光速不变,是如何验证的?

光速不变,是如何验证的?
光速不变,是如何验证的?

光速不变,是如何验证的?
石正金:光速不变假设错在哪里
[ 石正金 2004年11月11日,阅读人数1230人 ]




内容摘要：光辐射的多普勒频移事实可决定性地证伪光速不变假说,光速不变假说对矢量求和（速度合成）法则的违反从来就没有让人信服过,迈克尔逊-莫雷实验结果根本谈不上对光速不变之说提供验证且该实验牵涉的疑难至今仍值得探讨,抛弃爱因斯坦的光速不变假说并推倒狭义相对论是物理学的当务之急.
引理：在自由真空,当某辐射波与某观察者（或其辐射源）之间的相对移动（传播）速度恒为光速c时,则在该观察者看来（或对其辐射源而言）该辐射波不会有频移变化发生.
证：因辐射是周期能量波,设其波长为λ,由于真空中辐射波速为c,则易知该辐射波的波动传播周期为λ/c.另一方面,考虑该辐射波主体以波动形式移向某观察者并开始被观察者接收,由于二者相对移动速度恒为c,则显然,辐射波中一段长度为λ的完整周期波段所需的接收时间为λ/c,由于在λ/c时间里观察者接收到该辐射的一个完整周期波段,故可称观察者对该辐射波的接收周期为λ/c.不难看出,该辐射的波动传播周期与其接收周期完全相等.故在该观察者看来,该辐射波没有频移变化发生（由于数学上的一个完整周期波段对应于物理上的一段周期能量包,故频移变化可通过相应的接收功率或接收能量变化来显示）.同理可证,当引理条件满足时,对辐射源而言,其辐射波亦无频移变化发生.
推论：在自由真空,当某辐射波与其辐射源和某观察者之间的相对移动（传播）速度同时恒为光速c时,则在该观察者看来该辐射源不会发生多普勒频移变化.
以此引理及推论为基础,我们完成如下证明：在自由真空,假设某辐射源固定在惯性坐标A的原点并朝某方向发出辐射,现假设在该辐射传播方向上的某一点有一物（观察者）相对于该辐射源以匀速v移动,显然该物本身亦为一惯性系(二者均可视为传播线方向上的一维惯性系),不妨称之为惯性系B且考虑该物处于B的坐标原点.按照狭义相对论光速不变假说,与惯性坐标间相对移动速度v的大小和方向无关,该辐射相对于其辐射源（即惯性系A的坐标原点）和该物（即惯性系B的坐标原点）的移动（传播）速度均恒为光速 c.根据引理及推论可知,该物在上述任一移动情形均不会观察到该辐射源有多普勒频移现象发生,这显然与实验和观察事实不符,故狭义相对论光速不变假说不能成立.证毕.
讨论：问题的焦点是,我们要求光速不变论者用爱因斯坦式的光速不变概念对本条件情形的多普勒频移变化现象作出合理解释.为避免问题复杂化和方便实验观察起见,不妨将辐射源考虑为雷达波发射装置,而将观察者考虑为飞机或汽车,辐射源和观察者的背景运动被认为完全相同故而不再牵扯绝对运动和惯性系难题,只重点考虑共同背景运动中它们二者的相对移动.也就是说验证实验的选取已尽量系统消除背景运动因素和非真空介质因素对实验观察结果可能带来的复杂影响（狭义相对论的火车和铁轨实例大概也是出于此种考虑）.
借助严格数理逻辑和多普勒频移事实来明确证伪光速不变假说的文章尚未见报道.互联网上有不少关于光速不变假说与多普勒效应有矛盾的讨论,但很多时候由于相对论时空畸变观的辩解而导致争议并影响说服力,至于针对光速不变假说从其它角度进行的怀疑和争论更是难断是非.令人纠缠不清的问题在于,目前光辐射的多普勒效应本身是在借相对论来解释,并与经典波的多普勒效应分开,按现有说法它不区分源和观察者即谁移动都是等价的,且实质回避光波主体对源或观察者的相对移动问题.对此我们不敢苟同,本证明只要求观察者在某点相对辐射源进行匀速移动,合情合理且完全有观察结果,只要确认观察者移动速度大小和方向的改变会导致多普勒频移改变这个事实就行了.其实根本无须做验证实验,没有人会怀疑在辐射中普遍存在的多普勒效应,人们能怀疑和否定的只有光速不变假说.
