yàn)槿绱耍瑦凼咸寡浴肮馑僭谖覀兊奈锢砝碚撝邪缪葜鵁o(wú)限大速度的角色” 【2】1905年，Einstein在德國(guó)物理學(xué)紀(jì)事雜志上發(fā)表論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)論文，提出了狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論是以兩個(gè)前提假設(shè)為基礎(chǔ)提出來(lái)的。 “以下的討論將以相對(duì)性原理和真空光速不變?cè)頌橐罁?jù)。這兩條原理我們定義如下：物理體系的狀態(tài)基以變化的定律，同這些狀態(tài)的變化是以兩個(gè)彼此作相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中的哪一

6、個(gè)為參考，是無(wú)關(guān)的。任一條光線在“靜止的”坐標(biāo)系中都以確定的速度V運(yùn)動(dòng)，不管這條光線是由靜止的還是由運(yùn)動(dòng)著的物體發(fā)射出來(lái)的?！?】電磁波在真空中的傳播速度等于電量的電磁單位與靜電單位的比值。Einstein真空光速不變?cè)淼脑捠牵骸爸T如此類的例子，以及企圖證實(shí)地球相對(duì)于光介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)的失敗，引起了這樣一種猜想：絕對(duì)靜止這個(gè)概念，不僅在力學(xué)中，而且在電動(dòng)力學(xué)中也不符合現(xiàn)象的特征。倒是應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，凡是對(duì)力學(xué)方程適用的一切坐標(biāo)系，對(duì)于上述電動(dòng)力學(xué)和光學(xué)的規(guī)律也一樣適用。我們要把這個(gè)猜想提升為公設(shè)，而且還要引進(jìn)另一條在表面上看來(lái)同它不相容的公設(shè)：光在空虛空間里總是以一確定的速度c傳播著，這速度同發(fā)射

7、體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。由這兩條公設(shè)，根據(jù)靜止物體的麥克斯韋理論，就足以得到一個(gè)簡(jiǎn)單而又不自相矛盾的運(yùn)動(dòng)物體電動(dòng)力學(xué)?！盓instein提出的真空光速不變有兩種假設(shè)，一種是假設(shè)光波在空間中的傳播速度與光源運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)；另一種假設(shè)是光波相對(duì)觀測(cè)者的傳播速度與觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān).這兩種假設(shè)緊密相連，接受前一種假設(shè)，就必須承認(rèn)后一種假設(shè)，反對(duì)后一種假設(shè)，也就必須否認(rèn)前一種假設(shè)。Einstein的狹義相對(duì)論作為出發(fā)點(diǎn)的基本前提是：靜止?fàn)顟B(tài)與恒速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并不能由這個(gè)系統(tǒng)或那個(gè)系統(tǒng)的觀測(cè)者用任何電磁學(xué)或者力學(xué)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行區(qū)分。狹義相對(duì)論的內(nèi)容可以歸結(jié)為一句話：一切自然定律必定受到這樣的限制，使它們對(duì)于Lorent

8、z transformation都是協(xié)變的。在狹義相對(duì)論中，Einstein還給出了真空光速不變假定的如下數(shù)學(xué)形式：設(shè)有相對(duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)參照系 r、R（以下簡(jiǎn)稱為r 、R系、參見圖二），r、R 系分別由直角坐標(biāo)系oxyz 和 OXYZ構(gòu)成 ，兩個(gè)直角坐標(biāo)系的 x 、X 軸重合，y 、Y 軸和 z 、Z 軸均平行，r 、R 系在 x 、X 軸方向以一定的速度勻速遠(yuǎn)離，在兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn) o 、O 分別有持時(shí)鐘和量尺的觀測(cè)者， r 、R 系的觀測(cè)者使用自己的時(shí)鐘和量尺測(cè)得的 r 、R 系遠(yuǎn)離速度均為 u 。在上述情況下，Einstein繼續(xù)假定，在兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn) o 、O 重合，r 、R

