如何描述光钟中光子的运动？（一）

       在博文《物理学中的空间与时间（3）——‘钟慢’和‘尺缩’现象的物理解释》（id=280717）
中，为了解释‘钟慢’和‘尺缩’现象的物理根源，曾引入光钟作为理想实验的工具。由于
对如何描述光钟中光子的运动解释得不够详细，有可能引起一些疑问和误解；今特写作此文，
详细说明何描述光钟中光子的运动。
       如博文id=280717之图所示，‘光钟’由两理想的平行平面反射镜组成，其中一镜的表面
置有垂直发射光子的光源，所发射的一群光子将在两反射镜之间来回垂直反射，并且总是以
光速c运动（假定‘光钟’内部为真空）。若两平面反射镜相距为d，则一个来回反射（例如
从下镜反射至上镜，再反射至下镜）算作一周期T=2d/c，量度周期的次数，就可用以测量时
间。显然上面所说的光子运动是相对于‘光钟’的平面反射镜来说的，也即是相对于‘光钟’
在其中静止的一个惯性参照系来说的。为什么说光子在‘光钟’内总是以光速c运动呢？光
子从光源出射时相对光源的速度必为c，这是狭义相对论的基本假设：“光速c与光源的运动
状态无关”所决定了的。如果要怀疑这个基本假设就必须提出理论和实验根据。光子在反射
镜面的反射，可视为弹性碰撞，故碰撞前后，速度大小不变。光子反射后继续以光速c在‘光
钟’内运动是由于惯性；我们讲过，虽然光子的静止质量为0，它还是有惯性的，因为牛顿
第一运动定律是可以推广到狭义相对论的。
       必须指出，按照所研究的问题，‘光钟’的方位可以有不同的选择，例如，‘光钟’的平
面反射镜可以平行于坐标系的XOY平面、或平行于YOZ平面、或平行于ZOX平面、或其它平
面。还必须强调，‘光钟’在其中静止的惯性参照系只是许许多多的惯性参照系中的一个。无
论在牛顿力学中还是在狭义相对论中，都认为所有的惯性参照系都是平权的，即没有某一个惯
性参照系比其它惯性参照系表现特殊。因此，我们除了研究‘光钟’中的光子相对于反射镜（即
‘光钟’在其内静止之惯性参照系）的运动外，也可以研究‘光钟’中的光子相对于其它惯性
参照系的运动。由于所有的惯性参照系都是平权的，这些运动都是真实的；要强调一下，不可
能只有光子相对于‘光钟’在其内静止之惯性参照系的运动是唯一真实的，而应当是光子相对
于一切惯性参照系的运动都是真实的。
       为了正确地研究光子相对于其它惯性参照系的运动，必须注意：
1、运动都是相对的，要说明一个运动，须要指出这个运动所相对的惯性参照系。没有参照系、只由物体本身决定的‘运动’是不存在的。牛顿的所谓‘绝对运动’也是有参照系的，‘以太’就是其参照系。在牛顿力学中，存在不依赖于参照系的‘绝对时间’，而在狭义相对论中，时间的量度也是要依赖于惯性参照系的，这是由光速不变原理所决定了的。在狭义相对论中不存在不依赖于参照系的‘绝对时间’，如果否定这点，就要否定狭义相对论，就必须提出理论和实验根据。本文只限于在狭义相对论的范围内进行讨论，对于反对狭义相对论的评论恕不回复。