如何解释相对论的光速不变原理？

为什么从来没有被任何实验证明过的爱因斯坦

有怀疑的精神是好的但是还是要把问题搞清楚才好 迈克尔逊-莫雷实验不是来证明光速不变的，而是拯救以太的实验，试图证明以太的存在，爱因斯坦是根据迈克尔逊-莫雷实验提出光速不变的 详细如下： 第五章 迈克尔逊-莫雷实验和狭义相对论 这里的几个问题通常是最容易引起混乱的问题，通常人们总是认为迈克尔逊－莫雷实验证明了光速不变。 事实远非如此。因此，在这里，我将对这个问题作一比较详细的说明。 （一）迈克尔逊－莫雷实验：拯救以太的实验 1900年前后,人们并不知道光是怎样传播的,与声音的传播相比较,受到声音为空气传播的启发,当时提出了以太传播光的假说[1]。 以太是当时一个影响非常大的理论,可能比...全部

  有怀疑的精神是好的但是还是要把问题搞清楚才好 迈克尔逊-莫雷实验不是来证明光速不变的，而是拯救以太的实验，试图证明以太的存在，爱因斯坦是根据迈克尔逊-莫雷实验提出光速不变的 详细如下： 第五章 迈克尔逊-莫雷实验和狭义相对论 这里的几个问题通常是最容易引起混乱的问题，通常人们总是认为迈克尔逊－莫雷实验证明了光速不变。
  事实远非如此。因此，在这里，我将对这个问题作一比较详细的说明。 （一）迈克尔逊－莫雷实验：拯救以太的实验 1900年前后,人们并不知道光是怎样传播的,与声音的传播相比较,受到声音为空气传播的启发,当时提出了以太传播光的假说[1]。
   以太是当时一个影响非常大的理论,可能比现在的狭义相对论的影响还要太,因为当时所有的东西都用以太来解释。有一位叫的人写了一本《以太力学》，用来解释所有的自然现象[2]。但以太并没有观察到。为了观察到以太，便提出了一种设想,认为地球的运动会影响以太的运动,以太的运动又会影响到光速,这样,就设计了迈克尔逊-莫雷实验,其目的是想通过光速的变化来确知以太是否存在[3]。
  但实验并没有发现所设想的光速的变化,其结论就应该是以太不存在,但以太在当时的影响实在太大了,该实验的否定结果没有使人认为应否定以太。为了挽救以太理论,洛伦兹等便提出了长度收缩假说[4],认为没有观察到光速的变化并不是光速真的没变,而是因为光所走的距离因以太的压缩而收缩了,即洛伦兹的长度收缩,这种收缩使光速的变化不可观察,光速还是变化了。
   （二）洛伦兹对迈克尔逊－莫雷实验的解释及其错误 为了使大家对这个问题有一个更明确的了解，我们将进一步以图解的形式作一说明。 按洛伦兹的解释[5]，迈克尔逊－莫雷实验可用在一条河里游泳的情况说明。
  如图所示： a c b d ac=ab=l,ab垂直于ac,水流沿ac的方向流动，速度为v。一个人沿ac从点a游到点c,再从点c游回点a。另一个人从点a游到点b再从点b游回点a。
  两个人的游速都为c。 第一个人所用的时间为 t=l/(c-v)+l/(c+v)=2cl/(c^2-v^2) 第二个人为了能沿ab线游一个来回，其速度的方向必定偏向水流的方向，因此，其速度为(c^2-v^2)，因此，第二个所用的时间为： t=2l/(c^2-v^2) 这样，两个人的时间差为 Dt=2(c-1)l/(c^2-v^2)=2(l/c)/(1-v^2/c^2)=2t/(1-v^2/c^2) (5。
  1) 如果光速出现了(5。1)所预期的结果即时间差,则说明以太存在。但这一结果却没有出现，为了使这一实验符合以太理论，洛伦兹（还有更早的斐兹切诺）便认为不是光速没有变化，而是因为光所走的距离ac沿运动方向缩短了一个比率(1-v^2/c^2)：恰好抵消了光速变化的结果。
   这一事实再一次说明，在科学研究中权威的影响是多么强大。明明没有观察到以太的效果，但因为这一理论的影响太大了，人们却不敢否它，而是去找出各种其他的理由来支持它。我认为，现在的很多实验对狭义相对论来说，就象当时的迈克尔逊－莫雷实验对以太理论一样：虽然实验已经否定了狭义相对论，人们却找出其他的理由来为它护。
   迈克尔逊－莫雷实验没有观察到设想的由以太传播的光速的变化，但并不就是象有些人所认为的那样，就证明了证明光速不变。这可以从洛伦兹对迈克尔逊－莫雷实验的分析可知。假如在一条以速度v运动的船上，一个人以速度c沿船运动方向运动，第二个人也以速度c沿船运动方向垂直运动，不考虑水的速度，那么，在地上的观察者到所看到的两个人的速度分别为c+v,c-v和（c^2+v^2）^(1/2)（注意，这里不是减号‘-’。
