用波的傳播規(guī)律證偽光速不變原理

用波的傳播規(guī)律證偽光速不變原理張鳴鶴摘要：波具有這樣兩大傳播規(guī)律：(1).傳播介質(zhì)的性質(zhì)決定著波在傳播介質(zhì)中的傳播速度。(2).波源在傳播介質(zhì)中的移動不會影響波在傳播介質(zhì)中的傳播速度。根據(jù)這兩大傳播規(guī)律，可歸納出波速以及光速的確定方法。另外，這兩大傳播規(guī)律還是光波需要傳播介質(zhì)的理論證據(jù)。同時，它們還證明光速不變原理是不切實際的理論。關(guān)鍵字：相對論，光速不變，傳播介質(zhì)，電場中圖分類號：Ｏ43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ0引言相對論寫進(jìn)了中學(xué)與大學(xué)的物理教科書，被認(rèn)為是當(dāng)今最偉大的理論，但同時它也是遭到質(zhì)疑最多的理論。光速不變原理是相對論的基礎(chǔ)，其也是被質(zhì)疑的焦點?？茖W(xué)探索之本在于發(fā)現(xiàn)規(guī)律，復(fù)雜的自然現(xiàn)象往往反應(yīng)的是簡單的科學(xué)規(guī)律。要學(xué)會通過現(xiàn)象總結(jié)規(guī)律，然后再使用規(guī)律詮釋新的現(xiàn)象，對光速的探索就可使用這種方法。光是波的一種，因此可以先歸納波的傳播規(guī)律，然后再把它應(yīng)用到光波上。當(dāng)把波的傳播規(guī)律應(yīng)用到光波上后會發(fā)現(xiàn)，一些看似復(fù)雜的光現(xiàn)象都可以得到合理解釋，它們并不神秘莫測。重要的是要學(xué)會發(fā)現(xiàn)規(guī)律，學(xué)會運(yùn)用規(guī)律，學(xué)會透過現(xiàn)象看本質(zhì)。其實，光速的確定方法與其它波并沒有什么不同，此文用波動理論對光速確定方法的詮釋，道理簡單，方法可靠，值得商榷。1人們對光速不變原理存在的質(zhì)疑光速不變原理指出：真空中的光相對于任何參考系的傳播速度都是一樣的，與光源和觀察者的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)[1]。光速不變原理有兩層含義：(1).光源的移動不會影響光的傳播速度；(2).光相對于任何參照物的傳播速度都是一樣的，不管這些參照物是運(yùn)動的還是靜止的。對于第(1)層，光源的移動不會影響光的傳播速度的觀點，人們大都沒有異議。因為波在傳播介質(zhì)中的傳播速度是由傳播介質(zhì)的性質(zhì)決定的，波在性質(zhì)穩(wěn)定的傳播介質(zhì)中的傳播速度是固定的[2]。波源相對于傳播介質(zhì)移動時會影響波的頻率與波長，但波在傳播介質(zhì)中的傳播速度并不會改變，這是所有波都遵循的一條規(guī)律。但對于第(2)層，光相對于運(yùn)動狀態(tài)不同的參照物其傳播速度都是一樣的這種觀點，就有不少人表示質(zhì)疑了，因為它違背了最基本的速度合成規(guī)則。2光速確定方法詮釋確定速度的大小必須有明確的參照物才有意義。而光速不變原理卻說，光相對于所有的參照物傳播速度都一樣。所謂的相對于所有參照物，其實質(zhì)就是沒有明確的參照物，沒有明確的參照物則速度就無從談起。那么應(yīng)該如何確定光相對于一參照物的運(yùn)行速度呢？光是電磁波[3]，是波的一種，這就需先研討波運(yùn)行速度的確定方法。