“时间”与“速度”之间的概念混淆是导致光速不变原理混乱的根源

马海飞

(http://blog.sina.com.cn/gfis 2011年6月26日)

光速到底是“变”还是“不变”？这是物理学的一个重大而基本的问题。现代物理学是以爱因斯坦的相对论和量子力学为基础建立起来的。而相对论的基础又是建立在“光速不变原理”基础之上的。可是，这个如此基础的问题到现在还仍然存在争议。在这么基础的问题还没有得到彻底解决之前就把建立在它基础上的理论作为一个正确的科学理论对待是危险而且也是不负责任的。

众所周知，光速不变的最主要的实验证据是“光速不可叠加”。然而，“速度不可叠加”却因为不符合常识而最难以让人理解和接受。虽然物理学家对这个现象有所解释，但是看完他们的解释之后还是无法明白到底为什么光速不能叠加。经过数年的探索之后我发现，问题并不是出在物理学和物理实验与观察本身上，而是出在概念的混淆上。人们把“时间”与“速度”的概念混淆在一起才出现了一个“光速不变”的“定论”。

看一个理论是否有科学意义的第一件事情是，首先要看它在哲学上是否存在问题。任何一个存在哲学问题的理论都不可能成为正确的科学理论。混淆概念是哲学诡辩术中最常见的伎俩。可是，在科学理论中是绝对不允许混淆概念的事情发生的。然而，在“光速不变原理”中就存在着严重的概念混淆问题。下面让我们来看一看在这个原理中时间概念与速度概念是如何混淆的。

在研究速度叠加的时候，涉及到的三个物理量是“速度”、“时间”和“距离”。我们通常所说的（质点间的）速度叠加可以用以下例子来解释：

一辆从地点A向地点B匀速直线行驶的汽车，车速为50公里每小时。从车上射出一个球来，速度是10公里每小时。球的飞行方向与汽车的运行方向一致。从地面上所测得的球速是车速与球速的叠加值：50+10=60公里每小时。这可以用数学公式来表示：V=v₁+v₂。其中v₁是车速，v₂是球速，V是二者的叠加速度。这种叠加不存在任何问题。

下面我们再来看看光速不可叠加的例子：

一个人乘坐宇宙飞船从太空中的A点飞向B点。假设飞船的飞行速度是1万公里每秒。他从宇宙飞船上用闪光灯与B点联系。我们知道，光的静止传播速度是30万公里每秒。如果飞船速度与光速按照上述例子中质点速度同样的叠加方式计算的话，那么，在B点所测量到的光速应该是：30+1=31万公里每秒。可是，根据实验观测结果所得出的结论是，在B点所测量到的光速依然是30万公里每秒，而不是31万公里每秒。而且无论飞船的飞行速度是多少，最后测量到的光速永远都是30万公里每秒。这就是说光速与飞船的速度不能以上述质点速度同样的方式叠加。但是，这种不可叠加的结论存在很大的问题。

从上述光速不可叠加的例子中我们可以看到一个完全不合乎数学逻辑的地方。既然是速度，就一定可以用公式表示出来。如果光速c不变，永远都是30万公里每秒的话，那么，用公式来表示的话就应该是： v+c=c ，或v+300,000km/s =300,000km/s。其中v是飞船的速度，c是光速。这就是说：30万加上任何一个非零的实数所得到的结果仍然还是30万。这在数学上就根本讲不通。但是，可能是因为人们出于对相对论或爱因斯坦本人的迷信，于是就用他们的成见把这个“不可能”硬说成“事实就是如此”，并切加上了一些神秘的、让人无法理解的“皇帝新衣式的解释”来让人接受。

科学是客观和中立的，“可能”就是“可能”，“不可能”就是“不可能”。在科学上，不可能的事情不是通过迷信就能够让它成为可能的。那么问题出在那里呢？问题就出在“时间”与“速度”的概念混淆上。我们在测量速度的时候实际上测量的并不是“速度”，而是“时间”。速度的定义是“单位时间内通过的距离”。在测量一个物体的运动速度v时，首先有一个距离d，然后测量物体通过这段距离所用的时间s。得到的结果就是速度：v=d/s。速度是用这个距离与时间的比值计算出来的，而不是直接测量出来的。

