狹義相對論,在慣性參照系中,光速不變原理,給人留下了不解之謎。從1905年狹義相對論創立以來,一直未給出透徹的詮釋。只留下讓人進入迷霧般不可捉摸的結論:光速與慣性參照系的速度和測量者的速度無關。這種違背常理和常識的陳述,讓人百思不得其解。
為了探尋對光速不變原理的理解或解釋,下面分別假設: 0C、0.5C、和0.8C三個不同速度慣性參照系.若在某一時刻 t = 0 時, 將以上三個不同速度的慣性參照系與光源處於同一位置. 1秒鐘後,當 t′= 1 時, 按與光行同向進行測速,對它們所測得的光速都等於 C(圖-1) .但從光源發出的光所行經的路程,卻是不相同的:對於 0C慣性參照系,光行進的距離為 0C + C = C ;而 0.5C慣性參照系, 光行進的距離為 0.5C +C= 1.5 C; 對於 0. 8 C的慣性參照系,光行進的距離為 0.8C + C = 1.8 C. 而且,對從這些慣性參照系的正後方與這些慣性參照系距離為 L0< C 內的任何位置的光源所發出的光(相當於慣性參照系速度的路程L1與光源距離L01之和也要小於C,即L1+L01),,所測得的光速也都等於C .這些密霧般的不合常理的現象,實在讓人無法理解.
有人異想天開地企圖用超光速來揭開光速不變原理之迷. 他認為:所謂 不變,正是變在其中. 不變中寄寓着變.正是 0.5 C慣性參照系速度的變化,使光速超越了0.5C的速度,而成為 1.5 C ; 也正是 0.8 C慣性參照系速度的變化,使光速超越了0.8 C的速度, 而成為 1.8 C . 所以, 除零速慣性參照系外,其它由不同速度慣性參照系所測光速的行程, 都超越了光速.
以上的思路背離了狹義相對論的本意和實質.從邁克爾孫-莫雷實驗中,總結出來的兩個基本原理精粹之一的光速不變原理,在於在慣性參照系中光速為不變的常(恆)量.所以超光速的解釋在此不合邏輯.而更重要的是,在實際不同速度慣性參照系中所測得的光速,都等於C .這是經過驗證的,無可非議的事實.
但如果拋開其它光源,單就點光源與不同速度(0<V<C)慣性參照系處於同一位置時,進行分析研究.並把測量光速的方向,擴展到宇宙空間的全方位.若所選擇不同速度(0<V<C)慣性參照系足夠多的話,那麼,從點光源發光那一時刻起,即 t = 0 時,開始測速, 1 秒鐘後,當 t′= 1時,所測光速C 到達的所有點,即光行使的距離(L)的終點 ,將有可能充滿整個等於、大於C 而小於 2 C( C ≤ L < 2C )的太空中兩個同心球的小球之外的大球區域.即大球減小球的區域. 也就是說,如果以所有不同速度(0<V<C)慣性參照系與光源處於同一點為球心,分別以C 、2C 為半徑,作兩個太空同心球. 若所選擇不同速度(0<V<C)慣性當照系足夠多的話,並且把測量的方向指向宇宙的各個方位.當 t = 0 時,開始測速, 1 秒鐘後, 當 t′ = 1 時,不同速度(0<V<C)慣性參照系 所測光速C 到達的點,將充滿整個 C ≤ L < 2C 兩個太空同心球之大球減小球的區域. 反之,若在該區域( C ≤ L < 2C )滿布點光源,並對每個點光源,都選擇適當速度慣性參照系,而將其測速方向指向太空同心球球心進行同步測速, 1秒鐘後,所測光源的光速 C 的終點將匯聚(聚焦)於太空同心球球心. 這裡把這個球命名為光速不變原理太空球或光速不變秒天球.即陳氏(安鄴)球.這樣,在這種測量光速的過程中,宇宙空間就有大球減小球部分的明亮與同心球心的明亮.而小球除球心外皆是一片黑暗。
