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第51章 论光速相对不变

“光速不变原理起源于一个叫做迈克尔逊-莫雷的实验。

试验仪器就不具体介绍了,只大概介绍过程:试验者从地球上的某一点发出一束单色光,这束单色光在经过一块半透镜后分成两束;其中一束光继续往前,在到达11米外的一块反光镜后被反射回半透镜,另一束光则被半透镜垂直反射90度,在到达左边11米外的一块反光镜后被反射回半透光镜;最后这两束光在半透镜中又重合,并被投射到右边的一个接收装置上。”

“迈克尔逊-莫雷实验源于经典力学,原本是想证明一种‘以太’的物质存在。

因为经典力学认为宇宙空间中充满着一种‘以太’的物质,这种物质无所不在,没有质量,绝对静止,并且能传播电磁波和光。如果那样,那么地球相对于以太作运动,这两者之间就应该有一个相对速度。”

“那么迈克尔逊-莫雷实验中的光就应该像是一艘船在河中行使,顺流逆流的速度应该是船相对于流水的速度再加减流水本身的速度,而船垂直于流水方向的速度又会不同。那么在迈克尔逊-莫雷实验中的光最后又在半透镜中重合,就会是两束不同速度光的重合了。”

“我们知道光的速度很快,以现在的科技手段不能测量出它的瞬间速度。但是光速=波长×频率,而波长则可以通过光谱仪进行分析。那么如果两种不同波长的光重合在一起,在光谱仪上就会显示出干涉条纹,而如果这两种不同波长的光又起变化,那么干涉条纹就会移动。只是在试验中不管重复多少次,不管把中间的那块半透镜怎么的转动,最后都没有发现干涉条纹,也没有发现干涉条纹移动的现象。”

“所以迈克尔逊和莫雷实验最后以失败告终,而以太这种物质到底存不存在就成了一个疑问。”

“但后来一位叫洛伦兹的科学家却认为:以太还是存在的,只是观察者相对于‘以太’以一定速度运动时,‘以太’的长度会在运动方向上发生收缩,因此抵消了不同方向上光速的差异,这样迈克耳孙-莫雷实验就会出现零结果。并且洛伦兹还为此建立了一个洛伦兹变换公式,而因这个公式又提出了在光速下会存在着钟慢尺缩现象。”

“但爱因斯坦的想法却不一样,他认为如果人们抛弃‘以太’这种物质,而认可光速不变,那么很多其它问题也可迎刃而解。于是爱因斯坦认为光本身就是一种物质,它是由光子组成,而不管光还是光子都具有波粒两像性,它们不依赖任何物质而独自高速运动,并且在所有惯性系中光在真空中的传播速率都具有相同值C。最后,爱因斯坦又综合了迈克尔逊-莫雷实验和洛伦兹变换公式,建立起了他的光速不变原理,并也以此去解释钟慢尺缩现象。”

“而如果在不同的惯性系中,光在真空中的传播速率都具有相同的值C,那么根据一些数学公式去推,时间就不一定是均匀的了,空间距离也不一定是固定值了。于是在光速不变原理中,经典力学中的绝对时间和绝对空间不复存在,而经典力学中的时空参照系、以及相对性原理就算一字不变的照搬,也可看做是修改。”

“于是参照系不再是单纯的时空参照系或相对性原理了,而变成了狭义相对论。只是这种的理论推算到现在还没完善,于是人们就无法凭简单想象去理解了,就算那些尖端科学家们也没几个人能弄得明白。”

“不过明不明白也许不重要,但正不正确却一定重要。于是我们不去讨论狭义相对论,而只去验证迈克尔逊-莫雷实验是否正确。”

“其一:迈克尔逊-莫雷实验是在地球上进行的,它最大的距离也就11米,而在近地范围内以太是否跟随着地球一起运动?当初以太永远静止的提法是否错误?如果是这样,那么光就不应该像是一艘船在河中行使,而更像船内一个人相对船内静止的空气在运动。”

“其二:接收器精度的问题,仪器装置的问题,环境例如空气介质问题,实验原理的问题等,到现在还存在很多不同意见。”

“其三:就算光在真空中速度是一个常数C,怎么突然就变成了在所有惯性系中都是常数C了呢?这中间没有做过任何的实验或论证。”

“其四:经典力学者认为有‘以太’,并且以太没有质量;相对论者认为光速不变、并且光和光子都没有质量;这些都是认为的。而我也可以全部否决,而另外假设一种。”

“以上种种只要有一种不成立,那么整个迈克尔逊-莫雷实验得出的结果就是一个未知数,而洛伦兹变换公式也是建立在一个未知数上的未知数了。所以爱因斯坦的相对论只能去看其中的相对两字,其它内容因为都基于一个凭空想象,则没必要仔细研究,而接下来就只谈光。”

