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第十五回    再论光速不变原理

(2007-12-16 20:49:59)
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知识/探索

 

第十五回    再论光速不变原理

 

我们的旅程到了哪里了?噢!我们不是正在狭义相对论中漫游吗?你一定会认为,走进狭义相对论大门,迎面看见的是两块高高飘扬的遮羞布,然后是一个奇形怪状的怪胎。你错了,实际情况完全不是这样。

狭义相对论大门非常气派,门两边的圆柱子上分别写着“相对性原理——物理学的新曙光”和“光速不变原理——物理学的奠基石”的流金浮雕大字。远处有一座金碧辉煌的狭义相对论大厦,那里人山人海,进进出出,络绎不绝。

走进狭义相对论殿堂,映入眼帘的是数不清的花环、彩带和桂冠,包含着无限的荣誉、爱戴与敬仰。这里彩旗荡漾红烛高烧香烟缭绕,一堆堆的人们满脸悯诚与恭敬地在那里打恭叩首顶礼膜拜,气氛是那样的庄严与肃穆。看到这样的繁华,我不禁倒抽一口凉气:“我的妈呀!这那是什么怪胎呀,完全是一个不可侵犯的圣贤,人们经过了各种精心刻意的包装,已经把狭义相对论神化了!”

当然也有少数人举着“打倒狭义相对论!”、“狭义相对论是人类最大的绊脚石!”、“狭义相对论害惨了物理学”的小旗子在那里和人辩论,尽管这里也有大科学家,但他们的力量实太小了啊!真理总是首先掌握在少数人身上,我想。无论相对论现在怎么不可一世,只要相对论是错的,迟早它总会变成历史垃圾。地心说不是曾经也统治了一千多年吗?到头来还不是得让位于日心说。狭义相对论刚刚才有一百年的历史呢!

好!我们再回到狭义相对论。首先,在狭义相对论诞生之前,人们是用以太来完美地解释各种电磁现象的。但人们对于以太的存在不无担心,希望能通过试验来证明它确实是存在的。从光行差现象中,人们弄清了地球不能带动以太,以太风是存在的。当高精度的干涉仪研制成功以后,迈克尔逊本来认为一定有把握测定出以太风的,结果事与愿违,迈克尔逊——莫雷试验不但没能证明以太风,反而否定的以太风,弄出了一朵乌云来。正是偷鸡不成反丢一把米。迈克尔逊为此至死也深感不安。

为了驱散这朵乌云,人们不是从光的更深层的物理本质上去考虑,而是由斐兹杰拉德和洛伦兹分别在1889年和1892年各自独立地提出了所谓的“收缩假设”,人们开始走入歧途,并且从以后的发展来看是愈陷愈深。狭义相对论只不过抛弃了洛仑兹“收缩”理论的力学原因,全盘采用了洛仑兹“收缩假设”。狭义相对论的基本公式也是把洛仑兹“收缩”理论中的基本公式全盘照搬,它们没有一点点改变而完全一样。狭义相对论只不过是在“假设”的唯心的道路上走得更远一些。而我们的经验恰恰知道假设和常识往往是靠不住的!

狭义相对论的光速不变原理完全是一个假设。这个原理能用很简单的推理就可以证明它是错的:一方面,光行差和雨行差的道理一样,汽车带不动雨点,地球也带不动光。一般地惯性系也带不动光。另一方面,狭义相对论是把光放入惯性系中并和惯性系一起运动的。比如说火车以速度v作匀速直线运动,火车上的光既和火车一起作速度为v的匀速直线运动,同时又以c对火车作运动。如果该火车由速度为v的惯性运动变为速成速度为u的惯性运动,那么火车中光和火车一起运动的原速度v变不变呢?显然,只有变成u才能继续满足光速不变原理。但这一来,光就是被火车带动,它与惯性系不能带动光又是矛盾的。于是光速不变原理就是错的。

有人说,任何观测者所测量到的光速都是C,或者说所有惯性系中测量到的光速都是C。无论你承不承认、理不理解都无法改变这个事实。这种说法是不对的!到目前为止,任何观测者所测量到的光速都是C仍然是狭义相对论的一个假设。由于光的速度是一个6位数的数字,即是300000公里/秒,地球的速度也不过才30公里/秒,火车飞机的速度就更小了。测量光的速度的试验精度没有那么高,目前还达不到四位有效数字。根本不能在方向和速度不同的火车上去做光速测定试验。这种试验要有前进、倒退和停止三种不同状态的光速不变的测定数字,这才有真正的说服力。如果没有任何试验,就说所有惯性系中测量到的光速都是C,这是不负责任的!