  在洛伦兹的分析中是减号‘-’。减号‘-’表示应该是两条光线不是沿垂直的，如上图所示，要垂直游到河对岸，速度的议程一定不能垂直于河岸。但迈克尔逊-莫雷实验中却是垂直的。所以，洛伦兹的分析已经偷换了概念。
  ）在船上的观察者所观察的两个人的速度则同为c。我们的问题是：在迈克尔逊－莫雷实验中所观察到的速度是船上的观察者观察到的速度呢？还是地上的观察者所观察到的速度？我个人认为，这是很清楚的，只可能是船上的观察者观察到的速度，因为我们只能在船上，即地球上,而不能到地球以外去观察这一光速。
  所以，迈克尔逊－莫雷实验中即使光速有变化，我们也是观察不到的。这样看来，认为迈克尔逊－莫雷实验证明了光速不变的人犯了一个低级错误：搞错了参考系。这只是一个中学水平的问题。（不过要注意，如果以太假说成立，情况就不一样） 迈克尔逊－莫雷实验和光速不变的有关历史说明,狭义相对论只是一些错误的堆积:第一个错误是以太理论的错误,因为要找到以太，设计了迈克尔-莫雷实验。
  第二个错误是洛伦兹对这一实验的错误解释。说它错误,不仅是因为洛伦兹的解释错误,而且主要是因为洛伦兹收缩就从来没有观察到过。第三个错误是爱因斯坦把自己的理论等同于洛伦兹的理论,显然他们是不同的:前提不同,解释不同。
  同时,我在第章"受因斯坦是一个诚实的科学家吗?"中已明确指出,受因斯坦不能正确推导出洛伦兹变换和他的空间理论来。因此,我们不得不说:狭义相对论只不过是一个历史的误会。其误会的根源是对光速的无知。
   参考文献 [1]W。G。V。Rosser,An Introduction to The Theory of Relativity, Butterworths, London, Chapter II。
   4, (1971) [2]参考文献[1] 页 [3] 参考文献[1] 页 [4]H。A。Lorentz, A。Einstein, et al。, The Principle of Relativity, Dover Publication, 1&9-18 (1923) [5]参考文献[4]p。
   第六章 关于光速的有关问题 光速不变的意思是，在真空中，光相对任何惯性系的速度都是一个物理常量，光的速度与观察者和光源的运动无关，也与光的传播方向无关。这也就是说，光速不遵守伽俐略变换，而是遵守狭义相对论的速度变换定律。
  光速也是一个极限速度，在自然界中，没有任何东西的速度会超过光速。 对一般的物体来说，如果在一部以速度v运动的汽车上以速度u沿汽车的速度的方向运动，那么，在车上的观察者观察到的该物体的速度为u，地上的一个静止的观察者观察到的该物体的速度则为u’=u+v。
  这通常称为伽俐略速度变换。如果以光代替该物体，按光速不变假说，无论是在地上的观察者，还是在车上的观察者所观察到的光的速度都是一样的，只有同一个数值c。 通常光发出的地方又称为光源，这里的光源就是运动的汽车。
  因为车上的观察者和地上的观察者所观察到的光的速度都是一样的，所以，光速不变又称作光速与光源的运动无关。 又因为不论光是沿运动光源的那一个方向发射都会使得车上的观察者和地上的观察者所观察到的光的速度都是一样的，所以，光速不变又称作光速各向同性。
   现在一般认为单向光速不变（光速与光源的运动无关、光速各向同性）是不可测的，只有回路光速才可测，并提出了回路光速不变相对论。 一般的看法是，光速不变是爱因斯坦首先提出来的。但从作者所知道的情况看，对所谓的光速不变在当时可能形成了某些一般性的看法。
  1904年Poincare就提出了光速为极限速度的想法[1]。但以科学论文的形式第一次系统提出光速不变并与物理学的一般理论结合起来的可能是爱因斯坦。在爱因斯坦的第一篇狭义相对论的论文《论动体的电动力学》中，爱因斯坦明确指出，（他的理论）”以光速不变原理为凭据”[2]，并根据洛伦兹变换推导出了狭义相对论的速度加法定律，该定律使光速成为极限速度[3]。
   但现在看来，光速不变只不过是一个假说,从来就没有证实过,狭义相对论也因此而受到了很多的攻击[4],因此,Edwards[5]在1963年提出了"单向光速不可测原理",其意思是,要测定单向光速,就要校对两地的时钟；而要校对时钟,又要以光作为信号,需要知道光速。
