真空光速不變性原理的解釋

真空光速不變性原理的解釋問(wèn)題導(dǎo)引：為什么光速剛好是？史蒂文?溫伯格曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“我對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)的進(jìn)步的想法是，能帶領(lǐng)我們更接近一種能夠以自然的和統(tǒng)一的方式解釋所有物理現(xiàn)象的簡(jiǎn)單理論.”英國(guó)科學(xué)哲學(xué)家波普爾主張，任何科學(xué)理論都是試探性的、暫時(shí)的、猜測(cè)的，它們是不能夠被證明的，但是可以被證偽的.按照霍金的理解就是：如果理論只是假設(shè)意義上講，任何物理理論總是臨時(shí)性的，你永遠(yuǎn)不可能講它證明……一個(gè)好的的理論的特征：它能夠給出許多原則上可以被觀測(cè)所否定或所證偽的語(yǔ)言.（一）愛(ài)因斯坦對(duì)于光速不變性原理的解釋愛(ài)因斯坦在給達(dá)文波特的信中說(shuō)：“在我本人的思想發(fā)展中，邁克爾孫的結(jié)果并沒(méi)有引起很大的反響.”愛(ài)因斯坦認(rèn)為：真空中光的傳播定律必須由一個(gè)能與相對(duì)性原理一致的較為復(fù)雜的原則取代；這是因?yàn)橄鄬?duì)性原理自然而簡(jiǎn)單并且在人們的思想中具有很大的說(shuō)服力；但是，理論物理學(xué)的發(fā)展說(shuō)明了我們不該遵循這一途徑.他認(rèn)為新的理論應(yīng)該與電動(dòng)力學(xué)的理論協(xié)調(diào)起來(lái).于是，他較深入的分析了時(shí)間和空間的物理概念，讓人們看到相對(duì)性原理和光的傳播定律（真空中光速恒定定律）沒(méi)有絲毫的抵觸之處.這樣他完成了他的狹義相對(duì)論，光也就有了新的參考原則.愛(ài)因斯坦在他的《狹義與廣義相對(duì)論淺說(shuō)》中說(shuō)：“在物理學(xué)中幾乎沒(méi)有比真空中光的傳播定律更簡(jiǎn)單的定律了.學(xué)校里的每個(gè)兒童都知道，或者相信他知道，光在真空中沿直線以速度千米每秒傳播.無(wú)論如何我們非常精確地知道，這個(gè)速度對(duì)于所有各色光線都是一樣的.因?yàn)槿绻皇沁@樣，則當(dāng)一顆恒星為其鄰近的黑暗星體所掩食時(shí)，其各色光線的最小發(fā)射值就不會(huì)同時(shí)被看到.荷蘭天文學(xué)家德西特根據(jù)對(duì)雙星的觀察，也以相似的理由指出，光的傳播速度不能依賴于發(fā)光物體的運(yùn)動(dòng)速度.”愛(ài)因斯坦在19年第十五版本的《狹義和廣義相對(duì)論淺說(shuō)》中仍然如是說(shuō)，“我們可以假定關(guān)于光（在真空中）的速度是恒定的，這一簡(jiǎn)單的定律已有充分的理由為學(xué)校里的兒童所確信誰(shuí)會(huì)想到這個(gè)簡(jiǎn)單的定律竟會(huì)使思想周密的物理學(xué)家陷入智力上的極大困難呢？”二十世紀(jì)末，在天文和微觀的實(shí)驗(yàn)中都發(fā)現(xiàn)了一些現(xiàn)象，光速不變?cè)淼慕?jīng)典解釋遇到困難，關(guān)于此問(wèn)題的理論探討也很活躍，我國(guó)科學(xué)家在這個(gè)問(wèn)題上也一直進(jìn)行著摸索，物理學(xué)可以使用假設(shè),并在假設(shè)的基礎(chǔ)上建立理論,然而用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其非假設(shè)成果的正確性,進(jìn)而間接驗(yàn)證假設(shè)的正確性.之所以這樣做,是因?yàn)樵诩僭O(shè)時(shí)代,該現(xiàn)象還得不到合理的解釋,這說(shuō)明假設(shè)的現(xiàn)象比當(dāng)時(shí)物理能解釋的東西更基本.因此,如能在以后對(duì)假設(shè)作出科學(xué)的解釋,就是對(duì)物理學(xué)的重大突破.自從相對(duì)論發(fā)表以來(lái)，對(duì)它的爭(zhēng)議就沒(méi)有停止過(guò).但相對(duì)論以其完美的數(shù)學(xué)表達(dá)形式和廣泛的實(shí)驗(yàn)論證，已經(jīng)被許多人接受.攻擊相對(duì)論的人只能找到一些相對(duì)論不能解釋的物理現(xiàn)象來(lái)證明它的局限性，而不能從根本上否定它.叫喊聲一直不停的主要原因，是光速恒定的公設(shè).