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探寻“光速不变性”的真实机理以摧毁“相对论”的根基

(2016-12-26 12:18:56)
标签:

牛顿

爱因斯坦

“光速不变性”

“波粒二象性”

相对论

探寻“光速不变性”的真实机理以摧毁“相对论”的根基

赵菊初(山西大同第一号信箱210分箱 037036

摘要:在简要介绍对“光速不变性”及“相对论”存在质疑及争议的情况之后,对“光速不变性”的机理提出了一种简单而容易理解的新解释。然后对作为“相对论”的另一主要支柱的 “波粒二象性”提出了5点质疑。从文中的论述可以看出,“相对论”的支持者很有可能找不到否定这种新解释的理由,很有可能找不到确凿的证据来对5点质疑进行反驳。果真如此,“相对论”得以建立的根基将可能被摧毁。

关键词:牛顿;爱因斯坦;“光速不变性”;“相对论”;“波粒二象性”

To Explore the True Mechanism of "Invariance of the Speed of Light" that Destroythe Foundation of "The Theory of Relativity"

Zhao Juchu (037036, Separating Box 210, Mailbox No. 1, Datong,)

Abstract: After a brief introduction to the question and controversy about "Invariance of the Speed of Light" and "The Theory of Relativity", a new explanation, which is easier to understand, over the mechanism of "Invariance of the Speed of Light" is put forward. And then five questions over "wave-particle duality", another pillar of the The Theory of Relativity, are put forward. It can be seen from the paper that the proponents of this theory are unlikely to find reasons to deny this new interpretation, and there is a strong possibility that no conclusive evidence can be found to refute the five questions. If so, the foundation of the theory could be destroyed.

Key Words: Newton; Einstein; " Invariance of the Speed of Light "; " The Theory of Relativity "; "wave-particle duality"

1. 前言

据报导[1],由于相对论至今仍然缺乏确凿和足够的证据,而反面证据却不断出现,故近十几年来,国际科学界对它的质疑之声开始明显增多。其中对《狭义相对论》的第二条关于“光速不变性”的公设,就是主要的质疑对相之一。尽管反面证据愈来愈多,但相对论的支持者仍大有人在,而且他们在科学界一般都占有垄断和优势地位,又因常年支持相对论而获得了某些学术既得利益,所以谁要反对相对论,不论其理由是否正确都难免遭到他们的坚决否定。这种不幸的现象在古今中外都屡见不鲜。因此,反对相对论的前景还任重道远,甚至十分渺茫。

上述情况与牛顿在1704年提出光的“微粒说”之后的经历有惊人的相似之处。由于当时牛顿已做出了巨大的科学贡献而成为人们顶礼膜拜的科学巨匠,以致整个十八世纪作为反对派的“波动说”,再也无人敢挑战和质疑牛顿的“微粒说”。在对光的性质探索停止近一个世纪后,才开始出现大量质疑之声。直至十九世纪的中后期,“波动说”在与“微粒说”论战中才取得了决定性的胜利。令人遗憾的是,现今相对论的“反对派”尽管获得了许多确凿的反对证据和研究成果,却远没有像当年“波动说”战胜“微粒说”那样幸运。但前车可鉴,我们应在前人胜利事迹的鼓舞下,不屈不挠地奋勇前进。

笔者对相对论一直抱着敬而远之的态度,反正觉得它与自己的工作与业余研究没有任何关系,故从不过问它的是非。最近在吴水清会长的启发下,使我产生了对光学研究的好奇心。经过几个月的学习和探索后发现,“光速不变性”机理可有一个更符合现有科学知识体系的新解释;而不必像相对论那样,提出很多与现有物理定律相违背并使人难以理解的观点来进行解释。现将自己的粗浅解释叙述于下;请大家批评指正。

2.      对光速不变的新解释

如图1所示,假设光源1静止不动,光源2沿光波发射方向以速度V运动,光源3沿光波发射的相反方向以速度V运动;设它们都处在同一起跑线上。S为光源1秒钟内运动的距离,其量值与V相等。现设它们所发射的光波在1秒钟时间内传播的距离分别为L1L2L3;它们的量值实际上就等于相应情况下光波的传播速度。图中h1h2h3分别为它们的波长,f为光波频率,C为光源静止时的光速,即3×105km/s。因此,L1可按下式计算:

