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光速不变原理的哲学思考

(2006-09-15 17:47:53)
分类: 学生习作
钱 钺 
(华中科技大学机械学院,学号2005611000243)
 
摘要:令人困惑地光速不变原理至今没有确切统一地物理解释,但运用哲学中假设与推理的思维方法,兴许可以得到一种新的答案。本文即以自然辩证法为指导,通过对光本性的重新认识,以及对人、光两者间的辨证关系地阐述,提出了一种对光速不变原理新的假说与解释。
关键词:光速不变性  光的本性  光量子
 
一、问题的提出
 
  刚刚过去的2005年是联合国大会所确定的“世界物理年”,也就在整整一百年前的1905年,伟大的物理学巨匠阿尔伯特"爱因斯坦(Albert Einstein 1879-1955)在一年内接连发表了5 篇论文,彻底改变了传统的物理学,创立了狭义相对论,从此彻底推翻了传统的绝对论概念,颠覆了几个世纪以来关于自然科学公认的理论,为以后的物理学研究的诸多科学技术领域奠定了基础。
  就在那篇著名《论动体的电动力学》一文中,爱因斯坦首先提出了两个基本原理: (1) 相对性原理,即在任何惯性系中,自然规律都相同;(2)光速不变原理,即在任何惯性系中真空中的光速都是相同的。以当时的眼光来看,与其说是两个基本原理,倒不如说是两个假设更确切些。我们知道,也正是因为有了这两个基本假设,加上爱因斯坦本人严密的数学推导,才得到了洛伦兹变换式,并且揭示了洛伦兹变换的物理真实性,从而创立了狭义相对论。
  对狭义相对论理论,与众多工科学生一样,本人也是从本科入学后的《大学物理》中正式得到初步学习地。当时最使我感兴趣的问题就是两个假设之一的光速不变原理,而对于这个问题的困惑持续了相当长地时间。可查阅相关文献,竟也没有多少真正触及到光速不变原理实质性的物理解释,正如本科时《大学物理》任课老师所说:“对于光速不变原理,科学界至今尚未有统一地解释与确定地答案”。故对于这个问题,老师也是一带而过,几乎没做任何解释,正如多数文献那样,将其作为一个基本的原理加以应用。
  无论怎样,我一直都还是没能够找到一个令自己满意地解释来说明光速不变原理的实质,这个问题一直以来也被当作谜团被搁置起来。随着见识的增长,以及对哲学相关理论方面地探求,本人逐渐认识到以哲学地方式来回答这个问题也许再好不过。后来经过与善于哲学思维的父亲进行探讨,这个问题的解答也逐渐明朗化,尽管观点尚待进一步商権,但至少它代表了一种哲学上的思维方法。而对于这个问题的哲学思考也正好反映了哲学对自然科学的指导作用。
 
二、光本质的再认识
 
  要解答这个问题,首先我们得如庄子所言“循其本”,那么先让我们再认真回顾一番光的本质及其属性。这里需要说明的是,人类对于光的本性的认识也是不断发展不断深化地过程,而在这里提到的光的本性主要是以爱因斯坦为代表的一批科学家体所提出的光的量子属性。
  现在我们知道,历史上对于光本性问题的争论主要集中在光的波动性与粒子性上,对于各个不同的历史时期,两种观点各自都引领过潮流。而第一个肯定光既有波动性又有微粒性的也正是爱因斯坦。
  1905年,爱因斯坦在普朗克的能量量子化假说的基础上大胆地提出光量子假说。他认为,能量子概念不只是在光波的发射和吸收时才有意义,光波本身就是由一个个不连续的、不可分割的能量量子所组成的。进一步地,利用普朗克的能量量子化公式,爱因斯坦还给出了光子的能量和动量表达式,即E=hv及P=hσ,式中h是普朗克恒量,v和σ依次是单位时间内的振动次数和单位长度上的波数。利用这一光量子假说,爱因斯坦成功地解释了经典电磁场理论无法解释的光电效应等实验现象。与此同时,实验物理学家也相对独立地提出了同样的看法。
  光量子假说是一个如此反传统的假说,以至于在爱因斯坦提出之后几乎没有人相信它,量子理论的另两位奠基人普朗克和玻尔都拒绝接受光量子概念。可之后的大量试验却越来越多地证实了光量子理论的正确性,以致后来在此基础上才促使了量子力学理论的诞生。
  光的波粒二象性的发现也许是爱因斯坦对量子理论所做出的最大贡献,它首次揭示了光的量子特性,即光不仅具有波动性,同时也具有粒子性。
  以上对于光的本质属性简单说来,可以概括为:光实际上就是由大量极微小地一个个光量子组成的高速运动的粒子流,同时也是一种能量流。当这样的粒子流射入我们人类的眼睛,我们就可以通过自身的一套复杂感觉系统来感知外面的世界,人眼睛所看到的一切景象均是光线射入人眼后在大脑内经过复杂处理后所形成的。
  于是,我个人认为,光在人类最质朴最简单地看来就是“亮”。正因为人类看到了亮才赋予了它以“光” 这个名称,而同样也正是因为有了光的存在,人类才能感觉到“亮”。这也就是人这个主体与光这个客体之间的辨证关系。
 