波速確定方法與實物粒子運(yùn)行速度的確定方法有所不同，這里需首先明白，波具有以下兩大傳播規(guī)律：(1).波在傳播介質(zhì)中的傳播速度是由傳播介質(zhì)的性質(zhì)決定的，波在性質(zhì)穩(wěn)定的傳播介質(zhì)中的傳播速度是固定的。(2).波源在傳播介質(zhì)中的移動不會影響波在傳播介質(zhì)中的傳播速度。在確定波速時，波源在傳播介質(zhì)中的移動速度并不能參與波速的合成。既然是這樣，則傳播介質(zhì)就是波速的第一參照物。根據(jù)以上兩點，可歸納出以下的波速確定方法：(1).首先確定波在傳播介質(zhì)中的傳播速度。(2).再確定波的傳播介質(zhì)相對于參照物的移動速度。(3).然后把兩個速度合成，就是波相對于該參照物的傳播速度。(4).波傳播過程中，若波到達(dá)區(qū)域的傳播介質(zhì)性質(zhì)出現(xiàn)了改變，則波的傳播速度也會跟著改變。總結(jié)：波速是由傳播介質(zhì)的性質(zhì)與傳播介質(zhì)相對于參照物的運(yùn)動狀態(tài)兩大因素決定的。傳播介質(zhì)是波速的第一參照物，要想知道波相對于其它參照物的運(yùn)行速度，就必須首先知道波的傳播介質(zhì)是什么。光是波的一種，確定其相對于各參照物的運(yùn)行速度，也應(yīng)該使用上面的法則。最初人們認(rèn)為光的傳播介質(zhì)是以太，可后來以太又被否定，于是便出現(xiàn)了光波不需要傳播介質(zhì)的定論[4]。這樣的定論給光速的確定出了個難題，光沒有了傳播介質(zhì)，光速就沒了第一參照物，更無法確定其相對于其它各參照物的運(yùn)行速度。在這種無法確定光速的情況下，光速不變的假設(shè)便被提了出來。波的形成與傳播需要兩個基本條件：波源和介質(zhì)。波源是產(chǎn)生振動的物體，而介質(zhì)則是振動能量傳播所需的物質(zhì)，這兩個條件缺一不可。沒有波源就無法產(chǎn)生振動，而沒有介質(zhì)則無法傳播振動。而介質(zhì)的震動，只是在一平衡點進(jìn)行，介質(zhì)并不會隨波的傳播而移動。因此，必須有連續(xù)的傳播介質(zhì)波才可以傳播下去。光波的傳播也應(yīng)如此，必須有連續(xù)的傳播介質(zhì)。也正是光無需傳播介質(zhì)的理論，才讓人們對光速的認(rèn)識陷入了困局，確定光的傳播介質(zhì)是解決光速問題的關(guān)鍵。3波傳播介質(zhì)的確定方法與光傳播介質(zhì)的確定物理學(xué)家們曾猜想宇宙空間中充滿著光的傳播介質(zhì)，并把它叫著以太，并認(rèn)為以太是絕對靜止的。宇宙中的各星球都在以太內(nèi)部運(yùn)動，以太可以作為宇宙中的絕對參照物。由于地球在繞太陽公轉(zhuǎn)，并且還在自轉(zhuǎn)，則地球和以太之間必有相對運(yùn)動。于是人們就想通過測量以太與地球的相對運(yùn)動，來證實以太的存在。為了證明以太的存在，物理學(xué)家做了大量實驗，其中最著名的實驗叫邁克爾遜-莫雷實驗。邁克爾遜-莫雷實驗測得：在地球附近的空間中，光在各個方向上的傳播速度是相同的[5]。根據(jù)前面總結(jié)的波速確定方法可知，若以太與地球有相對運(yùn)動，則沿以太移動方向傳播的光，其速度應(yīng)該大于向其它方向傳播的光，實驗不應(yīng)該出現(xiàn)光在各方向傳播速度都相同的結(jié)果。