沒(méi)有人能夠從理論上找到光速不變的原因，但對(duì)這一實(shí)測(cè)的結(jié)果心存不甘，因?yàn)樗莻ゴ蟮南鄬?duì)論的基礎(chǔ)條件.他在192年2就真空光速不變?cè)韺?xiě)道：“相對(duì)論常遭指責(zé)，說(shuō)它未加論證就把光的傳播放在中心理論的地位，以光的傳播定律作為時(shí)間概念的基礎(chǔ).然而情形大致如下：為丁賦予時(shí)間概念以物理意義，需要某種能建立不同地點(diǎn)之間的關(guān)系的過(guò)程.為這樣的時(shí)間定義，究竟選擇哪一種過(guò)程是無(wú)關(guān)重要的.可是為了理論只選用那種已有某些肯定解的過(guò)程是有好處的.由于麥克斯韋與洛倫茲的研究之賜，和任何其他考慮的過(guò)程相比，我們對(duì)于光在真空中的傳播是了解得更清楚的”.愛(ài)因斯坦著《相對(duì)論》47頁(yè)“1、7光的傳播定律與相對(duì)性原理的表面抵觸”，“在此種抵觸下，似乎除了放棄相對(duì)性原理或真空中光的傳播的簡(jiǎn)單定律外，我們別無(wú)他法.但保留相對(duì)性原理是仔細(xì)閱讀上述論述的讀者幾乎一致的意見(jiàn).這是因?yàn)槿绱俗匀欢?jiǎn)單的相對(duì)性原理給予人們很大的說(shuō)服力，因而真空中光的傳播定律就必須由一個(gè)能與相對(duì)論原理一致的比較復(fù)雜的定律所取代.然而，理論物理學(xué)的發(fā)展使我們不必繼續(xù)這個(gè)進(jìn)程經(jīng)典電子論的創(chuàng)立者、具有劃時(shí)代意義的洛倫茲對(duì)于與運(yùn)動(dòng)物體相關(guān)的電動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中無(wú)可爭(zhēng)辯的經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生出關(guān)于電磁現(xiàn)象的一個(gè)理論，而又有該理論必然推出了真空中光速恒定定律理論.因此，盡管沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明有與相對(duì)性原理相抵觸之處，但許多著名的理論物理學(xué)家對(duì)相性原理還是比較傾向于舍棄的觀點(diǎn).相對(duì)論就是在這個(gè)關(guān)頭出現(xiàn)的.由于以時(shí)間和空間物理概念的分析，相對(duì)性原理因而就與光的傳播定律沒(méi)有絲毫的抵觸之處.”如果麥克斯韋方程正確，而且滿足相對(duì)性原理，那么可以證明光速不變是正確的，但在愛(ài)因斯坦提出狹義相對(duì)論的時(shí)候還不知道麥克斯韋方程是否正確，于是才把光速不變作為基本假設(shè).（二）、現(xiàn)代物理學(xué)對(duì)于光速不變性原理的解釋在量子力學(xué)中可以看到，如果光子的靜止質(zhì)量為零那么光速不變是正確的，前面已經(jīng)分析了光子只具有電磁質(zhì)量，沒(méi)有引力質(zhì)量，因此光速不變性原理也是正確的.厄瓦耳和俄辛的消光定理（）認(rèn)為：“不管光離開(kāi)其光源時(shí)速率多大，由于媒質(zhì)的介入，一個(gè)新的擾動(dòng)來(lái)替代他，這個(gè)擾動(dòng)的頻率與光源光頻率相同，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)得的光速都將等于這種媒質(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).”張?jiān)傧壬凇丢M義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)》一書(shū)中對(duì)各種檢驗(yàn)光速不變性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析，結(jié)論是：“在實(shí)驗(yàn)中依靠光信號(hào)較鐘，將會(huì)把可能的光速方向性效應(yīng)抵消掉，……各種檢驗(yàn)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(méi)有證明單向光速的不變性.因此，通常所說(shuō)的‘光速不變?cè)硪褳閷?shí)驗(yàn)所證實(shí)’是不確切的.”水中光速/雷達(dá)波延遲、、……，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證明：真空中引力場(chǎng)與光速的關(guān)系密切.