光速与多普勒效应本质

              ——卢鹤绂论坛

刘文旺

摘要：本文给出了光速不变的诠释、多普勒效应的本质。

关键词：光速不变、多普勒效应、黑体辐射

一、介质中的光速分析

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。

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。

二、介质的两种状态

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。

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。

我们知道，在普朗克的黑体辐射公式产生之前，很多人研究了黑体辐射问题。维恩从热力学普遍原理结合实验数据，推出了半经验公式：

E_νdν=c₁ν³exp[-c₂ν/T]dν

这个公式在短波长的范围内，能较好地描述试验曲线，但是在长波长的范围内不适用。

     瑞利金斯根据经典电动力学和统计物理学的知识的推出一个相反的公式：

E_νdν=8πkTν²dν/c³

这个公式在长波长的范围内，能较好地描述试验曲线，但是在短波长的范围内不适用，出现了辐射能量趋于无穷大的发散现象。这被人们戏称为黑体辐射的紫外灾难。后来，普朗克用内插法发现了普朗克公式：

ρ（νT）=(8πhν³)/c³[1/e^hν/kt-1]

黑体辐射的问题才得到了解决。这一公式中，最为重要的概念就是，提出了光子能量量子化的概念，最终催生了量子力学的诞生。

但这个问题与相对论不相容，我们分析如下：

对于任何一个黑体而言，它拥有的能量应该是确定的，不会也不可能是无穷大的数值。但是，现有一个观测者相对于它处于运动状态。按现有的多普勒效应则，一方面，其辐射的频率会向高频的紫端移动。从而，由维恩位移定律：λ_maxT=2.898×10^-3mK可知，此时它的温度会在增加，另一方面，由斯特藩-玻耳兹曼定律J=σT⁴可知，其辐射的能量会无端增加。因此，不同的运动速度，会得到不同的辐射能量；当观测者以极高的速度运动时，其辐射的能量又会出现发散现象——新紫外灾难。

这一问题怎么解决？

实际上，这体现了相对论的多普勒效应的错误。

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。

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。

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。

因此，关于关于光速的变化情况我们小结如下：

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，在此基础上建立起来的狭义相对论就错误的。而正是把狭义相对论中的钟慢尺缩应用于有质量存在的空间，才产生了时空弯曲，因此而诞生了广义相对论。这样，从光速不变推出的相对论是一个错误链。

   科学家一再发现爱因斯坦本人都不承认的引力波，这不仅仅是智商问题，做科学要讲究一点实事求是。

主要参考书：李宗伟、肖兴华 《天体物理学》 高等教育出版社 200年7月；梁绍荣、王雪君 《电动力学》 北京师范大学出版社；母国光、战元龄 《光学》 高等教育出版社1978年9月第一版；