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相对论如何摆脱来自光学实验的威胁？

已有 772 次阅读 2026-2-6 19:50 |系统分类:论文交流

相对论如何摆脱来自光学实验的威胁？

在Einstein的狭义相对论中把真空中的光速c作为不变常数，是根据四维空间黎曼几何基本量度中的常数观点出发，而不是依赖他未曾注意到的Michelson-Morley实验的“反面”结果而提出^[1]。真空中的光速c作为不变常数是联系空间坐标和时间坐标的一个参数。相对论将空间三维和时间一维拼在一起，面对一个四维的闵可夫斯基（Minkowski）空间来运用最基本的黎曼几何观点。即：寻求两套惯性坐标系统S(x,y,z,t)与S^’(x^’,y^’,z^’,t^’)之间的线性变换，使最基本的几何量度四维距离的平方保持不变。即：

S²=x²+y²+z²+w²= x’²+y’²+z’²+w’²=S^’2 , w=ict ,w^’=ict^’

在这里，真空中的光速c，作为联系空间坐标和时间坐标的一个重要参数，是四维黎曼空间基本不变量度里的一个常数。这也就是光速不变的来源！满足这个要求的空时坐标线性变换就是Lorentz变换。这个坐标变换就比适用经典力学的伽利略坐标变换更广泛逼真。它正确处理了经典物理学不曾认真考虑过的“同时”、“绝对空间量度”和“绝对时间量度”等问题，得到了熟知的“长度缩短”和“时间膨胀”公式。最重要，当然是它得出的速度加减公式，使光速c成为极限速度，它加上任何其他现实运动速度仍然是c。这自然就保证了光速不变，确保了相对论不受相关光学实验的影响。相对论的建立对物理学的发展起过重要的推动作用，它不仅全部正确解释了电磁现象，还深入细致地将经典牛顿力学推广为相对论力学，揭示了质能关系将人类文明带进核能时代。

但是，有朝一日光学实验测出光速c有变动，是否会威胁动摇相对论的基础？这是自相对论诞生以来对相关光学实验和相对论同样关心的物理学家的共同的问题。相对论的已有成就不应使它根本上受到威胁，也不应因为相对论今日还未能解释全部物理学问题（主要的是涉及量子论的问题）而使人从可能威胁它的基础上来试图推翻相对论。然而这种威胁是存在的。这是因为人们从未注意到：对应用了滚瓜烂熟的惯性系间的Lorentz变换公式有没有未指明的基础和本质上的附注或条件，例如，这个空时坐标变换是必须对在真空中的惯性系有效，还是没有这个限制？从导出的推论来看有明显现实的区别。如果Lorentz变换公式既可运用于真空中各个惯性系间的空时坐标变换，也同样可以运用于真空中惯性系对介质中惯性系之间的空时坐标变换，那么凭这样入手运算推出介质中的光速，无论是相速度还是能量传播速度，都不会因惯性坐标系统的不同而不变；清清楚楚是变的！而且都变得足够相当v/c的二级数值 ^[2]。也就是说，在介质外真空中的惯性系S 中看匀速行进的介质内的光速是随这行进速度而变的，所谓在任何惯性坐标系统中“光速不变”，只限于介质不存在的真空中正确。另一方面，在充满静止介质的S’系中来观测介质外真空S系中的光速，依Lorentz变换得到的结果虽然是c，但这只是狭义相对论的特殊速度加法保证加出的有限最大数值；并不是静止介质 S’ 系中的观测者实际观测得的光速。介质中光折射率n大于1，因此和介质静止在一起的惯性系S’中实际能观测到的光速c/n都小于c。这就明明白白地出现事实上的差别：在S系中c是现实可以达到的物理数量，也是狭义相对论的速度加减法能加出而又限制着的最大速度数值；而在S’系中却不然，c虽然也是符合这特殊速度加减法的有限最大数值，却是永不现实的物理数量，现实的有限最大数值是小于c，即c/n。在S系中观测S’系中的光速就因S’系的运动速度v而不同，但当v逼进c时仍可现实达到c；但在S’系中观测S系中的光速无论如何只能到c/n为止，无法达到c。如果请关心这问题的人分成两组辩论一场。甲组会说，这里面显然已看出光速变不变问题并不威胁着相对论；而乙组则说，这已经动摇了相对论，任何附加注释都难圆满。就目前的相对论来判决，这可能是一场不易得出结论的辩论。但是，目前可以肯定的是，速度是一个现实物理数量，在此数量群中有一个有限的最大数值，运用相对论的洛伦兹换标公式，则现实物理世界存在的现实有限最大速度数值不因惯性坐标系统的不同而异。不好再用“光速不变”这个含糊不清的字面，因为在介质中光速明明白白是随惯性坐标系统的不同而变的。那么，这个有限的最大速度数值c和现实上可能测得光速数值的区别，将使相对论可能随时受到来自光学实验的威胁，与相对论的功名昭著相比，这是十分不应有的尴尬局面。这其中必有可以突破之点待人努力！那么，能不能彻底解除光学实验对相对论的威胁呢？答案是肯定的。努力的方向就是突破“光速不变”的限制，，使相对论建立在更广泛、普遍的基础上，不仅仍能包括目前的全部狭义相对论，而且能摆脱这类光学实验结果的威胁。只要明确一百多年来的光速实验中区别着相对论和经典运动学理论的关键问题是经典运动学所依据的欧氏几何矢量加减法不适用相对论里的速度加减法；那么就有理由希望：有朝一日相对论的速度加减法可与“光速不变”或“光速可变”都并行不悖。这就会全部解除光速对相对论的威胁。

在《相对论研究进展—隐埋半个世纪的相对论研究》^[3]一书中详细介绍了对此所作的成功尝试，提出了以x² + y² + z²–c² t² = x’² + y’²+ z’²–c’² t’²（c’≠c）为空时四维空间的基本不变量，来建立光速可变的狭义相对论。其结果彻头彻尾证实甲组的主张。这应是A.Einstein地下有知都含笑认可的对他的狭义相对论的推广。如果读者看到此文，对此产生了兴趣和疑惑就请详细阅读此书后发表意见。