但是,光速绝对不变原理的表述是非常清晰的。同时,它也是一种可证伪度极高的理论。然而,要想突破这种理论则是极其困难的。可证伪度高是一回事,能否被证伪则是另一回事,迄今为止,我上面能仅以经验和逻辑来否证它。那种“关于绝对与相对”的惯性系能否带动以太的思辩,既有真正的科学思考价值,也有一定的哲学趣味。

光速绝对原理具有四个方面的可证伪性。然而,它在这四个方面的被证伪条件也是相当苛刻的和富有韧性的。

第一、单纯的超光速,不足以引起光速绝对原理的的失效。这通常包括两个方面的含义:一是光速率c值的可错性不影响光速绝对原理。人类已经尝试了14种方法测定光的速率,所得数值基本一致。也许,今后人们还会找到更新的方法来测定光速。值得指出的是,尽管任何实验都是一定的理论为基础的。但是任何一个测定光速的实验都将与光速绝对原理无涉。二是表现上超光速不等于实质上超光速。例如,70年代发现的类星体射电源间距增大速度超光速10倍的问题人们认为只是表观上的,而不是实质性的。有鉴于此,可以给出超光速的认定条件作为评价标准。根据光速绝对原理,逻辑地讲,下列情形中的任何一种,可以认为是超光现象:

1.有确凿证据证实,天文方法、机械方法和电磁方法测定光速不具有等效性,且存在一种测量方法使光速值发生常识不可接受的较大修正。

2.光源的运动与光自身的运动合成之后大于光速。

3.任意两个小于光速的速度,合成之后大于或等于光速。

4.把能量集中作用于某个特殊的粒子,使这个粒子的波速超过光速值,并达到不可接受的程度。此时,还必须严格指明有关这个“特殊粒子”的速度测定方法。

自从狭义相对论被人们广泛接受之后,有不少人试图对“光速绝对原理”提出反驳和证伪。有消息报道说,美国、德国、意大利、奥地利的科学家发现了“超光速现象”。

有一则报道说,德国科隆大学的尼姆茨研究小组宣称,微波(光的一种)穿过波导管的禁区时,以4.7倍超过光速。他们不仅测量了微波的超光速,而且还用超光速信号发送了莫扎特的第40交响曲,穿越了12厘米的空间。

中国旅美科学家王力军和他的研究小组作出的最新实验也是如此。实验采用的是一种新方法。他们用激光将通常为16种量子状态下的铯原子置于仅一种量子状态之下,组建了一个长6厘米的铯原子气室。在气室入口和出口分别放置了探测器,然后将一束持续时间3.7微秒的激光脉冲射向气室。观察到在气室出口的探测器相比于真空状况下提前62纳秒测到了同样形状的光脉冲。这表明,强烈的反常色散使得脉冲顶在进入气室之前就已离开了气室。光脉冲在铯原子气体中的群速度为光速的310倍,脉冲能量及波形在介质传播中无较大改变。最新一期美国《自然》杂志上发表了有关他的“超光速”实验的论文,引起了世界物理学界的关注。美国各家电视、广播、报纸争相报道。

中国有一位研究员级的资深专家黄志洵教授也认为光速可变,并写了两本《超光速研究》和《超光速研究新进展》专著。人们对超光速的相信由此可见一班。

由于光速不变原理的可证伪度极高,所以难免总有一天会有光速可变的试验出现。这才真正是狭义相对论的软肋。突破口就在这里。我们只能在这里静候佳音!

 

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