狭义相对论,在惯性参照系中,光速不变原理,给人留下了不解之谜。从1905年狭义相对论创立以来,一直未给出透彻的诠释。只留下让人进入迷雾般不可捉摸的结论:光速与惯性参照系的速度和测量者的速度无关。这种违背常理和常识的陈述,让人百思不得其解。
为了探寻对光速不变原理的理解或解释,下面分别假设: 0C、0.5C、和0.8C三个不同速度惯性参照系.若在某一时刻 t = 0 时, 将以上三个不同速度的惯性参照系与光源处于同一位置. 1秒钟后,当 t′= 1 时, 按与光行同向进行测速,对它们所测得的光速都等于 C(图-1) .但从光源发出的光所行经的路程,却是不相同的:对于 0C惯性参照系,光行进的距离为 0C + C = C ;而 0.5C惯性参照系, 光行进的距离为 0.5C +C= 1.5 C; 对于 0. 8 C的惯性参照系,光行进的距离为 0.8C + C = 1.8 C. 而且,对从这些惯性参照系的正后方与这些惯性参照系距离为 L0< C 内的任何位置的光源所发出的光(相当于惯性参照系速度的路程L1与光源距离L01之和也要小于C,即L1+L01),,所测得的光速也都等于C .这些密雾般的不合常理的现象,实在让人无法理解.
有人异想天开地企图用超光速来揭开光速不变原理之迷. 他认为:所谓 不变,正是变在其中. 不变中寄寓着变.正是 0.5 C惯性参照系速度的变化,使光速超越了0.5C的速度,而成为 1.5 C ; 也正是 0.8 C惯性参照系速度的变化,使光速超越了0.8 C的速度, 而成为 1.8 C . 所以, 除零速惯性参照系外,其它由不同速度惯性参照系所测光速的行程, 都超越了光速.
以上的思路背离了狭义相对论的本意和實质.从迈克尔孙-莫雷实验中,总结出来的两个基本原理精粹之一的光速不变原理,在于在惯性参照系中光速为不变的常(恒)量.所以超光速的解释在此不合逻辑.而更重要的是,在实际不同速度惯性参照系中所测得的光速,都等于C .这是经过验证的,无可非议的事实.
但如果抛开其它光源,单就点光源与不同速度(0<V<C)惯性参照系处于同一位置时,进行分析研究.并把测量光速的方向,扩展到宇宙空间的全方位.若所选择不同速度(0<V<C)惯性参照系足够多的话,那么,从点光源发光那一时刻起,即 t = 0 时,开始测速, 1 秒钟后,当 t′= 1时,所测光速C 到达的所有点,即光行使的距离(L)的终点 ,将有可能充满整个等于、大于C 而小于 2 C( C ≤ L < 2C )的太空中两个同心球的小球之外的大球区域.即大球减小球的区域. 也就是说,如果以所有不同速度(0<V<C)惯性参照系与光源处于同一点为球心,分别以C 、2C 为半径,作两个太空同心球. 若所选择不同速度(0<V<C)惯性当照系足够多的话,并且把测量的方向指向宇宙的各个方位.当 t = 0 时,开始测速, 1 秒钟后, 当 t′ = 1 时,不同速度(0<V<C)惯性参照系 所测光速C 到达的点,将充满整个 C ≤ L < 2C 两个太空同心球之大球减小球的区域. 反之,若在该区域( C ≤ L < 2C )满布点光源,并对每个点光源,都选择适当速度惯性参照系,而将其测速方向指向太空同心球球心进行同步测速, 1秒钟后,所测光源的光速 C 的终点将汇聚(聚焦)于太空同心球球心. 这里把这个球命名为光速不变原理太空球或光速不变秒天球.即陈氏(安邺)球.这样,在这种测量光速的过程中,宇宙空间就有大球减小球部分的明亮与同心球心的明亮.而小球除球心外皆是一片黑暗。