光的速度與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，不能認(rèn)為運(yùn)動(dòng)的物體帶動(dòng)周?chē)南鄬?duì)性原理和經(jīng)典可以應(yīng)用于力學(xué)現(xiàn)象，但是不能用于光電現(xiàn)象的原因在于它們是奠定在絕對(duì)觀的基礎(chǔ)上研究引力質(zhì)量問(wèn)題的，光子與中微子沒(méi)有相互作用，不影響光速，光子與引力場(chǎng)沒(méi)有相互作用狹義相對(duì)論的假設(shè)是正確的.實(shí)物運(yùn)動(dòng)時(shí)，能且只能帶動(dòng)屬于它自身的萬(wàn)有引力場(chǎng)和電磁場(chǎng).這一情況，同有關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的.光行差現(xiàn)象顯示，以太未被地球拖曳.這是因?yàn)?，傳播遙遠(yuǎn)恒星的引力場(chǎng)，主要是恒星間的引力場(chǎng)，地球的運(yùn)行，對(duì)于絕對(duì)時(shí)空的影響微不足道；斐索實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是以太要部分地被水流曳行.其實(shí)質(zhì)是，水在流動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)屬于它自身的場(chǎng)，而不會(huì)帶動(dòng)地球的引力場(chǎng).近百年來(lái)，人們對(duì)麥克耳遜一一實(shí)驗(yàn)、方程以及群論上的公理證明對(duì)真空光速不變性原理進(jìn)行質(zhì)疑，但是都沒(méi)有取得實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明了真空光速不變性原理的正確，也說(shuō)明光只具有電磁質(zhì)量.廣義相對(duì)論和狹義相對(duì)論的最大不同，在于對(duì)于真空絕對(duì)速度（真空絕對(duì)速度和一般所言的“電磁波真空波速”不是一個(gè)概念，只不過(guò)后者在數(shù)學(xué)上恰好等于前者而已）只能在局部觀測(cè)者上定義.也就是說(shuō)，狹義相對(duì)論可以定義一個(gè)全局觀測(cè)者，而在廣義相對(duì)論中只能使用局部觀測(cè)者，而參照系的選擇就體現(xiàn)了觀測(cè)者的選擇（兩者還不完全相同）.在廣義相對(duì)論中，從始至終所說(shuō)的是：在局部觀測(cè)者自己看來(lái)，自己所在位置的電磁波的真空光速等于真空絕對(duì)速度，這才是廣義相對(duì)論中對(duì)于光速所說(shuō)的全部?jī)?nèi)容，不要將狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論混淆.在非本地觀測(cè)者看來(lái)，自己所在位置以外的別的地方的光速完全可以不是光速，這是廣義相對(duì)論的一個(gè)很常見(jiàn)的結(jié)果.由于光子只具有電磁質(zhì)量，它在度量空間（相對(duì)空間）里運(yùn)動(dòng)電磁質(zhì)量不變，引力質(zhì)量與電磁質(zhì)量之間沒(méi)有相互作用，頻率與波長(zhǎng)不變，所以光速為定值.由于光子的引力質(zhì)量為，因此引力場(chǎng)與的速度相同如果認(rèn)為引力場(chǎng)的傳播速度是由激發(fā)它的物體的引力質(zhì)量決定，那么根據(jù)伽利略對(duì)于兩個(gè)鐵球同時(shí)落地的推理可以得出引力場(chǎng)的傳播速度是定值，因此物理學(xué)中的真空光速不變性原理是指在僅有引力場(chǎng)的條件下，是有引力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度決定的，而在電磁場(chǎng)中光速是可變的，例如在介質(zhì)中光速小于，這也符合相對(duì)絕對(duì)論的觀點(diǎn)1902-年1，9密0勒4和莫雷在地表用更精密的儀器做邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比188年7邁克爾遜和莫雷所得更接近于零.后來(lái)，密勒超出了地表空間，得到了不同尋常的結(jié)果.到了192年1,密勒把邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)裝置安在威爾遜山上進(jìn)行，所用方法和以前一樣，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有的正效應(yīng)，也就是說(shuō)光相對(duì)于地球在以的速度做漂移運(yùn)動(dòng).