9、 系觀測(cè)者所持時(shí)鐘時(shí)間t = T = 0時(shí)，在 r 系原點(diǎn)o處有一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出了一個(gè)球面光波，這個(gè)球面光波以光速膨脹為球形。在球面光波膨脹過程中，r 、R 系的觀測(cè)者各自使用自己的時(shí)鐘和量尺測(cè)量球面光波的膨脹運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，r 系觀測(cè)者測(cè)得的球面光波運(yùn)動(dòng)情況是：球面光波以光速膨脹為球形，在球面光波膨脹過程中，球面光波的球心始終是 r 系的原點(diǎn) o 點(diǎn)。在 r 系觀測(cè)者所持時(shí)鐘顯示的時(shí)間為 t ，r 系觀測(cè)者使用量尺測(cè)得的球面光波任一點(diǎn)坐標(biāo)為 x 、y 、z的情況下 ， r 系觀測(cè)者使用時(shí)鐘和量尺測(cè)得的球面光波膨脹運(yùn)動(dòng)可以表述為如下數(shù)學(xué)方程x2+y2+z2=2t2與此相應(yīng)，R 系觀測(cè)者測(cè)得的

10、球面光波運(yùn)動(dòng)情況是：球面光波以光速膨脹為球形，在球面光波膨脹過程中，球面光波的球心始終在 R 系原點(diǎn) O點(diǎn) 。在 R 系觀測(cè)者所持時(shí)鐘顯示的時(shí)間為 T ， R 系觀測(cè)者使用量尺測(cè)得的球面光波任一點(diǎn)坐標(biāo)為 X 、Y 、Z的情況下， R 系觀測(cè)者使用時(shí)鐘和量尺測(cè)得的球面光波膨脹運(yùn)動(dòng)可以表述為如下數(shù)學(xué)方程X2+Y2+Z2=2T2以上兩個(gè)數(shù)學(xué)方程就是真空光速不變假定的數(shù)學(xué)形式。在給出了上述真空光速不變假定的數(shù)學(xué)形式之后，以之為基礎(chǔ)，Einstein推理出了Lorentz變換，也就是r 、R 系的坐標(biāo)變換關(guān)系和時(shí)間變換關(guān)系：X=(xut)Y=yZ=zT=(t) = Einstein對(duì)Lorentz變換給

11、出的解釋是：對(duì)于一個(gè)點(diǎn)物理事件，在 r 系研究者使用本系時(shí)鐘和量尺測(cè)得的物理事件的坐標(biāo)和時(shí)間為（x，y，z，t）的情況下，R 系研究者使用本系時(shí)鐘和量尺測(cè)得的物理事件的坐標(biāo)和時(shí)間為（X，Y，Z，T），（x，y，z，t）和（X，Y，Z，T）的量值關(guān)系由上述Lorentz變換給出。厄瓦耳(Ewald1912)和俄辛(Oseen1915)的消光定理（Extinctiontheoremof）認(rèn)為：一個(gè)從真空中的以光速c傳播的入射電磁波進(jìn)入色散媒質(zhì)內(nèi)，那么它的場(chǎng)就被感生偶子場(chǎng)的一部分所抵消（從宏觀角度上看也就是被電極化強(qiáng)度P的一部分抵消的。且被另一個(gè)波所代替，這個(gè)波以表征媒質(zhì)的相速度傳播，入射波因干涉而

12、消失，數(shù)學(xué)分析得知對(duì)這個(gè)過程是在有限的一段距離上發(fā)生的，由于真空波和媒質(zhì)波有著不同的相速度，兩者經(jīng)過這段距離之后就會(huì)有明顯的位相差，當(dāng)頻率為時(shí)，相位差是=(n-1)x/c式中n為折射率，x為這個(gè)距離。這里請(qǐng)你們要注意的是，入射波是干涉消失的，而不是吸收，所以，在這里我們討論的是相位！因?yàn)橛?jì)算難度和相對(duì)復(fù)雜性，在這里我們給出一些數(shù)據(jù)：對(duì)于n約為1.5的玻璃和波長(zhǎng)為650nm的可見光得出的消光定理距離約為2*10-7m；對(duì)于空氣中的1Mev的射線消光定理距離約為0.73m；而可見在星際空間傳播時(shí)的消光定理距離則長(zhǎng)達(dá)2光年左右。從上面的各種情況下的消光定理距離可以看出，不管光離開其光源時(shí)速率多大，由

