求是与科学（二十）

刘文旺

原理、定理与定律（二）

 

烂根之树不再有春天！

 

     爱因斯坦得以建立狭义相对论的光速不变原理就是一个错误的原理，它直接导致了错误的相对论的诞生。我分简单分析如下：

一、光速不变现象

对于光的本性，牛顿认为光是一种粒子，惠更斯认为光是一种波。而波的传播是需要介质的。对此，惠更斯认为，传播光波的媒介物质就是笛卡尔认为的以太。由于光可在我们认为的真空中传播。因此，这种以太物质应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的传播光的媒介中。

 

哲学家、物理学家笛卡尔

1881年，迈克尔逊利用光的干涉实验，来测量地球的运动是否会拖曳地球周围的“以太”。

他的器材是两个互相垂直的真空管，实验时让其中一个与地球的运动方向平行，另一个则与地球的运动方向垂直。若地球的运动真的拖曳了地球周围的“以太”，则会使得沿两个方向传播光的速度发生变化，这样到达屏上的光就会发生变化，使叠加在一起的两束光叠加出现明暗相间的干涉条纹。之后，再把两个真空管旋转90⁰，观察旋转前后干涉条纹的变化就能得出地球的自转，是否拖曳了地球环境中的“以太”。

                                                                         迈克耳逊

结果显示，在实验误差范围内地球的自转完全拖曳了地球环境中的“以太”。后来，迈克尔逊又联合莫雷在改进了的实验仪器后，实验精度达到了2.5×10^-10。于1887年重复了上述实验，结果还是一样。这实际上证明了光速具有某种不变性，即真空中光速与观察者（参照系）的相对运动无关。

此后，这一实验为众多的实验物理学家所亲睐，不断有人介入进来。他们选择了在不同的介质中进行实验（因为无法抽成绝对的真空，因此，人们认为可能与介质本身有关）。结果显示，不同的介质确实拥有不同的结果。

但是，菲索实验表明，运动的介质只能部分拖曳以太。还有，光行差现象的存在，又鲜明地说明光速与观测者的运动有关。这些矛盾如何解释？

荷兰物理学家洛仑兹，通过数学推演得出一系列的变化公式——洛仑兹变换，并从中推导出运动物体会在运动方向上的收缩，收缩系数与物体的运动速度有关，该系数是1/[1-（v/c）²]^1/2、时间也会发生同样的变化。而至于为什么会有这样的空间收缩与时间的变化，没有给出物理解释。尤其是，这一运动物体长度的收缩与物体的材料的硬度等没有关系。

这实在令人费解。

一般认为，爱因斯坦的狭义相对论给出了新的时空观，从而解释了光速不变现象。其实，正相反，爱因斯坦是在光速不变的前提下创建了狭义相对论，他根本也没有也不可能解释光速不变现象。下面我们给出解释。

必须指出的是，在M-M实验的真空管中并不是绝对的真空，而是不同程度地充斥着介质。前边，不同科学家用不同介质得到不同的结果证明了这一点。

那么光子在穿过介质时，为什么会发生运动速度的变化那？

这是因为，光子在穿过介质时，会与组成介质的原子或分子上的轨道电子发生相互作用，从而产生运动速度的变化。介质的折射率与光子的角频率ω及电子的振荡角频率ω₀的关系是：

n²=1+4πNe²/m（ω₀²-ω²-iγω），

其中，N是介质单位体积内的原子数，当N=0时就是真空，所以n=1、m为电子质量、ω为光子震荡角频率、ω₀是电子震荡角频率，γ为阻尼衰减系数、i是复数单位。从这里我们可以看出，同样的入射光子ω不变，当电子的能量发生变化时，ω₀的变化会导致折射率的变化。

     双折射现象就是光子与晶体不同方向的轨道电子发生相互作用，

不同方向的轨道电子拥有不同的能量，从而产生不同的折射率。

在介质中，不同的组成原子或分子之间会发生相互作用。每个单元的自由程很短只有埃的数量级。因此，彼此间发生极其频繁的碰撞，由于原子核位于内部，因此，这种碰撞发生在轨道电子之间。因此，各单元因碰撞而发生运动速度、动量、能量的变化，是以轨道电子能量的变化为前提的。因此，轨道电子能量的变化与相应的原子、分子的运动状态一一对应。

