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回应李小文老师之问,有关光速不变原理的问答 精选

已有 12947 次阅读 2014-4-11 15:58 |个人分类:物理|系统分类:科研笔记| 爱因斯坦, 时钟, 光速不变原理, 洛伦兹, 迈克尔孙-莫雷实验

李小文老师先发“请问:光速不变原理”,再发“追问:光速不变原理”,引得众高手纷纷登台献技,黄秀清老师高歌“爱到心痛”。因觉得众高手起点较高,如天马行空,一般人未必能跟得上高手的奔逸思维,特奉上常识性的关于光速不变原理的问答。

问题1 :光速不变原理说的是什么?

答:爱因斯坦的光速不变原理是说同一光束或同一个光脉冲在所有的惯性参照系中被测到的单向速度都是相同的。例如:如张三以29万千米/秒的速度向着王五跑,而李四相对于王五不动(速度为零)。当李四、张三和王五三点成一线时,王五向张三/李四方向发出一光脉冲(光速30万千米/秒)。根据光速不变原理,张三与光脉冲之间的速度为30万千米/秒,李四与光脉冲之间的速度也为30万千米/秒。根据经典力学的伽利略变换,张三测到的该光脉冲速度应该是29+30=59万千米/秒。

问题2:有实验证明单向光速不变吗?

答:没有,没有任何实验证明单向光速不变。根据相对论学者的意见,单向光速是不可测定的。理由是测量单向速度需先对准异地(至少两地)的时钟,而对准两地时钟必须先知道单向光速。因此,单向光速在理论上是不可测定的。只能在测定双向光速的基础上通过约定(conventionality)来规定单向光速。

问题3:有实验证明单向光速可变吗?

答:有。实验证明绕地球东向传播的光脉冲与西向传播的光脉冲绕地球一周所用的时间不同。Sagnac实验也证明环行单向光的速度与平台的旋转速度及方向有关。但这些单向光速经历方向变化,不满足光速不变原理的惯性参照系要求,因此,不能否定光速不变原理。

问题4:有实验证明双向光速不变吗?

答:观察者静止在地球上时测到的双向光速不变。双向光速最明确的测量方法是光脉冲从光源发出后到达反射镜再被反射回光源处,同一时钟可以记录光脉冲发出和返回的时间,因此不需要对钟。在误差范围内,所有相对于地球静止的测量者得到的双向光速都是相同的。

问题5:是否所有人都同意双向光速不变(原理)?

答:不是所有人都同意双向光速不变(原理)。反对者的理由是双向光速不变除了在地球静止参照系中得到证实外,并未得到任何其他参照系中的测量光速实验的验证;如果在相对于地球引力场高速运动、并且地球引力场仍是局部优势引力场的参照系中做双向光速测量和迈克尔孙-莫雷实验,将会发现双向光速可变和迈克尔孙-莫雷实验阳性(反映观察者相对于地球引力场的速度)。

问题6:单向光速不变(光速不变原理)是相对论可观测到的结论所必需的吗?

答:不是。单向光速不变不是相对论可观测到的结论所必需的。赖欣巴赫(Reichenbach 1924,1958)和格伦包姆(Grünbaum1973)证明爱因斯坦对钟法只是更广泛对钟程序的一个特例:

  $t_2=t_1+\varepsilon(t_3-t_1)$

爱因斯坦对钟法选择ε=1/2任何0与1之间的实数值ε都能满足对钟要求。Edwards1963)、Winnie1970 AnndersonStedman 1977发展了双向光速不变、单向光速可变的理论,其可观察的结论与狭义相对论完全相同。因此,从实验观察上,双向光速不变、单向光速可变的理论与相对论是等价的。人们仍然采纳狭义相对论,因为狭义相对论较Edwards 等人的理论更简洁。

问题7:迈克尔孙-莫雷实验证明了单向或双向光速不变吗?

答:没有。迈克尔孙-莫雷实验的阴性结果既未证明单向光速不变,也未证明双向光速不变。迈克尔孙-莫雷实验证明光学或电磁学不能测定地球相对于地球周围(可能存在的)光传播媒介的速度。如果光传播媒介在空间绝对静止,按经典物理光学和电磁学理论,地球相对于其周围的光传播媒介的速度是可测的,这一速度也就是地球的绝对速度。这样,在某种意义上,相对性原理即被推翻,因为相对性原理也可以表述为绝对速度是不可测的。因为迈克尔孙-莫雷实验实际测量的并不是地球的绝对速度,而是地球相对于其周围光传播媒介的速度,所以如果光传播媒介不在空间静止,地球相对于其周围的光传播媒介的速度也就不是地球的绝对速度。迈克尔孙-莫雷实验的阴性结果可由下列任一原因解释:1)光传播媒介可能与地球(局部优势引力场)一起平移;2)只有长度收缩(因Kennedy-Thorndike实验阴性结果和高速粒子发射γ射线速度仍为c而否定)3)长度收缩和时间膨胀,即洛仑兹以太理论;4)爱因斯坦的狭义相对论;5Ritz的光发射理论(因双星无“魅影”现象和高能粒子发射γ射线的结果而被否定)。因为多种可能性都可解释迈克尔孙-莫雷实验的阴性结果,所以迈克尔孙-莫雷实验不能证明单向光速不变或双向光速不变。单向光速不变或双向光速不变只是迈克尔孙-莫雷实验阴性结果的一个可能解释,单向光速不变和双向光速不变都可以解释迈克尔孙-莫雷实验的阴性结果