該實驗結(jié)果否定了以太與地球的相對運(yùn)動，也即是否定了可作為宇宙中絕對參照物的以太的存在。于是就有人認(rèn)為，既然以太不存在，則光傳播就不需要傳播介質(zhì)，情況真的是這樣嗎？其實，邁克爾遜-莫雷實驗只是證實了，在地球附近的空間中，光的傳播介質(zhì)與地球沒有相對運(yùn)動，而該實驗無法證實光是否需要傳播介質(zhì)這個問題。那么又該如何確定光的傳播介質(zhì)是何種物質(zhì)呢？其實方法很簡單，可通過波的傳播機(jī)制來尋找確定方法。波是靠介質(zhì)的有序震動進(jìn)行傳播的，根據(jù)波的這個傳播特點，可歸納出確定波傳播介質(zhì)的方法，即：波傳播時，在傳播地點做有序震動的物質(zhì)，就是波的傳播介質(zhì)。那么光傳播時，是那種物質(zhì)在做有序振動呢？是電磁場[6]。因為光傳播時，光波中電磁場的強(qiáng)度，進(jìn)行著周期性的大小變換。電磁場強(qiáng)度的這種大小變換，實際就是電磁場在振動，變換中的電磁場的最大強(qiáng)度，正是電磁波的振幅[7]。所以說，電磁場就是電磁波的傳播介質(zhì)。由于磁場是電場的另一種表現(xiàn)形式，即可認(rèn)為：光的傳播介質(zhì)是電場。確定了光的傳播介質(zhì)是電場，并知道電場是由組成物質(zhì)的帶電粒子發(fā)出[8]，并會隨帶電粒子移動，因此電場與其它參照物是可以存在相對運(yùn)動的。根據(jù)前面歸納的波速的確定方法可知，在電場中傳播的光，相對于運(yùn)動狀態(tài)不同的參照物的運(yùn)行速度是不一樣的。所以說，從理論上可以證明光速不變假設(shè)是錯誤的。由于光速不變假設(shè)，是在無法確定光的傳播介質(zhì)的情況下提出，現(xiàn)確定了光的傳播介質(zhì)后，其自然也就沒有了存在的理由。4光可以在浩瀚太空中傳播的原因人們之所以會認(rèn)為光傳播無需傳播介質(zhì)，還有另外一個重要原因，就是其它星球發(fā)出的光可以穿過浩瀚的太空到達(dá)地球。人們一直認(rèn)為浩瀚的太空是真空的，光可以在浩瀚的太空中傳播，于是便有人認(rèn)為光傳播不需要傳播介質(zhì)。電場是由組成物質(zhì)的帶電粒子發(fā)出，并可以向遠(yuǎn)處無限的延伸[9]。由于宇宙中存在有數(shù)以萬億計的星球[10]，這些星球大都是由帶電粒子組成，所以它們會在太空中形成各自的電場，這些電場便是光可以在浩瀚太空中傳播的原因。5地球附近空間中光各向同速的原因由于做邁克爾遜-莫雷實驗的地點是在地面，因此該實驗得到的結(jié)果實際上是在地球附近空間這個特定區(qū)域中的結(jié)果。也就是說，在地球附近空間中，光在各個方向上的傳播速度是相同的。為什么會有這樣的結(jié)果呢？有以下兩個方面的原因：(1).由于其它星球距離地球太遙遠(yuǎn)，它們在地球附近形成的電場與地球自身形成的電場相比可以忽略，地球附近空間中的電場主要由地球自身形成。因此，地球附近空間中的電場與地球是成為一體的，沒有相對運(yùn)動。(2).傳播介質(zhì)的性質(zhì)決定著波在該傳播介質(zhì)中的傳播速度。在地球附近空間這個特定區(qū)域里，電場的性質(zhì)處處都基本相同，因此在這里測得的光速也都基本相同，為每秒約30萬公里。另外，光在水、玻璃或其它物質(zhì)中傳播，都有各自固定的傳播速度，也是同樣的道理，它們的速度是由各物質(zhì)內(nèi)部穩(wěn)定的電場性質(zhì)決定的。