為了證實(shí)這一點(diǎn)，他采取了多種措施，包括撤換鐵磁材料，用水泥座代替鋼架，用銅、鋁代替鋼鐵；將光源隔開(kāi)，以防溫度變化；并采用不同的光源；甚至故意用電爐加熱以試驗(yàn)溫度的影響等等……密勒還是得出確切的結(jié)論一一光相對(duì)于地球在以的速度做漂移運(yùn)動(dòng).——摘自《著名經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)》郭奕玲、沈慧君，北京科學(xué)技術(shù)出版社.密勒——擔(dān)任過(guò)美國(guó)全國(guó)物理學(xué)會(huì)的主席，是美國(guó)科學(xué)院院士.但是，他自己不能很好地解釋著個(gè)實(shí)驗(yàn)，后來(lái)很多人在地表又做邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步得到的都是零結(jié)果,不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果空間高度不同.筆者認(rèn)為這是由于地磁場(chǎng)的存在影響的結(jié)果.有人假設(shè)光波和聲波一樣，需要介質(zhì)傳播（如以太）那么，設(shè)光線的頻率為K光源TOC\o"1-5"\h\z相對(duì)介質(zhì)的速度為，觀測(cè)者相對(duì)介質(zhì)的速度為，則有：（）（），對(duì)上式的（）用二項(xiàng)式展開(kāi)得：（）（……），設(shè)……，對(duì)上式整理如下：（）（）（）C）C）M通過(guò)上面的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，我們得到光多普勒效應(yīng)公式為：（）,分析如下：由設(shè)頂?shù)臈l件我們可知，（）是我們相對(duì)光源的速度，是我們可知的因此，在上面公式中，前面的頻移部分1），與和是無(wú)關(guān)的后面的頻移部分……］是與、有關(guān)的這樣我們通過(guò)不同的相對(duì)速度實(shí)驗(yàn)，就應(yīng)該得到的頻移，檢驗(yàn)出、的存在實(shí)際情況是：實(shí)驗(yàn)結(jié)果的頻移是一致的當(dāng)然，由于后面的頻移部分是值很小的高次項(xiàng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的精度要求很高所以，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致，并不完全可信.但隨著實(shí)驗(yàn)精度的提高，這個(gè)問(wèn)題是可以解決的.光的多普勒效應(yīng)結(jié)果，已經(jīng)經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的天體觀測(cè)和地面實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何與光源相對(duì)介質(zhì)的速度、觀測(cè)者相對(duì)介質(zhì)的速度有關(guān)的數(shù)據(jù).光速與介電系數(shù)及磁導(dǎo)率有關(guān)，聲速與介質(zhì)密度與彈性系數(shù)有關(guān)，光速與聲速兩者的確有可比性，因此這個(gè)“用聲速代替光速”論詰難已經(jīng)被無(wú)數(shù)人提出過(guò).理由有三：聲波波動(dòng)方程滿足不變性，但電磁波波動(dòng)方程不滿足不變性，所以兩者不具有完全可比性既然聲波波動(dòng)方程滿足不變性，所以從邏輯上講，不存在提出“聲速不變?cè)怼钡谋匾裕?）作為潛在的研究，可以允許你去提出“聲速不變?cè)怼奔耙源藶榛A(chǔ)的“聲速相對(duì)論”，但基于“聲速不變?cè)怼彼岢龅膭?dòng)力學(xué)理論結(jié)果明顯與實(shí)驗(yàn)違背；3）“光速不變?cè)怼北M管在相對(duì)論發(fā)展歷史上具有重要意義，但其實(shí)它是完全不必要的.幾十年來(lái)，已經(jīng)有很多人指出（見(jiàn)下面的文獻(xiàn)），“光速不變?cè)怼睉?yīng)該是相對(duì)性原理的一個(gè)推論，而不是出發(fā)點(diǎn)（基本假定）.這里，“光速不變?cè)怼币砸粋€(gè)推論“必然存在一個(gè)不變速度，它在時(shí)空變換下不變”的面貌出現(xiàn).