问题8:洛伦兹以太理论需要光速不变原理吗?

答:不需要。在洛伦兹以太理论中相对于以太参照系运动的物体在运动方向上长度收缩,时钟变慢,导致运动参照系中相对光速不变。相对于以太参照系运动的观察者会看到以太参照系中静止的时钟相对变快,物体长度相对膨胀(这一点与狭义相对论结论相反,但目前的实验手段无法对洛伦兹以太理论和狭义相对论在这一点上进行检验)。

问题9:我观察到两束光脉冲都朝着对方传播,它们的合速度在我的参照系中是60万千米/秒,难道这个速度不超过30万千米/秒吗?

答:第三者测定的两束光脉冲的相对速度确实为两倍光速,但是狭义相对论不承认第三者测定的两物体或波动的相对速度,只承认第一者和第二者(两运动物体或观察者中之一)测定的他们之间的相对速度。伽利略和牛顿的理论中,第三者测量和第一者、第二者测量的结果同样有效。在洛伦兹以太理论中,第三者测量依然有效,相对于以太运动的参照系中第二者测量的结果是表观速度而非真实速度爱因斯坦狭义相对论规定第三者测量无效。他们的异同见下表:

 

第三者测量速度

第二者测量到的光速

光媒介

“佯谬”/悖论

伽利略/

麦克斯韦

有效

相对光速=光在以太中的速度+第二者相对以太的速度

(以太)存在

洛伦兹

有效

实际相对光速与伽利略/麦克斯韦相同;运动参照系中(第二者)测到的相对光速不变

(以太)存在

爱因斯坦

无效

相对光速不变

(以太)不存在

 

问题10:为什么洛伦兹不满足于只用“长度收缩”来解释迈克尔孙-莫雷实验的阴性结果,而要增加“时间膨胀”来使相对光速不变?

答:只用“长度收缩”不能满足麦克斯韦方程的参照系运动不变性,而当时的物理学家认为迈克尔孙-莫雷实验提示了麦克斯韦方程的运动不变性。另外,世界各地在不同季节、每天不同时间测定的(双向)光速都很一致。因地球随太阳在空间运动,所以地球的空间速度应该是太阳空间速度与地球相对太阳运动速度的矢量和,地球相对太阳运动的速度在不同季节、不同时间是不同的。如果光媒介不随地球平移,那么这些光速测量结果提示光速与观察者的速度无关,也就是麦克斯韦方程具有运动不变性。因此,洛伦兹发展了能解释所有这些现象的以太理论,其理论的一个结果(而不是公理)是第二者(相对于以太运动的参照系中)测定的相对光速不变。随后的Rayleigh实验(1902Brace实验(1904)、 Kennedy-Thorndike实验(1932)不能只用长度收缩解释,需要增加“时间膨胀”或使用其他解释。

问题11:所有人都认为单向光速不可测吗?

答:不是。不少学者认为通过缓慢移动在同地对准的时钟,单向光速在理论上是可测的。假设空间各向同性,在同一地点A对准3000个时钟,然后从A点向等距、相反方向的B点和C点以完全相同的方式各运去1000个时钟。因为空间各向同性,运输方式完全对称,运输对BC两点的时钟影响完全相同,所以BC两点的时钟是对准的。通过测量从BC的光速和从CB的光速可以测量单向光速。通过测量从BA和从CA以及从AB和从AC的光速和时钟比较,可以估测运输对时钟的影响。可以进一步把BC两地的时钟以同样方式再运回到A500个时钟来分析运输对时钟的影响。

问题12:爱因斯坦是怎样提出光速不变原理的?

: 爱因斯坦第一次提出光速不变原理时用的是“light is always propagated in empty space with a definite velocity C which is independent of the state of motion of the emitting body”(光在真空中始终以确定的速度c传播,这一速度独立于发光体的运动状态)。这一定义与经典物理学的观点(光速受传播媒介决定,与波源速度无关)并无什么不同。后来人们认识到爱因斯坦的意思实际上需要光速与观测者的速度无关,而不只是与光源速度无关。

 



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