探寻“光速不变性”的真实机理以摧毁“相对论”的根基
探寻“光速不变性”的真实机理以摧毁“相对论”的根基

光源2每发射一个光波的时间内移动的距离应等于S/f,这就是每个波长的减少量,故光波长度h2可按下式计算:

探寻“光速不变性”的真实机理以摧毁“相对论”的根基

上式已被光波因多普勒效应而产生蓝移的观测结果所证实。

光源3每发射一个光波的时间内移动的距离也应等于S/f,这就是每个波长的增加量,故光波长度h3可按下式计算:

探寻“光速不变性”的真实机理以摧毁“相对论”的根基

    由上列两式可以看出,光源以任意速度V向前或向后运动时,光速C都保持不变;这充分证明,光波传播速度与光源移动速度无关。上式推导的依据都是现有的物理知识,没有增添任何臆想的假设;所以,它比相对论用时空和物质的质量都随运动速度而改变的观点来解释,要简单、合理和可靠得多。

但应指出,以上是假定光波频率f不变的条件下进行计算的。有人可能根据声源快速接近或远离时,声频发生明显改变的经验,认为光波频率也会发生类似的变化;笔者认为,声波与光波的特性有本质的区别,故这种推论是完全不能成立的。我们知道,在空气中传播的声波是纵波,也就是一种压力波;当声源在移动时,其运动的正前方,空气振动的轨迹与声原移动轨迹将处在同一直线上,这时声源就会对声波的密度及压力增大,从而在使其波长缩短的同时,使其振动频率加快。现已证实,光波为横波,故当光源向前运动时,运动方向始终与光波振动方向垂直,故光源无法对光波输入能量,也就无法改变其振动速度及频率。笔者曾对上述机理进行过更详细的论证,还设计了一种简易的试验装置,用以验证光波频率不随光源运动速度而改变的观点。最近从参考文献[1] 中得知,《狭义相对论》的第2条公设中,明确认为在真空中的光速与光源运动速度及光的颜色无关,光的速度及频率f总是保持为恒定的数值。所以笔者觉得根据(4)及(5)式已可充分解释“光速不变性”的真正机理,上述关于频率f不变的论证及所设计的试验装置都是多此一举,而将其从本文中全部删除。

笔者觉得即使找到“光速不变性”的真正机理,相对论虽失去了得以建立的主要理论根基,却不一定会被推翻。正如当年托勒密的“地心说”一样,虽遭到几十次观测证据的质疑,它的支持者却能找到80多种所谓“均轮”及“本轮”的理由加以反对,从而使它误导和蒙骗世人近1500年之久。因此还需从其它方面进一步揭示相对论的谬误。笔者发现作为相对论的另一主要支柱的“波粒二象性”也存在很多疑点,故在下面对其进行质疑。

3.      对“波粒二象性”的质疑

     在参考文献[2]中指出:【波动理论几乎在所有光学和电磁学的现象中都得到了验证,所以,就目前为止的研究结果和实际应用情况来看,“光是一种波”的结论(波动理论)已经无懈可击。至于“光是粒子” 的结论(光子论),好像从来就没有得到过任何物理实验的直接证实。】;笔者完全认同这种看法,也基本认同该文献对“光是粒子”的质疑;故这里只从另一角度对光子是否真实存在及其怪异的表现提出补充的质疑。

3.1       以光电效应作为光子存在证据的质疑

爱因斯坦用光子说解释了光电效应,这成为获得1921年诺贝尔物理学奖的主要理由按经典电磁理论的观点,光波的能量只与波场的能量密度(光强)有关,与光波的频率无关;但很多人根据光电效应实验,认为光的能量与光强无关,而仅与频率有关。但笔者认为其中存在很多疑点,为弄清其真实情况,需从光电效应的实验结果谈起。通过实验发现: 任何一种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应,低于极限频率的光不能发生光电效应。光电子的最大初动能与入射光的强度无关,而随入射光频率的增大而增大。大于极限频率的光照射金属时,光电流强度(反映单位时间发射出的光电子数的多少),与入射光强度成正比。 金属受到光照,光电子的发射一般不超过109秒。

