走进后相对论时代（一百零八）

    刘文旺

一、真空

真空是指气压低于一个大气压的空间。

确切地说，真空是指低于大气压力的气体的给定空间，空间中气体分子数大约少于两千五百亿亿个。真空并非没有物质存在。用现代抽气方法获得的最低压力，每立方厘米的空间里仍然会有数百个分子存在。在我们目前的真空器材中至少含有含有克级的气体。

按气体压强大小的不同，通常把真空范围划分为：低真空1×10⁵ -1×10²Pa，中真空1×10²-1×10^-1Pa，高真空1×10^-1-1×10^-5Pa，超高真空1×10^-5-1×10^-9 Pa，极高真空1×10^-9Pa以下。见下表：

我们都知道，M-M实验是在真空中做的，菲索实验则是在水中做的。从而在我们的头脑中就产生了，真空中光速不变的概念。从上面的分析可知，在我们的实验环境中并不存在真空。

现有理论一般认为，迈克尔逊－莫雷实验，是1881年迈克尔逊和莫雷在德国做的，用迈克尔逊干涉仪测量两个垂直方向光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，从而确定了光速不变原理，进而动摇了经典物理学基础。该实验在物理学发展史上占有十分重要的地位。其实在此之前，迈克尔逊自己就做过该实验。我们想一想，那时的真空技术还很落后。根本就不可能空无一物的真空。

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。

这充分说明，我们熟知的M-M实验并没有测出真空中的光速与地球的运动无关。我们根本就不能通过该实验，得出真空中光波相对于任何观测者拥有不变的速度。

二、介质的两种状态

下面我给出解释。

在下面的分析中，我们给出了光速不变的诠释，而且实现了M-M实验、菲索实验及光的多普勒效应三种现象的统一。

我们知道，法国物理学家菲涅耳把以太作为光的传播媒介，于1817年得出光在运动的介质中的传播速度：

u=(c/n)+ （1-1/ n²）vcosθ

其中，θ为光传播方向与物质运动方向的夹角。

后来，洛伦兹从入射电磁波引起介质极化出发没也得出了，与菲涅耳完全相同的运动介质中的光速公式。

菲涅耳公式能解释运动介质中的光速问题，能很好地解释菲索实验结果。

而在用爱因斯坦狭义相对论的速度叠加原理u=(u-v)/(1-vu/c²)解释菲索实验中，没有考虑光子与介质的相互作用，这是不可能的。理由很简单，应用电磁理论，通过光子与轨道电子的相互作用人们解释了介质的折射率的产生原因——光子与原子的轨道电子相互作用产生的。若同时考虑介质原子的轨道电子与光子的相互作用，在考虑相对论的速度叠加就不能解释菲索实验。

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。

     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。

四、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。

多普勒效应是奥地利数学家、物理学家多普勒法发现的。

静止时                               有相对运动时

观察者和发射源的频率关系为：

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。

（未完待续）