  两者互为前提,所以单向光速不可测。该"原理"的提出,被认为是对狭义相对论的拯救[4]。 很显然，如果光速不变成立或是已经为实验证实, "单向光速不可测原理"就不成立，也不会为相对论学家所需要。
  现在的事实是，有部分相对论学家认为"单向光速不可测原理"对狭义相对论是非常重要的，是对狭义相对论的拯救，这也反过来说明，光速不变还没有证实，还只是一个假说。 在相对论学家中，对光速不变是否已经证实和能否证实也存在两种不同的观点。
  一种认为，因“单向光速不可测”，所以，光速不变是不可能证实的，作这样的实验也没有意义，因为这本身与狭义相对论矛盾[6]。另一种则认为可以证实，据我所知，一些科学杂志最近还在发表有关论文[7]。
   有一点要说明的是，除了迈克尔逊--莫雷实验外，还有一系列实验声称或被认为证明了光速不变。但为什么又有很多人认为光速不变只是一个假说，并从这方面攻击狭义相对论呢？为什么狭义相对论又提出了”单向光速不可测”并认为这是对狭义相对论的拯救呢？ 作者认为，出现这种情况的主要原因，首先是因为光速实在是太快了，测定光速是一件极难的事。
  现在公认的实验室最精确的测定光速的误差是300米/秒，而大部分声称证明了光速不变的实验中使光速发生可能的变化还不到这个数值。正因为光速是一个极难的问题，所以，直到20世纪初我们仍以为是以太传递光并决定光速。
  可以说，光及光速从一开始就给我们带来了困难。所以，虽然在光速的有关内容上我们已经作了不少实验和研究，但我们对光速的认识总的来说还是不太清楚。 其次，是因为狭义相对论自身的问题。因为狭义相对论的理论是错误的，所以，按狭义相对论的理论来解释有关的光速实验也就难以自圆其说，牵强附会。
  如有一部分是为了证明以太的实验，后来竟然说成了是证明了光速不变的实验。这类实验以迈克尔逊-莫雷实验最为有名，但事实并不止这一个，有兴趣的读者可参看《狭义相对论的实验基础》[8]。再如 有的实验证明了光速各向不同性[9]，但这一结果却解释为通过某种长度变化理论，使这一结果抵消。
   其三，有些实验证明了光速是变化的。这类实验以Sagnac型实验为主。与迈克尔逊-莫雷实验完全对立，Sagnac型实验证明地球的转动肯定会影响光速[10]。 其四，是因为这些实验本身有问题。
  作者分析过部分这类实验。这类实验的基本方法是通过观察光的干涉条纹来确定光速是否发生变化。让一束光分为两束，其中一束经过一个装置加速，如果经过加速后的两束光的干涉条纹发生了移动，就说明光速变化了，反之，就是光速不变。
   在这些实验中迈克尔逊[11]和Majorana[12]观察到了条纹移动，其他的实验则没有发现条纹移动。你们一定会以为是迈克尔逊和Majorana的实验证明了光速是变化的。事实不然，这些条纹移动被解释为多普勒效应。
  那么，这里的问题就出现了：为什么其他的实验没有观察到由多普勒效应引起的干涉条纹移动呢？答案只有一个，这些实验的质量有问题。而这些实验却有多个，并都声称证明了光速不变。 参考文献 [1]W。
  G。V。Rosser,An Introduction to The Theory of Relativity, Butterworths, London, Chapter [2]爱因斯坦，爱因斯坦文集第二卷，商务印书馆，87 （1977） [3]参考文献[2]97页 [4]朱保儒，李百中， 自然杂志，现代物理学，第一期，114（1980） [5]W。
  F。Edwards,Amr。 J。 Phys。, 31, 482 (1963) [6]张元仲，狭义相对论实验基础，科学出版社 (1990) 页 [7]I。Vetharaniam, G。E。
  Stedman, Phys。 Lett。A,183, 349 (1993) [8]参考文献[6] 页 [9]Claus Lammerzahl, Mark P。Haugan, Phys。 Lett。
  A, 282, 223(2001) [10]R。Anderson, H。R。Bilger, G。E。Stedman, Am。J。Phys。, 62,975(1994) [11]A。A。Michelson, Astrophys。
  ,j。, 37,190(1913) [12]Q。Majorbna, Comp。 Rend。, 165,424(1917;167,71(1918) 。收起