准确测算速度的前提是在测量的过程中速度不能发生变化。为了达到这个目的，必须具备的条件是：在测量速度的距离范围内物体的运动速度和方向必须保持不变。所以，距离越短，速度变化的机会越小，测量到的“实际速度”越准确。距离太大，测量到的速度就可能不是实际速度而是“平均速度”了。因为距离越长，速度在测量期间发生变化的可能性越大。“平均速度”与“实际速度”不是同一个概念。所以，我们所最后测量到的速度实际上都是“平均速度”，但它可能等于 “实际速度”，但也可能不等于 “实际速度”。这就是说，最后观测到的速度与实际速度并非永远一致。

在探讨光速与飞船（物体）运动速度是否可以叠加的时候，采用的距离不可能象测量车速与球速的时候那样小，而是在天体距离的尺寸上来观测的。在这么大的距离中，光的速度发生变化完全是有可能的。所以，人们所观察到的光速并不是光线在穿越这个空间距离的每一点上的实际速度，而是光线从光源到观测者之间的平均速度。这个平均速度是用光线穿越的这段空间距离和所用掉的时间计算出来的。所以，人们在观测过程中并没有测量光线在每一阶段过程中的实际速度是多少。最后测量到的实际结果是从光源到观测者之间的“距离”和光线穿越这段距离所用的“时间”。用一个不可能但是可以说明问题的例子来解释。假设在一个30万公里的空间距离上，光线通过最初的15万公里的实际速度是35万公里每秒，在剩下的15万公里中的速度是25万公里每秒，但是，观察者的观察结果是：光线经过这30万公里距离所花费的时间是1秒钟。于是就得到了“光速为30万公里每秒”这个结论。这个“光速”显然是“观察得到的光速”而不是“实际光速”。就“观察得到的光速”而言，在光源静止的情况下，观测的结果是如此，在光源运动的情况下是如此，在观测者运动的情况下也是如此，甚至在观察者与光源同时运动的情况下也是如此。但是，无论是在什么情况下，人们“直接观测到的”都是“时间”，而不是“速度”。也就是说，“光速不变原理”的说法应该改成“时间不变原理”才算准确。这个原理所表示的是：在同一环境条件下，无论光源和观察者处于什么样的运动状态，光线通过相同距离所需要的时间总也不变。

显然，“光速不变原理”混淆了速度与时间的概念。在光传播的过程中，不变的是时间而不是光速。与光速不变原理所描述的情况恰恰相反，“实际光速”不但是可以变化的，而且只有实际光速的变化才能够达到观测时间不变的结果。事实上，光速也是可以叠加的。只不过叠加的方式与质点速度的叠加不同。光速与光源运动速度的叠加计算公式是：v+v_c=c。它的实际意思是：光源的运动速度v与实际光速v_c之和永远等于静止光速c。实际光速的计算公式为：v_c=c –v。也就是说，在光源运动方向上的实际光速等于静止光速减去光源的运动速度。光源运动速度越大，实际光速越小。同样道理，在光源运动相反方向上的实际光速等于静止光速加上光源运动速度：v_c=c +v。这个原理也同样适用于观察者运动的情况下。只有这样，才能够让观察者测量到的光传播时间在任何情况下都不变。

那么，产生“时间不变原理”的物理机制是什么呢？上面讲过，光速叠加与质点速度叠加的原理不同。这是因为它们之间的物理机制不同的缘故。所以，不能直接套用质点速度叠加的思维模式来理解光速的叠加。如果我们把上面例子中的“汽车和宇宙飞船的速度”叫做“载体速度”，把“球速”叫做“质点速度”，把“光的实际速度”叫做“光速”，那么，质点速度的叠加结果是由载体与质点二者的运动速度之和决定的。而光速的叠加过程却不同。它的叠加“结果”是事先就决定好了的。实际光速的大小则随着载体运动速度的大小而变化，随时保持二者的叠加速度不变，等于静止光速。为什么会这样呢？质量场的发现给了我们一个清楚的答案。