由于地球附近空間中電場的性質(zhì)各處都基本相同，又由于地球附近空間中的電場與地球沒有相對運(yùn)動，這才造成在地球附近空間中測量到的光速，在各處及各個方向上都基本相同。6各星球發(fā)射到地球表面的光速相同是光波需要傳播介的證據(jù)通過前面的分析還可以明白，光在遠(yuǎn)離地球的太空中時，不管其相對于地球的傳播速度是多少，當(dāng)它到達(dá)地球附近后，其相對于地球的傳播速度都會變?yōu)橐粯樱瑸槊棵爰s30萬公里。也就是說，不管是從太陽發(fā)射到地球的光，還是由其它任何星球發(fā)射到地球的光，當(dāng)它們到達(dá)地球附近后，其相對于地球的傳播速度其大小都是一樣的。由于其它星球發(fā)射到地球表面的光與地球上的光源發(fā)出的光傳播速度相同，有部分人便認(rèn)為光相對于各星球的傳播速度都一樣，于是得出光相對于任何參考系的傳播速度都是一樣的錯誤結(jié)論。不能從這些表面現(xiàn)象就推斷光速不變，要透過現(xiàn)象看本質(zhì)。實際上正是因為光需要傳播介質(zhì)，傳播介質(zhì)的性質(zhì)又決定著光速的大小，這樣才造成各星球發(fā)出的光到達(dá)地球后，其傳播速度會變得相同。這一現(xiàn)象，是傳播介質(zhì)的性質(zhì)決定波速大小這個傳播規(guī)律的反應(yīng)，是光需要傳播介質(zhì)的證據(jù)。相反它不可作為光速不變理論的證據(jù)。7拋球?qū)嶒炇枪獠ㄐ枰獋鞑ソ橘|(zhì)的又一證據(jù)相對論在證明光速不變原理時講到這樣一個拋球?qū)嶒灒河屑滓覂扇耍麄冎g相距一段距離，甲手中有一小球拋向乙，拋出的速度為V。按照速度合成原理，甲拋球前與拋出后瞬間，球發(fā)出的光，傳播速度分別為C和C+V，由于C+V大于C，拋出后瞬間球發(fā)出的光，應(yīng)該先傳到乙的眼中，就會出現(xiàn)乙先看到球被拋出，后看到拋球動作的現(xiàn)象。然而這種先后次序顛倒的現(xiàn)象從沒出現(xiàn)過，于是相對論就認(rèn)定，光速不滿足速度合成定律，認(rèn)定光速在任何情況下都是不變的，并把該現(xiàn)象作為光速不變原理的證據(jù)。相對論上面對拋球?qū)嶒灥慕忉屖遣磺袑嶋H的，是錯誤的。該拋球?qū)嶒灥膶嵸|(zhì)是：觀察小球的運(yùn)動狀態(tài)是通過小球發(fā)出或反射的光，也就是說小球就是光源，小球被拋出的過程實際就是光源移動的過程。由于光源的移動并不會影響光在傳播介質(zhì)中的傳播速度，則小球被拋出后發(fā)出的光的傳播速度并不是C+V，而仍是C。所以，才不會出現(xiàn)先看到球被拋出，后看到拋球動作的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象，是波源的移動不會影響波在傳播介質(zhì)中的傳播速度這個傳播規(guī)律的反應(yīng)，所以拋球?qū)嶒炌瑯邮枪獠ㄐ枰獋鞑ソ橘|(zhì)的證據(jù)。相反不可作為光速不變理論的證據(jù)。各星球發(fā)射到地球表面的光速相同和拋球?qū)嶒灒瑥膬蓚€方面證明：光波與其它波一樣，傳播必須依靠傳播介質(zhì)。8太空中光的傳播情況解析太空中的電場，是由宇宙中數(shù)以萬億計的運(yùn)動著的星球共同形成，當(dāng)空間位置改變時，電場的強(qiáng)度與運(yùn)動狀態(tài)可能也會改變。光在均勻的介質(zhì)中是沿直線傳播[11]，而宇宙中的電場不是處處都一樣，所以，光在太空中并不會一直沿直線傳播，它長遠(yuǎn)的運(yùn)動軌跡也可以是彎曲的。