由于多普勒效应的实际情形与狭义相对论的移动惯性坐标系天然吻合,所以它完全可以作为狭义相对论对错的判决性实验,人们用不着花费更多精力去寻找其它验证（判决）实验.多普勒效应是一个动力学效应,它必然要求其背后有导致这种效应的动力学原因（根源）,在辐射情形,实验事实表明它与相对移动速度这一动力学量紧密相关,理论上我们也只能从这一点去找原因并寻求合理解释.参照经典波多普勒效应的大量理论和实验事实,我们认为辐射情形也不应该例外,光波主体与观察者（及辐射源）之间相对移动速度的变化构成光辐射多普勒频移变化的充分必要条件.用光速不变直接来推演（光辐射多普勒效应的相对论解释方案暂时没有说话资格）,无论是对源还是对观察者,根本不会有频移发生,而实际的情况是不但有频移发生,而且频移值是可变化和随动的,可见爱因斯坦光速不变假说与光辐射多普勒频移实验事实之间是多么对立,二者之间根本没有调和的余地!
虽然我们对光辐射传播的了解不如对经典波那么深刻,且由于光速太高,我们对光的多普勒频移的测量也不如经典波方便,但此处的论证并不需要过于定量化的结果.其实,对各种多普勒频移的解释道理也是大致相通的,既需要借助波的概念也需要借助发射源及观察者与媒质（或波元）相对移动的概念.无论把辐射理解为波或粒,为了解释清楚它的多普勒频移我们肯定离不开相对移动速度和方向的概念.虽然辐射目前被认为无传播媒质,是自动感生波,但辐射波主体上某波动能量元（对应于传播线上的空间流动点）与上述的辐射源和观察者决不是相等的移动速度值,亦即波元对辐射源和观察者存在不等速、不对等位移,否则多普勒效应就不会发生.所以,无论是从源分析还是从观察者分析,多普勒频移事实都有力证伪了移动速度意义上的光速不变.至于光的波速不变则是另外一个概念,它根本不能与惯性系的相对移动速度放在一起作坐标变换和等概念运算,请问狭义相对论如何成立?
爱因斯坦的光速不变具有一定的误导性和模糊性,从波及波速的角度看,光速不变没有问题,即上述的辐射源和观察者不管怎样相对匀速移动,确实均发出和接收某一恒波速的辐射波.波速是指波长除以周期或波长乘以频率（它由自由真空电磁特性常数决定）,在源和观察者有相对移动时,由于波长和周期的大小可协同发生变化,使得虽频移发生但频移发生前后的波速却保持恒定不变.但波速不变与移动速度意义上的光速不变不是一回事.
在狭义相对论中,爱因斯坦通篇是以移动速度的概念在使用光速不变,并将光速（及其不变）与惯性系坐标移动速度放在一起作坐标变换.他无法回避的尖锐问题是速度合成法则与光速不变之间有矛盾,显然迈克尔逊-莫雷实验结果为爱因斯坦选择光速不变而牺牲矢量求和提供了理由和支持.不错,光速不变假说确实可为迈克尔逊-莫雷实验结果提供一种解释方案,只是这种方案不具备唯一性,即光速不变与迈克尔逊-莫雷实验结果之间不构成逻辑上的充要关系,说到底,迈克尔逊-莫雷实验结果并未从根本上改变光速不变的假说地位!倒是多普勒频移事实直接与光速不变假说相冲突,所以说爱因斯坦其实是在用一个在物理和数学上都站不住脚的错误假说去制造他那扭曲时空及质量概念的荒唐理论（有确凿资料表明他为此感到自得,这一点也被他的盲从者们称颂为时空观革命）,殊不知他这么做是一种错上加错的理论投机和冒险,并无可挽回地给二十世纪物理学带来严重混乱和后患.
光速不变的引进在爱因斯坦看来还有一个常常提起的理由就是所谓保持不同惯性系麦克斯韦方程的形式不变和优雅.麦克斯韦方程严格而言只对绝对参照系中的静止源才有最简单的形式,对普通辐射源（如地球上的电磁波源）来讲,由于绝对运动和惯性系难题,套用真空中的麦克斯韦方程只能算作近似处理,好在电磁波一般只应用于发射和接收,可只考虑发射源和接收物的相对运动而不管绝对运动和惯性系问题,上述的近似处理是满意有效的,并不会给我们带来什么实用或技术上的困难.倒是具体到传播中的电磁波E和B分量,由于辐射源和观察者相对移动速度大小和方向不同,各自所测得的值也会不相同（其表现就是多普勒效应）,这本身已有力证明沿传播线方向宏观移动速度意义上的光（辐射）速度不变不能成立.且真实的辐射源很难满足惯性系条件,而狭义相对论光速不变只在惯性系下协变,所以说白了,光速不变假说也并未从根本上解决实际辐射源的麦克斯韦方程形式问题.故大可不必拿麦克斯韦方程的所谓优雅问题来为光速不变假说辩护.美化麦克斯韦方程固然是好事,可拿牛顿理论动刀也不能横来!