三、解决问题的所在
 
  通过以上对光的本性的探讨以及所得出的通俗化的结论,我们可以知道,“光” 这种概念实际上已经是非常的“人化”的了,也就是说人类经过亿万年的进化,个体上产生出了一整套可以感知外界事物存在的复杂的接收系统,包括眼睛、视网膜、感光细胞、视觉神经等一系列生理组织。所有的这一切生理结构使得人类可以透过眼睛看到外面的世界是个什么模样,也是因为有了这样的生理构造,我们才感知到了光的存在。
  单就光的波动性而言,我们知道光实际上就是一种电磁波。我们所接触和使用的电磁波,范围十分广泛,其波长从数千米到1010厘米甚至更短。在7.6×1044×104厘米的波长范围内的电磁波就是可见光。
  由电磁波的分类可以看出,光在整个电磁波谱系中只占据极窄的一段。除了可见光外,其他电磁波皆不能为人眼所直接感知。
  从这我们应该看得出,光这个概念本身就是人类根据自身的生理条件和感知能力而创造的一个非常主观化的概念。最狭义地对光的理解应该就是:能够进入眼睛并被人眼所感知到的电磁波即是光。
  这时便可以进入正题讨论光速不变原理之所以合理的原因了。
  设想有如下的场景:身边有一道光束经过,人相对地球静止,即一般地以地球为惯性系,那么这时的光束是以每秒30万公里的速度向前运动,这是人们对光速的初始定义。而这是如果你同样以每秒30万公里的速度追随这道光束的运动,那么按常理思维,我就应当看到这样的一条光线就好像一个在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是按照光速不变原理进行推断,我身边的那条光当仍然是以每秒30万公里的速度从身边经过。而此结论也正是我一直无法真正能够理解光速不变原理的基本问题所在,这样的结论听上去是多么令人费解啊!可按该原理就应该顺理成章得出这样的结论,不是吗?
  不过现在我们得看看问题出在哪里了,个人认为应该就在于前面提过的光这个概念的原始定义。前面对光下了一个最狭隘地定义,而对此光速不变原理,我斗胆用此狭义的定义来重新分析一下上面的问题。不妨继续做个大胆假设:依然是如果我能够以每秒30万公里的速度追随这道光束,那么按常理来说,这道光我应该看不见了,因为它相对我已经静止,这道光没有任何粒子能够进入我的眼睛被我感知,这个时候我应该断言这道“光” 已经不再是以前所谓的光了。好的,既然它已经不再是光了,我们暂且就把它与其他那些同样无法通过肉眼感知到的电磁波一样看待。既然这样,这时来好好审视一下我们的状态,是否这时的我们就应该是眼前一片黑暗?因为按常理是没有光量子进入眼睛的,可真的答案就这么简单吗?
  对这个问题我个人认为,此时我同样是可以看到光的,但此光非彼光也。刚才我们已经假设了,先前的那道光由于我以光速在运动,已经消失了,因为它不能被我们感知了。可我们忽略了一个问题,既然有消失的光,难道就不能有新产生出来的光吗?我的假设的是,当然可以!而此时新产生出来的光,相对于我们的速度同样是30万公里每秒!这也就是我认为的光速不变原理的合理性所在。
  在我看来,在以地球为惯性系的范围内来看待光现象是我们以前一直以来所采取的讨论方式,可是如果你以光速运动,讨论问题就必须得超越原来的那个惯性系,因为光现象是一种目前所有讨论过的物质里面最特殊的一种,不能以与以前同样的方式来看待,否则就肯定无法理解光速不变原理,更不用说狭义相对论了。这样以人自身的运动为惯性系,在该惯性系内,我认为肯定会有物质通过自身辐射发出,或者通过反射发出,速度为常数c的光线,而正是它进入眼睛从而我能够感知到光的存在。
  这样一来,问题似乎就变得很好理解了,因为不断地有光在消失,但同时又不断地有光被激发出来,不论怎样总是可以持续地有光量子进入我们的眼睛,我们主观上仍然可以认为光速是不变地!因为对于人类来说,每秒30万公里的可以被人眼感知的那一波段电磁波就是光。至于哪部分光消失了,哪部分光产生了我们并不关心,并且我们也无法凭自身感知出来,因而对我们来说光都是一样的,其速度就是每秒30万公里!如果它不是这个速度的话,以人类的眼光来看,它就不是光了,是另外一种电磁波。所以光速是不变地以每秒30万公里的速度运动,这正是光之所以成为光的本质属性之一。
 
四、结论
 
  此时,所有的问题仿佛都变得不那么重要,而一直困扰我们的恰恰是我们自己对自己的束缚,因为我们总跳不出自己给自己设定的框框或者说是经验所带来地思维定势。
  在此有必要给光重新下一番个人认为更准确地定义:光乃是一种以其特有速度为存在形式的物质(或能量),其速度与发光体的发光机制无关,与发光体的运动状态无关,也与观测者的存在形式无关。”光必须以光速运动,否则就不再是光。而以前大家所了解到的“光速不变”表述用语,乃是一种通俗的、不够严谨的说法。
  至此,我们似乎已经可以在哲学的思维层面上大致理解光速不变原理的合理性所在,因为光速不变乃是光之所以为光的本质要求与前提之一。当然这也仅我的个人观点,对于其他更具体地细节问题,在此则不做更深入地讨论,但我相信总有一天真相会大白于天下。
  以上论述,所采取的思维方法均是受到哲学理论指导与思考后得到的一点小启发,所得出的结论在物理事实上的正确与否先暂且不去管它,但至少它算是目前能够让我信服的哲学层面的解释。
 
参考文献:
[1] 刘佑昌. 狭义相对论百年风雨. 物理与工程. 2005
[2] 郭中华. 初探现代光学对光本性的研究. 甘肃科技纵横. 2005.5
[3] 陈兴旺. 对相对论时空观的几点认识. 池州师专学报. 2005.10
[4] 成良斌等. 自然辩证法证讲义. 华中科技大学内部讲义. 2005.9

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