 光子论对以上试验结果的解释是:【光子具有的能量与光的频率成正比;金属中的自由电子,获得光子后其动能增大,当功能大于脱出功时,电子即可脱离金属表面,入射光的频率越大,光子能越大,电子获得的能量才能越大,飞出时最大初动能也越大】。

光子论的上述解释只认识到光子具有的能量与光的频率成正比,而不承认其能量还与光波振幅的平方成正比的确凿事实,这种观点是值得高度怀疑的。按光子论的观点,光子是具有动质量的,那么就应该认为是一种物质并具有物质的基本特征;因此无法解释它在以光速运动时,怎能具有振动的特征,没有振动何来频率,没有振动频率怎能将其能量传输给振动着的电子;殊不知,光子的质量比电子至少小3个数量级,直接碰撞绝不可能使电子获得飞出金属表面的初动能。笔者认为,“波动说”足以对上述所有关于光电效应的实验结果作出圆满的解释,而无须“微粒说”的参予。我们知道,金属中的自由电子不可能是静止的,而会与气体中的分子一样,作振荡运动;其振荡频率应取决于金属成分与结构等复杂因素,每一种金属中自由电子的平均振荡频率应保持在一定范围内。现已确证光就是一种电磁波;其频率若与被照射的金属中的某些自由电子的振荡频率相同,它就会产生共振并吸收电磁波能量而逸出金属表面;这与一般调幅收音机只有调谐到与想接收电台的频率相同时,才能接收到该电台信号的情况完全一样;故可圆满解释上述第①项实验结果。其它电台不同频率的电波信号再强,上述收音机也无法接收到,这就可解释光电子的最大初动能为什么与入射光的强度无关;但一旦电磁波达到某种金属最低共振频率时,其频率继续增大就会使更多电子产生共振并在单位时间内吸收更多电磁能,这就可圆满解释第②项实验结果。当上述收音机在在接收到某电台频率相同的信号时,电台发射的电波信号越强,收音机接收的信号也会随之增强;这就可圆满解释第③项实验结果。我们知道,可见光频率为7.73.9×1014HZ,即每秒波动数百万亿次,所以在109秒时间内,一个自由电子可吸收到相同频率的数十万次电磁波振荡的能量,所以在如此之短的时间内实现光电子发射是不足为奇的,故也可圆满解释第④项实验结果。

从上述情况可以看出,光电效应不一定就是光子存在的证据;反而很可能说明光子并不存在。

3.2        对光源中光子来源的质疑

因光子不可能违反物质不灭定律而在在光源中无缘无故地产生,故光子论应解释光子在发光体中是如何产生与储存的。以白炽灯为例,如果说光子是从导线输入的,就应解释它输入的机理;如果说它是在灯丝中不断产生的,就应解释它产生的机理;如果说它是原来储存在灯丝中的,就应该解释它是如何储存的,等等。相对论对上述问题本应该一一作出解答或通过试验来证明;奇怪的是,至今无人过问此事。此外,现已确证,无线电波、微波、X射线与可见光一样都是电磁波,只是波长不同而已;所以,光子论也应证明与解释其中类似光子的粒子是如何产生的。现在虽有不少似是而非的解释,但不管怎样,物体中可能发射出的光子不可能是无穷无尽的,也不可能无缘无故地产生,那么就无法解释经过长期使用的白炽灯为什么其亮度不逐渐降低。对于“波动说”来说,就不存在上述矛盾;因为光源发射电磁波只输出能量而不输出物质,所以只要能量可供应多久,发光就能维持多久。

3.3        对光源发射光子过程的质疑


它无法解释光子是如何从发光体发射出来的。假设光子的静止质量为零,虽然可以解释它不需要任何作用力和能量就可发射出来,但按相对论的观点,随着其速度的增大它就应该具有一定质量,它要继续加速就必需有外力的作用,可这时它已远离发光体,因而无法解释这种外力从何而来。