至于说“迈克尔逊-莫雷实验为光速不变假说奠定了实验基础”,那是根本站不住脚的.历史的真实是,迈克尔逊-莫雷实验是一个探索意味很浓的实验,它是在特定实验条件下通过特定的理论分析而发现预测与观察不符.以太和光的问题本来就深奥复杂,这其中涉及的不定和未知因素很多,检验以太风出现零结果也没什么好奇怪的,解释与说法肯定不止一种,所有的问题和可能性本可全面探讨,但就这样一个值得探讨的有争论余地的实验结果怎能作为光速不变的基础呢?面对迈克尔逊-莫雷实验结果,其他科学家都未敢随便下结论,只就事情本身去探讨各种可能性,且出现不少有参考价值的说法.唯有爱因斯坦因此而得出一个普适性的、挑战人类理解力（指速度合成法则）的命题,光速不变其实是一个很宽泛、很模糊、很主观的命题,也是直接违反多普勒频移事实的伪命题!也许话应该这么说,光速不变假说以一种最不费力（也是最武断）的方式解决了迈克尔逊-莫雷实验的疑难（如果说迈克尔逊-莫雷实验的流行理论分析是正确的话）,其结果是,人们已不再需要探讨这其中还有什么奥秘了,这是直接违背迈克尔逊-莫雷实验初衷的,也是二十世纪物理学的悲剧.可以毫不夸张地说,抛弃动力学以太而选择运动学相对论是物理学的一次重大迷失!
（注：文中所讨论的多普勒频移是指径向（纵向）效应.）
附：光速不变假说与多普勒频移的矛盾何在
所有经典波的多普勒频移原因都是由源或观察者与波媒质（或波元）存在相对移动速度引起的,至于源和观察者间的相对移动速度只不过是一个表象,不能用它来解释清楚频移事实.理论上,我们也是通过有关移动速度的变化来圆满解释频移变化,相关的移动速度与频移之间是逻辑上直接相关的函数关系.
光辐射虽被认为无媒质传播,但辐射波主体（或波能量元）依然存在,解释光辐射的多普勒频移也应离不开波主体的移动速度概念.不应在光波与经典波之间人为设立鸿沟.
多普勒效应是一个动力学效应,必然要求其背后有导致这种效应的动力学原因（根源）,在辐射情形,实验事实表明它与相对移动速度这一动力学量相关,理论上我们也只能从这一点去找原因并寻求合理解释.现爱因斯坦在狭义相对论中要求光主体（或光波主体中的任意移动能量元）对所有惯性系（涵盖源和观察者）的移动速度恒为c,由于光波本身的波速亦为c,其直接结果是发射时是什么波形,则传播和接收时仍保持为原波形,不难从数学上严格证明此时辐射的能量传播周期与其能量接收周期（以及其能量发射周期）完全相等,何来频移发生?亦即光速不变与辐射的多普勒频移事实是完全不相容的.
光速不变相当于完全封死了解释或理解光辐射多普勒效应的直接通道,但由于无法回避实验事实,相对论解释方案只谈源和观察者的相对移动,并实质回避光主体与源和观察者之间的移动问题,但要知道是光波发生频移,且光波一旦发出,就与源无关并自动移向观察者.回避直接原因而谈与光移动速度无关的物体相对移动,并且用光速不变的洛伦兹变换结果来讨论光辐射的多普勒效应,它完全脱离经典的解释路线,且看不出频移发生的真实过程和内在原因,请问这样的理论解释有多大的说服力?用光速不变本可直接推出光辐射多普勒频移不会发生的定论,而实际的情况是不但有频移发生,而且频移值是可变化和随动的,爱因斯坦居然拐弯抹角地拿光速不变的派生物—狭义相对论去制造辐射的多普勒效应.
由于光速不变直接导致无多普勒频移发生,而这与铁的事实相违背,所以根本不允许相对论者拿错误的光速不变假说去作什么坐标变换,因而也根本谈不上光辐射多普勒效应的相对论解释方案.至于狭义相对论时空畸变之说,虽然它可为相对主义者提供无尽的辩解余地,只可惜在本文仅针对光速不变假说的讨论中还没有这些派生谬论说话的机会!
总之,有爱因斯坦光速不变,就没有多普勒频移；有多普勒频移,就没有爱因斯坦光速不变.精细实验应能验证辐射源移动与观察者移动不等价,以完全断绝相对主义的辩解.

单向光速不变不是经验总结,而是科学的假设

你的探索精神是值得夸奖的,'光速不变"目前仍存在相对论假设中.正在兴起的
"超距通信'一定能回答这个问题."量子通信工程"正在"日夜兼程"地在"攻关".
祝愿他们获得成功.