波的傳播速度決定于媒質(zhì)的特性，對(duì)于彈性波來(lái)說(shuō)，波的速度決定于媒質(zhì)的慣性和彈性.液體和氣體只有容變彈性，在液體和氣體內(nèi)部只能傳播與容變有關(guān)的彈性縱波.現(xiàn)有理論證明在液體和氣體中縱波的傳播速度為=jp-（縱波），式中是媒質(zhì)的容變彈性模量，P是媒質(zhì)的密度固體中能夠產(chǎn)生切變、容變、長(zhǎng)變等各種彈性形變，所以固體中既能傳播與切變有關(guān)的橫波，又能傳播與容變或長(zhǎng)變有關(guān)的縱波.在固體中，橫波速度=、IP,縱波速度=、IP，式中和分別為媒質(zhì)的切變彈性模量和楊氏彈性模量附錄1：科學(xué)家首次成功地將一個(gè)光脈沖“凍住”了足足1秒鐘的時(shí)間，這是以前最好成績(jī)的100倍0.將凍住光束的時(shí)間大大延長(zhǎng)，意味著可能據(jù)此找到實(shí)用方法，來(lái)制造光計(jì)算機(jī)或量子計(jì)算機(jī)用的存儲(chǔ)設(shè)備.要使光停住腳步，需要一種特殊的陷阱，其中的原子溫度極低，幾乎靜止，以至于每個(gè)原子都有著同樣的量子態(tài).通常情況下，這樣一團(tuán)凍結(jié)的原子是不透明的，但仔細(xì)校準(zhǔn)后的激光能夠在其中“切割”出一條通道，使得一個(gè)光脈沖從另一方向傳播過(guò)來(lái)時(shí)，陷阱相對(duì)于它來(lái)說(shuō)是透明的.一旦切斷激光，陷阱立刻又變得不透明，光脈沖就被困在陷阱里了.恢復(fù)激光照射，光脈沖將繼續(xù)傳播.陷阱的秘密在于，它并不是普通陷阱困住物體那樣困住光線，而是通過(guò)建立“量子沖突”antconflict來(lái)保存住光脈沖的信息.激光和光脈沖對(duì)原子的作用是相反的，導(dǎo)致原子發(fā)生“糾纏”，處于兩種量子態(tài)的混合狀態(tài).切斷激光時(shí)，原子吸收光脈沖，但光脈沖并沒(méi)有丟失，原子仍然糾纏在不同量子態(tài)中，光脈沖的信息給它們留下了印記.只要原子不移動(dòng)或改變，就能完全保有光脈沖的信息.以前的光陷阱只能堅(jiān)持約1毫秒，隨后就由于原子的移動(dòng)而崩潰了.澳大利亞國(guó)立大學(xué)的物理學(xué)家evonongdell及其同事利用摻有稀土元素錯(cuò)的硅酸鹽晶體，制造出一個(gè)“超級(jí)光陷阱”.由于晶體是固態(tài)的，而鐠的磁穩(wěn)定性非常好，這個(gè)陷阱保留光脈沖信息的時(shí)間比氣體陷阱或不夠穩(wěn)定的晶體陷阱要長(zhǎng)得多科學(xué)家在月日的《物理評(píng)論通報(bào)》上報(bào)告了這一成果.附錄2：中國(guó)科學(xué)家獲得引力場(chǎng)以光速傳播首個(gè)觀測(cè)證據(jù)201年212月26日下午，“引力場(chǎng)以光速傳播的觀測(cè)證據(jù)”新聞發(fā)布會(huì)在京舉行.中國(guó)科學(xué)家在發(fā)布會(huì)上宣布，獲得了“引力場(chǎng)以光速傳播的第一個(gè)觀測(cè)證據(jù)”.由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所湯克云研究員領(lǐng)導(dǎo)，中國(guó)地震局和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)有關(guān)人員參加的科學(xué)團(tuán)組，經(jīng)過(guò)十多年的持續(xù)探索，在實(shí)施了多次日食期間的固體潮觀測(cè)后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行地球固體潮公式實(shí)際上暗含著引力場(chǎng)以光速傳播的假定，從而提出了用固體潮測(cè)量弓I力傳播速度的方法“ObservationalevidencesforthespeedofthegravitybasedontheEarthtide”一文報(bào)道了利用西藏和新疆高質(zhì)量地球固體潮數(shù)據(jù)測(cè)定引力傳播速度的結(jié)果，即將發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》英文版.近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所湯克云研究員及其團(tuán)組先后實(shí)施了199年7漠河日全食觀測(cè)、200年1贊比亞日全食觀測(cè)、200年2