光速叠加的现象让人想到了作用力加速度a与重力加速度g之间的不同。作用力加速度是因为物体受外力作用之后产生出来的，而重力加速度是由质量场的密度决定的。所以，作用力可以改变作用力加速度，却改变不了重力加速度。只有改变质量场密度才能改变重力加速度。在“光速叠加”的现象中存在同样的原理。在光源静止条件下，光的实际速度c与重力加速度一样是由载体外的质量场密度决定的。只要改变这个质量场的密度就会改变光的实际传播速度。

质量场实际上是光线传播的介质。光线在不同的质量场密度条件下的传播速度不同。因此会出现重力红移、光线弯折和重力透镜的现象、以及引力时间延迟效应等。也因此而使得光线传播的“时间不变原理”和计算公式v_c=c–v成立。时间不变原理的物理机制非常简单。光源自身是有质量的物体，所以它具有一个以质心为中心的球形质量场包围在光源的外面。光线传播时必须穿越质量场密度层。静止状态下，光线的传播速度是由质量场密度决定的。密度越大，光的传播速度越慢，相反则越快。在光源处于运动状态时，质量场的密度层会出现类似多普勒漂移的效应而导致运动前方的质量场密度层压缩，后方的密度层伸展（象弹簧一样）。光在穿越密度层压缩后的质量场时的速度就会相应减小，经过密度减小后的质量场时的速度就会相应增加（穿越质量场密度层的数目不变）。正是这种质量场密度结构在运动过程中的变化调节了光的实际传播速度。因此让它无论是在光源和观察者处于什么运动状态的情况下都能够以同样的时间从光源到达观察者。也就是让载体的速度与实际光速之和永远保持在静止光速的水平上。“光速不变原理”则把这种“到达时间总也不变”的现象错误地理解成了“速度不变”。这就是在“光速不变原理”导致混乱产生的根源所在。

我相信，制造和传播“光速不变原理”的人并非是有意地混淆“时间”与“光速”的概念。尽管如此，这种行为在严谨的科学研究中是应该避免的。而且也应该是可以避免的。产生这种“概念混淆”的主要原因可能有以下几点：

1）物理学家们没有认真地做好物理学作业。没有认真对待“速度是计算出来的，而时间和距离才是测量出来的”这个简单事实。因此在基本的“时间”概念与“速度”概念上产生了混淆。

2）没有从物理机制上去认识“质点运动”与“光传播”之间的本质不同。只是因为在表面上二者都可以用“速度”来量化它们的运动和传播过程，于是就把它们的速度问题轻易地等同了起来，用质点速度叠加的思维模式去对待本质不同的光速叠加问题。

3）忽视了数学在解决科学问题上的重要作用。在光速不变原理中存在着“1＋1=1”这样一个完全不符合数学逻辑的简单问题，可是，一向崇拜数学的物理学家却对这个关键的简单数学问题没有产生重视。可谓是“阴沟里翻船”。

4）由于迷信而形成的“成见”，阻碍了后人去认真地思考光速不变原理中存在的明显问题。迷信使得人们盲目地去相信前人的结论。

可见，一向号称“最为科学的”物理学在它的基础问题研究上也有马虎的时候。一个学科在它的细枝末节上无论多么地严谨，而在基础问题上却马马虎虎，这样的严谨又有什么意义呢？这是一个值得深思的哲学问题。

理解了光速不变原理中的错误，知道了在光传播的过程中实际上不变的是“时间”而不是“光速”之后，有关相对论中的“时间膨胀”之类的问题就迎刃而解了。因为相对论的基础是“光速不变原理”，把“不变的时间”与“可变的光速”颠倒了过来，于是就得出了“时间可变”的荒谬结论。

显然，“光速不变原理”是建立在错误的概念基础之上形成的。“混淆概念”在哲学的诡辩术中是一种很有效的方法。它可以很容易地让人相信那些与事实不相符的观点。这一点也同样表现在“光速不变原理”上。“时间”概念与“速度”概念之间的混淆，让“光速不变原理”成功地迷惑了科学主流百年之久。但是，在科学理论中，存在“混淆概念”这种状况本身就说明这个理论从一开始在哲学的大方向上就是错误的。一个根基和大方向就是错误的理论根本就不可能成为一个真正的科学理论。所以，在“光速不变原理”基础上建立起来的所有理论的科学性都是值得怀疑的。现在物理学界到了有必要对现代物理学所有理论的科学意义重新做出慎重评价的时刻。

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