如果我們對秒天球進行研究,也許會得到什麼啟示以揭示光速不變原理之謎.為什麼點光源,會在1秒鐘之內充滿光速不變秒天球的 C ≤ L < 2 C 的部分呢?也就是說,點光源的光行進 1秒鐘後,它可以到達等於、大於 C 而小於2 C 的範圍.如果不是超光速那又是什麼原因呢?.現在別無選擇,只能在光速不變原理中的光速不變中探尋突破口。
在這個充滿全方位紛繁球體中,全方位的實質,還在於單一徑向的探討:即在不變光速與不同速度慣性參照系的關係中去探討.也就是說,不同光速的慣性參照系,它把被測的、不變的、相等的光速C 渡送到了不同的地方.即是說這個不變的光速C ,搭了慣性參照系不同速度的便車.說不定正是慣性參系這些個不同的速度把它送到了不同的距離.即是慣性參照系這些個不同速度幫了它的忙,完成了不同距離的渡送.而保持着光速C 不變.不管慣性參照系的速度或測量者的速度有多大,它們都將渡送與其慣性參照的速度和測量者的速度相當的距離,使光速C 保持在它們前面 C 的位置,而達到所測光速為不變的C 的目的.這正與速度為10公里/小時的船,在水流為 5公里/小時流速的河中行使, 1小時後,船到達了距離 1小時前 15 公里的地方(圖-3).船在1小時內行進了10公里,那 5公里是流水幫它渡過的,即是流水幫了船的忙,船行的速度還是10公里/小時. 這樣,也就清楚地解釋了慣性參照系中的速度,在測量光速過程中所起的作用了.而更透徹的表述則是:被測的光速,在慣性參照系不同的速度中,隨着慣性參照系和測量者不同的速度渡過了相當於速度 1秒鐘所行使的距離,而保持其不變的光速C .
下面來解釋:對“處於不同速度慣性參照系正後方距離為L0 < C內不同光源發出的光,同樣能測得光速為C”的情況.如果能將其轉變成等效的相應速度的慣性參照系,並和被測光速的光源處於同一位置,問題就解決了.
由於被測光速的光源與不同光速慣性參照系處於同一位置的情況已經解釋清楚了,現在,在此基礎上再來解釋被測光速的光源與慣性參照系不在同一位置的情況,也就不難解釋了.為了簡便起見,現假設被測光速的光源處於已知速度為 0.5 C 慣性參照系正後方0.3 C 處.眾所周知所測光速結果應為C .這就是慣性參照系中的光速不變原理.它是狹義相對論理的高度概括,也是科學語言的高度濃縮.這也正是讓人難以理解之所在。下面利用狹義相對論的相對性原理,以簡單明了的方式把它轉變成某一速度慣性參照系,並與被測光速的光源處於同一位置.前面已經假設“被測光速的光源處於已知速度為 0.5 C 慣性參照系正後方0.3 C 處”.為達到上述目的,首先根據被測光速的光源位置,將假設 0.5 C 慣性參照系往後移動0.3 C,使其與被測光速的光源處於同一位置; 再將假設慣性參照系與被測光速的光源距離 0.3 C 轉換成相應數值的速度,並與假設慣性參照系的速度相加,即0.3 C + 0.5 C = 0.8 C ,為新的慣性參照系的速度.這樣,新的慣性參照系的速度相對於假設慣性參照系的速度增加了0.3 C ,成為 0.8 C ;而新的慣性參照系位置,相對於假設慣性參照系後退了 0.3 C ,這樣,就與被測光速的光源處於同一位置了.通過以上的轉換, 就得到了一個與假設慣性參照系等效的,並有着相應的位置和速度的新的慣性參照系(圖-6)了,即與被測光速的光源處於同一位置的0.8 C慣性參照系了.而且所測得的光速應該是C.到此我想所要解釋的都解釋清楚了,這也算是本人對光速不變原理的理解吧!
2008. 11. 20. 於烏魯木齊