这样，决定光速的电子震荡角频率ω₀，就与介质中原子或分子的运动状态一一对应。

当ω≥ω₀时会出现光子的吸收现象，这不是我们要讨论的问题。我们只讨论ω˂ω₀时的情况。

二、介质的两种状态

     对于液体或气体介质明显存在两种状态：

1、介质在容器中做定向运动，这时介质原子或分子没有处于热力学平衡态。

2、介质处于无外力场，而且被封闭在容器中，容器处于静止状态或整体做匀速直线运动，这时介质原子或分子经历一段弛豫时间后，会进入热力学平衡态。

固体中晶格的振动也具有类似的过程。

三、菲索实验与多普勒效应的本质。

菲索实验表明：沿介质运动的方向光速增加；沿介质运动的反方向光速减小，如下图所示。

 

1、理论分析：

介质在容器中做匀速运动，是热运动与定向运动的叠加。从整体上看，在外力作用下的流动，使介质原子或分子沿外力方向加速，碰撞前面的原子或分子使其加速。

这样，沿介质运动方向原子或分子速度较大、能量较高，反方向速度较小能量较低；从微观上看，轨道电子会环绕原子核做椭圆运动——如下图所示。沿介质运动方向，虽然原子核的力场拖曳电子使其能量减小，但向前的碰撞加速仍使其总ω₀增大，代入上式则折射率减小，光速增加。此时辐射光子频率略大于介质静止时的频率，这就产生了多普勒效应的紫移现象；沿介质运动的反方向，原子核力场反向拖曳电子使其能量减小，且向后的碰撞减速使其总ω₀进一步减小，代入上边的折射率公式，从而得出折射率增加，光速减小。此时，辐射光子频率略小于介质静止时的频率，这就产生了多普勒效应的红移现象。

                                            菲索

对于非中性的介质、固体中的晶格上的原子或分子情况是类似的。

同热致加宽、场致加宽一样，都是轨道电子做椭圆运动，偏离了量子化能量的结果，是实在的物理过程造成的。

 

这就是光子的多普勒效应的本质、及菲索实验产生的原因。在这里我们实现了多普勒效应与介质中光速的变化，两种现象的统一。

其实，热致加宽就是处于热力学平衡态时，各向同性的多普勒效应的叠加。这体现在液体、气体随温度的增加，热致加宽现象增强，而晶体的热致加宽现象相对较弱上，后者的晶格振动能量变化范围较小。

一个鲜明的例子是：由量子力学的知识可知，原子或分子中轨道电子的动能是其电磁势能的一半，因此，在发生能级跃迁时，轨道电子吸收的光子能量，等于其拥有的动能，这是由量子化的稳定轨道理论所要求的。实验发现，在外在光子的能量略小于原子或分子发生能级跃迁所需要的能量时，轨道电子倾向于吸收与原子或分子运动方向相反的光子（实验中，外在的光子沿相反方向射入介质中），而很少吸收与原子或分子同向运动的光子。这体现了，运动的原子或分子中的轨道电子在做椭圆运动，沿原子或分子运动的方向，轨道电子能量较大；沿原子或分子运动的反方向，轨道电子能量较小。这就证明了上面关于菲索实验中光速的变化、多普勒效应解释的正确性。

我们也因此解释了为什么介质的折射率与温度有关：同一种介质，不同温度下（可能处于不同的固、液、气状态）与光子发生相互作用的轨道电子的能量不同，ω₀不同，所以折射率不同。当然，这一事实的存在，反过来也证明了上述观点的正确性。

2、实验验证：

在有外力场存在时，介质分子或原子的轨道电子的能量也会发生同样的变化：光谱拥有不同的数值，这就是场致加宽现象。需要补充的是，我认为也会同时出现折射率的变化。

可做实验验证：

实验1：给介质加电场、磁场，测量其折射率、辐射频率的变化。结论应该是折射率同辐射光谱同步变化。对于加电场情况，沿电场方向，轨道电子减速折射率增加、谱线红移；沿电场反方向轨道电子加速折射率减小、谱线紫移。