如果我们对秒天球进行研究,也许会得到什么启示以揭示光速不变原理之谜.为什么点光源,会在1秒钟之内充满光速不变秒天球的 C ≤ L < 2 C 的部分呢?也就是说,点光源的光行进 1秒钟后,它可以到达等于、大于 C 而小于2 C 的范围.如果不是超光速那又是什么原因呢?.现在别无选择,只能在光速不变原理中的光速不变中探寻突破口。
在这个充满全方位纷繁球体中,全方位的实质,还在于单一径向的探讨:即在不变光速与不同速度惯性参照系的关系中去探讨.也就是说,不同光速的惯性参照系,它把被测的、不变的、相等的光速C 渡送到了不同的地方.即是说这个不变的光速C ,搭了惯性参照系不同速度的便车.说不定正是惯性参系这些个不同的速度把它送到了不同的距离.即是惯性参照系这些个不同速度帮了它的忙,完成了不同距离的渡送.而保持着光速C 不变.不管惯性参照系的速度或测量者的速度有多大,它们都将渡送与其惯性参照的速度和测量者的速度相当的距离,使光速C 保持在它们前面 C 的位置,而达到所测光速为不变的C 的目的.这正与速度为10公里/小时的船,在水流为 5公里/小时流速的河中行使, 1小时后,船到达了距离 1小时前 15 公里的地方(图-3).船在1小时内行进了10公里,那 5公里是流水帮它渡过的,即是流水帮了船的忙,船行的速度还是10公里/小时. 这样,也就清楚地解释了惯性参照系中的速度,在测量光速过程中所起的作用了.而更透彻的表述则是:被测的光速,在惯性参照系不同的速度中,随着惯性参照系和测量者不同的速度渡过了相当于速度 1秒钟所行使的距离,而保持其不变的光速C .
下面来解释:对“处于不同速度惯性参照系正后方距离为L0 < C内不同光源发出的光,同样能测得光速为C”的情况.如果能将其转变成等效的相应速度的惯性参照系,并和被测光速的光源处于同一位置,问题就解决了.
由于被测光速的光源与不同光速惯性参照系处于同一位置的情况已经解释清楚了,现在,在此基础上再来解释被测光速的光源与惯性参照系不在同一位置的情况,也就不难解释了.为了简便起见,现假设被测光速的光源处于已知速度为 0.5 C 惯性参照系正后方0.3 C 处.众所周知所测光速结果应为C .这就是惯性参照系中的光速不变原理.它是狭义相对论理的高度概括,也是科学语言的高度浓缩.这也正是让人难以理解之所在。下面利用狭义相对论的相对性原理,以简单明了的方式把它转变成某一速度惯性参照系,并与被测光速的光源处于同一位置.前面已经假设“被测光速的光源处于已知速度为 0.5 C 惯性参照系正后方0.3 C 处”.为达到上述目的,首先根据被测光速的光源位置,将假设 0.5 C 惯性参照系往后移动0.3 C,使其与被测光速的光源处于同一位置; 再将假设惯性参照系与被测光速的光源距离 0.3 C 转换成相应数值的速度,并与假设惯性参照系的速度相加,即0.3 C + 0.5 C = 0.8 C ,为新的惯性参照系的速度.这样,新的惯性参照系的速度相对于假设惯性参照系的速度增加了0.3 C ,成为 0.8 C ;而新的惯性参照系位置,相对于假设惯性参照系后退了 0.3 C ,这样,就与被测光速的光源处于同一位置了.通过以上的转换, 就得到了一个与假设惯性参照系等效的,并有着相应的位置和速度的新的惯性参照系(图-6)了,即与被测光速的光源处于同一位置的0.8 C惯性参照系了.而且所测得的光速应该是C.到此我想所要解释的都解释清楚了,这也算是本人对光速不变原理的理解吧!
2008. 11. 20. 于乌鲁木齐