例如，光經(jīng)過太陽附近時就會出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象[12]。這個主要是接近太陽時電場密度會漸漸變大，遠(yuǎn)離太陽時電場密度會漸漸變小造成的。這種現(xiàn)象和空氣中的光照射到水中后，會發(fā)生折射是一樣的道理[13]，只是一個是電場密度漸漸進(jìn)行了改變，另一個是電場密度突然出現(xiàn)了大的改變[14]?？偨Y(jié)：在光線非垂直射入的情況下，電場密度突然出現(xiàn)大的改變光線會發(fā)生折射現(xiàn)象，電場密度漸漸改變光線會發(fā)生彎曲現(xiàn)象。光線在太空出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象，是電場密度與電場的運(yùn)動狀態(tài)漸漸出現(xiàn)了改變造成的，這一現(xiàn)象使用波動理論可以很自然的得到解釋，并非由引力造成，也不存在時空彎曲現(xiàn)象。另外，電場的強(qiáng)弱變化以及電場的運(yùn)動，都會影響光的傳播速度，所以光在太空中并不會一直以恒定的速度傳播。測量得到的每秒30萬公里的光速，實際上是在地球附近空間這個特定區(qū)域中的光速。9用事例詮釋光速的確定方法9.1事例1：地球附近空間中光速的確定方法在地球附近的空間中，光的傳播介質(zhì)電場與地球沒有相對運(yùn)動，也即是，在這個區(qū)域里光的傳播介質(zhì)相對于地面是靜止的。假設(shè)光在地球附近空間中的傳播速度是C。則一個停在軌道上的火車，其前車燈發(fā)出的光，相對于軌道的傳播速度就是C。由于火車沒有運(yùn)動，則火車相對于光的傳播介質(zhì)的運(yùn)行速度是0，所以此時該光相對于火車的傳播速度也是C。若該火車以速度V向前行駛，請問火車此時前車燈發(fā)出的光，相對于軌道與火車的傳播速度又各是多少呢？由于光源的移動不會影響光在傳播介質(zhì)中的傳播速度，則行駛的火車前車燈發(fā)出的光，相對于軌道的傳播速度仍是C，而不是C+V。這里要明白，波速的確定方法與實體物質(zhì)運(yùn)行速度的確定方法有所不同。在運(yùn)行的火車上，若有人在車廂內(nèi)沿火車運(yùn)動方向向前行走，則該人相對于軌道的移動速度就是車速與人行走速度之和。但波速的確定方法卻不同，波速是由傳播介質(zhì)的性質(zhì)與傳播介質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)兩者決定，與波源的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)，所以不能簡單相加，需按照前面歸納的波速確定方法計算。由于行駛的火車相對于光的傳播介質(zhì)的運(yùn)行速度不再是0，而是V，且火車行駛方向與光傳播方向一致，則此時該光相對于火車的傳播速度不再是C，而變?yōu)镃-V。這里要注意，光雖說是由火車發(fā)出的，但其相對于移動的火車的傳播速度并不是C?；疖囆旭倳r，其前車燈發(fā)出的光，相對于軌道與火車的傳播速度不再相同，由此說明光速不變原理是錯誤的。9.2事例2：運(yùn)動的高密度物質(zhì)內(nèi)部的光相對于地面?zhèn)鞑ニ俣鹊拇_定方法上面介紹的是光的傳播介質(zhì)與地面沒有相對運(yùn)動時的例子，下面再研討一下光的傳播介質(zhì)與地面有相對運(yùn)動時是什么情況。