若既处于匀速运动又处于力场中，则是两种情况的叠加。

四、光速不变现象

1、理论分析：

介质被封闭在容器中且没有外力场存在时，容器整体在外力作用下做匀速直线运动或处于静止状态。这时，容器中的介质在最初的加速使运动速度增加后，由于彼此间的碰撞及与容器壁的碰撞，最终会达到热力学平衡态。定向运动动能的一部分在彼此的碰撞过程中转化为体系内能、温度升高。这时介质中的各原子或分子的速度、能量、动量分布具有各向同性。因此，一方面，不同能量的原子或分子辐射的光谱不同，但与容器的运动方向无关；另一方面，由于介质原子或分子的运动具有各向同性，轨道电子的能量各向同性。因此，ω₀具有各向同性，代入上边介质中的折射率公式可以得出，介质拥有与容器的运动方向无关的折射率。

由于地球重力场较弱，我们实验室内的介质，尤其是液态或气态的，处于一种近似的热力学平衡态，因此其中的光速、光谱与地球的自转、公转运动方向无明显关系。

地球大气虽然伴随地球的自转与公转高速运动着，但彼此间的碰撞使其处于近似的热力学平衡态，光速具有近似的各向同性。也没有明显的与地球运动方向相关的多普勒效应。

当然，精确的实验会证明，由于参与地球自转运动的存在，会使沿地球自转的方向的光速略大于反方向。早在1999年，中日为了实现卫星对钟进行的实验，就证明东西方向光速不同就证明了这一点。相应地，机械波如声波的速度也会出现沿自转方向及反方向也会有所不同。可做实验证明：

实验：机械波的速度沿地球自转方向及反方向不同，但差别很小！

在M-M实验中，真空管中稀薄的气体处于热力学平衡态，所以没有明显的光速变化。

 

     M-M实验

2、实验验证：

实验2：在M-M实验中的真空管内注满任何一种介质，再测其中的光速，仍会得到光速不变现象。

其实，这时该实验器材只是一个十字形的容器，光速当然不变。我们在实验室中测量介质的折射率与地球运动无关，就已经证明了这一点。

一个鲜明的例证是，在塑料软管中流动的水，对容器壁压强减小。在大气压的作用下水管变扁。而关掉水龙头后，封闭在水管中的水不造成水管变扁。这时我们说水管中的水分子处于热力学平衡态，水分子动量沿不同方向均匀分布，没有压强的变化所以水管没有变扁。但是要知道这时它仍伴随地球的自转、公转而运动着。

压力可以实现各向同性向各向异性的转化，这体现了光子在介质中是与轨道电子发生相互耦合的。在外力的作用下，原子间的距离发生变化，因此，轨道电子的运动就会变成椭圆运动，从而使与其耦合的光子沿此单一的方向耦合产生运动方向的选择性。尤其是在双折射现象中，光子选择与两个不同方向的轨道电子发生相互作用，而拥有不同的折射率。这证明了上述关于介质中光速变化理论的正确性。

因此，关于关于光速的变化情况我们下界如下：

介质达到热平衡状态时，光速具有不变性；介质未达到热平衡状态时，光速不具有不变性。菲索实验、M-M试验、光行差现象证明了这一点。因此，不存在绝对的光速不变，光速不变原理是不成立的。

3、应用：

由黑子旋转测得的太阳自转是：赤道25天、极区33天；由多普勒效应测得的太阳自转是：赤道26天、极区37天。这主要是由于热运动的存在，使得其多普勒效应减弱了，由此计算出的自转速度减小造成的。

 

太阳黑子（图片来自百度）

     我们清早起来，面对清澈的荷塘投一块小石头，总能见到一个个标准的圆圈，这些圆圈的形状与地球是否自转、公转没有关系！因为这里的水分子处于一种热平衡状态。

 

水塘中的水圈图样与地球的自转无关

我们可以做一个实验：在加速流动的水里投掷一个石块，我们硬件到一个椭圆而不是一个标准的圆形。

需要说明的是，用相对论的速度叠加原理，解释菲索实验中光速的变化是不成立的，因为介质中的光速不是C而是C/n。而且，在实验室内，各种介质的折射率与地球自转方向无关。而地球自转的速度是每秒数百米，地球的公转速度是30km/s远大于菲索实验中水流动的速度，但这些介质的折射率与地球的自转无关。这一点是用狭义相对论的速度叠加原理无法解释的。

（未完待续）