“光到底是能量在以太中的传递?还是光子独自运动的结果?用现在的科技手段没有办法观测出,所以就让我们做一个简单的实验。”

“实验的过程不须讲了,结果是:自然界里光分很多种,其中的可见光有紫、蓝、青、绿、黄、橙、红七种,每一种颜色的光波长范围都不相同,就是同一种颜色的光波长也不一定相同。此外可见光之外还有红外线、紫外线等,这些光的波长会更长或更短,用人眼观测不出,只能借助仪器或一些特如测量手段才能去观测或发现。”

“那么光就不止一种了,而是无数种的集合;而且这种的集合在通过不同介质中时速度会不一样,就算在同一种介质中各种波长光的速度也会不一样。只是在真空中,在绝对的真空中,科学家们认为不管哪种颜色、哪种波长、哪种频率光的速度都是不变的,也就是光速=波长×频率=常数C。”

“再个,现在的科学界也有认为光不但由光子组成,并且也是一种电磁波,而声音则被认为是一种机械波。”

“光子?电磁波?机械波?且不去讨论,可声音也具有和光很多相同的性质啊!即声波也可以分为不同波长、不同频率的声波、超声波、次声波等,它们在通过不同介质时的传播速度也会不一样。但有两点不同,其一,那就是在同一种介质中所有不同波长、不同频率声波的速度都一样,也就是说声速=波长×频率=常数V(在空气中是340米/秒);其二,在真空中就不存在声波了。”

“为什么会出现两点不同呢?难道是它们的本质不同?还是科学实验中的微小误差所引起?还是色散、声不散现象引起?这对于测量工具还不是最先进的我们就只能暂时不去讨论了,而且现在所有的数学公式都是在一个最基本的认为上建立起来的,那么我们就只去讨论光速在真空、或声速空气中为什么会是一个常数?”

“所有科学家们都没法具体解释这个原因,而只有一些近似的实验好像证明了应该是这样的。那么我也可以说光在真空中速度的恒定,不同声音在同一介质中速度的恒定,只不过是一种现象。”

“而现象是一种什么东西?是不依人们意志转移的东西?还是本来就应该存在的东西?还就是一种物质?”

“声波超过一定范围会听不见,光波超过一定范围会看不见,但在一定的范围内它们的速度却又是一个定值,这到底是光本身的原因?还是因为人的原因?现实世界中有些动物只能看到红外线、紫外线,有些动物只能听到次声波、超声波,这又因为什么?”

“难道是光或声音的属性和人体感觉或探测产生了作用的结果?”

“就像你坐在一辆接近声速的车上,你就感觉不到车外后面传来的并微微超过你车速的声音。而车内的声音或车本身的马达声虽然能听到,但在那一瞬间相对于地面上的人来说,其速度也不是那个恒定的常数;而在久了之后,就只能听到马达声了,而车内人的声音不管久了还是不久都听不到。”

“所以我认为音和光只是相对于人类的现象,是一种运动形式,是一种运动共效的形式。因为只有音速或光达到了一个相对数值后人们才能够感觉得到,而超过了这个相对范围那就不是人们所感觉到的声音或光了。”

“至于感觉又是怎么引起的?我想就是共效,是人眼睛系统作出了一种光或声音运动形式的趋势或运动。而这种的共效在自然界中肯定有很多种,不过只有最强的那种才最先觉察出来。”

“所以光不是一种物质,而是一种共效运动形式,而光子、或某些粒子只是参与了其中而已。至于光或光子都具有波粒两象性,这在自然界多了去,如水波、声波、电磁波等。而至于光速为什么会那么快,我想在原子中原子核的质量占了99。95%以上,核外电子的质量占了0。05%以下,如果还有其它未知粒子的话,那么其质量凭现在的手段根本探测不出来,又因为其质量近似无穷的少,那么受到来自电子或原子核的作用,其速度就可以想象。”

“只是,如果这样,那么我们人类觉察或探测到的光现象之外,是否还有速度更快的现象呢?而在地球之外,或在一种完全不同环境的世界中,那里的光现象或其它现象的速度又是怎样的?”

“所以爱因斯坦的光速不变原理要改一改,要加上相对两个字:在所有的惯性系中,光在真空中的相对传播速率都具有相同的值C。而且其它的一些现象比如声音等,也应该同样近似的适用这个原理;再而且如果在以后科技手段再发展的情况下,这个原理中的真空或常数值C也许也要改。”

说到这里后,赵一沣停了下来,并转了一个身,看着院长大人,然后才说:“院长大人,对于光速的实验、对于光本质的研究现在也许还达不到条件;但我想请求您能先做一次音速的相对和绝对实验,而这两个实验我想我们亚盟学院应该有这个条件了。”

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