13、于媒質(zhì)的介入，一個(gè)新的擾動(dòng)來(lái)替代他，這個(gè)擾動(dòng)的頻率與光原光頻率相同，但卻以媒質(zhì)的特征相速度來(lái)傳播。這時(shí)，對(duì)媒質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行修正以后，相對(duì)于媒質(zhì)靜止的觀測(cè)者測(cè)得的光速都將等這種媒質(zhì)中的光速，使得源的運(yùn)動(dòng)和光相對(duì)于源的速率無(wú)關(guān)。這樣就使得關(guān)于Einstein第二個(gè)設(shè)定的所有早期實(shí)驗(yàn)和許多近代實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證全部因?yàn)橄舛ɡ矶А?964年，瑞士日內(nèi)瓦的歐洲聯(lián)合核子研究中心，高能中性介子衰變中產(chǎn)生的6KMeV光子，測(cè)量80M路上的飛行時(shí)間來(lái)確定這里光子的速率，介是用19.2KMeV的質(zhì)子轟擊鈹靶產(chǎn)生的，他們的速率是0.99975C，這個(gè)速率是由同一事件的帶電介子速率推算而來(lái)的，利用射束的r-f結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)

14、時(shí)。得出源速相當(dāng)快、甚至接近光速時(shí)發(fā)出的光子速率依然是C，實(shí)驗(yàn)誤差在1.310-4左右。實(shí)驗(yàn)是把以速度v運(yùn)動(dòng)的氫離子做為運(yùn)動(dòng)光源，通過觀測(cè)運(yùn)動(dòng)氫離子沿與v成a角方向和沿180o+a角方向上輻射電磁波的波長(zhǎng)，則可知道這兩背向傳播電磁波波長(zhǎng)的乘積與觀測(cè)角a之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)若證實(shí)兩波長(zhǎng)的乘積與觀測(cè)角a變化有關(guān)，則可肯定真空光速不變假設(shè)成立。相反，若實(shí)驗(yàn)證實(shí)兩波長(zhǎng)的乘積是與觀測(cè)角a的改變無(wú)關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果就應(yīng)看做是支持c，=c(1-(k0u/c)2)1/2式成立的證據(jù)。1938年，IresStuwell所做的氫極隧射線實(shí)驗(yàn)與上述實(shí)驗(yàn)有區(qū)別，他是把沿180o+a角方向傳播的光線用反射鏡反射180o后，在同一

15、側(cè)同時(shí)觀測(cè)兩電磁波的波長(zhǎng)。如果真空光速不變假設(shè)成立，應(yīng)觀測(cè)到兩波長(zhǎng)的平均值與氫離子靜止時(shí)輻射電磁波的波長(zhǎng)之比等于1+v2/2c2.如果c，=ck0u式成立，應(yīng)觀測(cè)到兩波長(zhǎng)的平均值與氫離子靜止時(shí)輻射電磁波的波長(zhǎng)之比應(yīng)等于1+v2/2c2-v2sin2a/4c2.IresStllwdl所做的實(shí)驗(yàn)是觀測(cè)角a約為7o時(shí)的結(jié)果，對(duì)于此角度而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也并非與1+v2/2c2-v2sin2a/4c2相矛盾。因此，必須在v一定時(shí)驗(yàn)證兩波長(zhǎng)的平均值與a之間的關(guān)系，而不是在a較小時(shí)驗(yàn)證兩波長(zhǎng)的平均值與v之間的關(guān)系。否則，就不能說真空光速不變假設(shè)已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。“各種檢驗(yàn)真空光速不變性的實(shí)驗(yàn)都只證明了回路光速的不變性，并沒有證明光速的不變性?！?【1】由于幾乎所有實(shí)驗(yàn)都包含光的往返，由于存在著抵消，不能消除光速方向上的差異。按經(jīng)典理論我們可以說光在不同密度介質(zhì)中傳播速度不同，但是這個(gè)不