地面上運(yùn)動的高密度物質(zhì)內(nèi)部的光，其相對于地面的傳播速度又該如何確定呢？下面就這個問題進(jìn)行研討。這里講的高密度物質(zhì)，是相對于氣體物質(zhì)而言的，可以理解為是液體或固體物質(zhì)，比如水與玻璃。高密度物質(zhì)內(nèi)部的電場，主要以該物質(zhì)自身形成的電場為主，其內(nèi)部的電場可以隨物質(zhì)一起移動，這個和氣體物質(zhì)是有重大區(qū)別的。地球周圍空氣中的電場，是由地球與空氣共同形成，由于空氣的密度比較小，空氣中的電場以地球形成的電場為主。這樣一來，當(dāng)空氣流動時，空氣流動區(qū)域內(nèi)的電場并不會因空氣的流動而出現(xiàn)明顯的變化。因此，測量地球附近空間中的光速時，可忽略空氣流動因素的影響。由于高密度物質(zhì)內(nèi)部的電場可隨物質(zhì)移動，則在高密度物質(zhì)內(nèi)部傳播的光會被移動的物質(zhì)拖拽。此種情況已被斐索流水實驗、霍克實驗和Sagnac效應(yīng)所證實[15,16]。流動的水可實現(xiàn)對光的部分拖拽，整體移動的水可實現(xiàn)對光的完全拖拽。下面就通過一事例來詮釋光被完全拖拽的情況。這里還假設(shè)光在地球附近空間中的傳播速度是C。并假設(shè)光在靜止水中的傳播速度是C1。再假設(shè)地面上有一個裝滿水，且以速度V向前移動的玻璃箱。有一束光從箱子的后方穿過箱子，射向箱子的前方。請問光在該移動玻璃箱內(nèi)的水中傳播時，該光相對于玻璃箱與地面的傳播速度各是多少？當(dāng)光穿過玻璃箱返回大氣中后，其相對于地面與玻璃箱的傳播速度又各是多少？。光在靜止水中的傳播速度是C1，也即是光相對于水中的電場的傳播速度是C1。由于水中的電場會隨水一起移動，光要保持相對于電場的速度不變，就會表現(xiàn)出被移動的水拖拽的現(xiàn)象。當(dāng)玻璃箱中的水整體移動時，水中的光相對于水的速度會保持不變，始終為C1。這樣水中的光相對于玻璃箱的傳播速度便是C1，相對于地面的傳播速度就是V+C1。當(dāng)光穿過玻璃箱又回到大氣中后，由于傳播介質(zhì)發(fā)生了改變，其相對于地面的傳播速度將變回C，而此時相對于玻璃箱的傳播速度變?yōu)镃-V。10總結(jié)通過上面的研討已清楚，光速一直無法確定的原因，是人們沒有掌握波速的確定方法，以及波傳播介質(zhì)的確定方法。在尋找光的傳播介質(zhì)遇到困難時，便錯誤的認(rèn)為光無需傳播介質(zhì)。這也造就了光速不變假設(shè)與相對論的出現(xiàn)。解決光速問題的關(guān)鍵，就是要首先確定光的傳播介質(zhì)。傳播介質(zhì)確定后，光在地球附近空間中各向同速、各星球照射到地球上的光速相同、拋球?qū)嶒?、以及光?jīng)過太陽附近時會發(fā)生彎曲等各類光現(xiàn)象，都可以得到合理的解釋，一通百通。光不能在無傳播介質(zhì)的空間中傳播，也不存在光速不變原理。參考文獻(xiàn)：[1]阿爾伯特·愛因斯坦.相對論的意義[M].李灝,譯.北京:北京大學(xué)出版社.2020:19-26[2]A.P.French.WavesandVibrations[M].CA:NorthropFryePress.1970:36[3]鐘錫華.現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)[M].北京