3.4        对光子论违背物质不灭定律和能量守恒定律的质疑

按光子论的观点,光子的质量可随其速度的增大而增加,显然这是违反物质不灭定律的。该定律并未附加任何限制条件,这意味着在任何情况下物质都不可能产生与消灭。光子论认为能量与物质可以互相转化,似乎解释了这种矛盾,但又违背了能量守恒定律。能量守恒定律也未加任何限制条件,这也意味着在任何情况下能量都不可产生与消灭,也不可能转化成能量以外的东西。这两个定律是经受长期实践检验而被举世公认的,要否定它们就必须拿出充分的理论和实验证据,但光子论并未拿出站得住脚的证据。近年来,有人通过精确测试发现,金属大幅升温时,与相对论的预言相反,其质量不见增大,反而有所减少。还有人发现,粒子加速到接近光速时,继续加速所需能量之所以急剧增多,是由于粒子加速器的能量利用率大幅降低造成的,故不能证明粒子的质量随速度而增大。上述试验结果与观点是否真实可靠不得而知。但光子论并未从理论上证明质能互相转化的机理,它若有理论自信,应该趁此机会将反面意见公诸于世,让大家作重复试验或深入分析以查明真象,因为真理是不怕别人反对与质疑的。但并未发现光子论有这样的行动,现在知道上述反对意见的人极其稀少。

3.5        对光子能穿越百多亿光年距离的质疑

据报道[3][4],宇宙星际空间并非空无一物,而是广泛分布极稀薄的微粒,平均每立方厘米约分布1个氢离子;已知氢离子的质量约等于1个质子,1个质子的质量约比电子大1800 按光子论的研究,1个光子的质量是一个电子质量的1024分之1宇宙中充满大量运动着的光子;按测算微波背景辐射计算的光子密度为5.477×108/m3,相当于每立方厘米约500个光子。按以上数据推算,从100亿光年距离外的星体发出的500个光子,到达地球需与9.5×1027个氢离子擦肩而过,即平均每个光子要在2亿亿亿个氢离子附近经过,其碰撞的几率无疑应该接近100%;而每个光子的质量仅为氢离子的180万分之1,故每次碰撞就可能将其动能消耗殆尽。因此,无法解释它怎么可能到达地球而被我们观测到。对于电磁波来说,就完全不存在上述情况;因为它只是磁场和电场交替变换而像声波一样向前传送能量,不存在物质快速移动与氢离子发生碰撞的问题;而电磁波与带电粒子相遇时,如果相位相同有可能使它增大能量,当相位相反时则有可能损失能量,因二者发生的几率是相同的,所以,电磁波在宇宙星际空间传播过程中可能几乎不损失能量,从而可解释它为何能传播百多亿光年之远。据网上最新报导,宇宙曾发生过所谓“再电离”现象,其主要特征是:【宇宙中的氢原子发生了电离,这是目前天体物理研究的主流领域。电离使宇宙对光子而言变得完全透明,光源发出的光线可以在宇宙中几乎畅通无阻地无限传播】。从本文的上述论证可以看出,其中所谓“电离使宇宙对光子而言变得完全透明”是毫无理论根据的;如果改成“对光的电磁波而言”,那么“变得完全透明”就是合情合理的事了。


3.6  对没有质量的光子却能传输能量的质疑

美国著名物理学家(宇宙大爆炸理论的提出者)乔治•伽莫夫在《从一到无穷大》一书中认为:光子从太阳中心到达表面要经历约5000年;也有人认为要经历100万年。不管怎样,光子的最大速度也仅为22m/s左右,不到真空中光速的千万分之1。按相对论的观点,这时光子的质量也应接近为零;那么就无法解释它怎么能将太阳核聚变区无比巨大的热能传输到太阳表面。

4. 结语

应该指出,(4)式及(5)式是一种简单的代数公式,凡具有高中以上数理知识的读者,对其物理意义都很容易理解,也很容易将它推导出来;其它质疑也不涉及深奥的理论和知识,也比较容易理解。故欢迎广大读者和学者对它进行批评和质疑。若它能经受住批评和质疑,并证明它确实能够成立,则“光速不变性”的机理就可获得圆满解释。那么,相对论用质量及时空都随速度而改的假设来解释“光速不变性”就完全失去了意义,从而可摧毁相对论得以建立的理论根基,使之成为空中楼阁而不攻自破。

参考文献

[1]  刘世良,对爱因斯坦《狭义相对论》的质疑,豆丁网,2012-04-02

[2]  马海飞,对“光是粒子”的质疑, http://blog.sina.com.cn/gfis 2011721

[3]  oid467477光子质量360百科,最近更新:2016-02-29

[4]  黄鹏辉,应用普朗克公式计算宇宙背景辐射的光子数密度,道客巴巴,2012-05-03

 

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