《光速不变假设的理论和实验支持》

《光速不变假设的理论和实验支持》(,)光速不变假设是狭义相对论和广义相对论的最基本前提之一，也是反对相对论者和支持相对论者的热点话题之一。因为光速不变原理至今还是一个有待证实的假说，本文围绕着这个假设，讨论光速不变假设在理论和实验上得到的支持。爱因斯坦年月发表在德国《物理学年鉴》上的那篇著名的相对论论文《论动体的电动力学》，提到光速问题的话[]：“光在空虚空间里总是以一确定的速度传播着，这速度同发射体的运动状态无关。”“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们定义如下：.物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系。.任何光线在‘静止的’坐标系中都是以确定的速度运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”根据这篇论文和现代物理学进展，可以了解到：光速不变假设是指：光在真空中的速度是恒定的，它不依赖于发光物体的运动速度。而光速不变原理是指：真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。光速不变原理和光速不变假设有所区别，它是结合相对性原理和光速不变假设的一种表述。一、光速不变假设产生的时代背景爱因斯坦在他１６岁时的中学时代，就产生了一个“追光”思想实验，即如果他以光速去追赶一束光，会是什么情形呢？后来，爱因斯坦认为这种情形是一个悖论，他描述为：如果他以速度Ｃ（真空中的光速）追随一条光线，那么他就应该看到，这样一条光线虽然在空间里振荡，却象一条停滞不前的电磁场。可是，无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，这样的事情都不可能发生。只要时间或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在人们的潜意识里，那么任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试，都注定要失败[]。这是一个逻辑思考，并不牵涉许多其它高深概念。这个悖论并不是想了解真实的光是如何运动的，而是思考：假设光速运动时，既要符合牛顿力学（被认为是与我们的经验事实或感知相近的力学理论），又要符合电磁力学的观点。1/9牛顿力学理论认为空间和时间（或同时性）是绝对的，“观察”是瞬间的，观察者和被观察者对同一事件的发生都有着一个绝对的同时；任何相同相向速度的运动物体，它们之间的关系就是相对静止的。那么，在牛顿力学理论的概念下，与光速一样速度运动的人就会同时“看到”停滞不前的光；但根据麦克斯韦的电磁场理论，光是一种电磁波，光速是以连续不间断的电磁波形式在电磁场中传递；也就是在任何情况下，电磁场（波）是连续的，而不能是静止的，电磁波一旦产生，就以有限速度的恒定值光速传播。这就是说，要么光静止，要么以光速运动，不能同时存在，牛顿力学和电磁力学在这个悖论上产生矛盾。从这个逻辑思考中，比较牛顿力学和电磁力学的观点，基于电动力学的精度超过牛顿力学几个数量级，有理由认为电磁力学对光速的解释会更加合理些，更能够真实的反映客观世界。爱因斯坦基于他描述的悖论的思考，放弃了牛顿力学中时间或同时性的绝对性，选取电磁力学光速传播观点，即“光在空虚空间里总是以一确定的速度传播着，这速度同发射体的运动状态无关。”再回头来看看那个悖论，由于有了光速与光源运动无关的认可以及没有绝对同时性的要求，光一旦发出，都可以看到光了，是“动”光，而不是“静”光了，这样就可以合理解释那个悖论了。二、对牛顿力学理论的再认识牛顿力学认为力是瞬间作用的，即无限的；电磁力学认为电磁力是有限的，即受光速限制；电磁力是宇宙的四个基本作用力之一，为什么它会不遵守牛顿力学原则？因此，作为力学基础的牛顿力学受到挑战。牛顿力学起源于人们的实际观察或测量经验，实际观察或测量的速度相对于光速来讲，都是比较慢的情形；另一方面，牛顿力学又以公理的形式认为时间和空间都是绝对的（对各个参照系都相同）；对于观察或测定的运动对象，其观察或测定所需的时间也是默认瞬间的或绝对同时的（或者是用无穷大速度测量）。然而，当用光速运动来思维（因为实际检验做不到）牛顿力学的应用时，就会发现如前面所提到的思维悖论。根本原因就在于：对于观察或测定的运动对象（或研究对象），其观察或测定所需的时间对一个观察者来讲，不能再认为（或默认为）是瞬间的或绝对同时的了，由于运动对象（或研究对象）的速度是如此之快，对观察或测定过程本身所需的时间已经明显表现出来了，不能再忽略不计，换言之，牛顿力学以无限快的观察速度替代了真正的观察速度光速，绝对同时在这种高速运动的力学分析中受到质疑。三、光速不变假设在理论上得到的支持2/9光是一种人类眼睛可以见的电磁波波长（可见光）。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱。光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。１、电磁力学理论的支持法拉第证明了变化的磁场可以产生感生电动势，麦克斯韦证明了变化的电场可以产生磁场，而感生电动势是可以产生变化的电场的。麦克斯韦在《论物理学的力线》中，预见了电磁波的存在，即空间某处产生了变化电场，在周围空间就要产生变化磁场，这个变化磁场又要在较远的空间产生新的变化电场，接着又要在更远的空间产生新的变化磁场，这样变化继续下去。这种变化的电场和磁场交替产生、由近及远、以有限的速度在空间内传播的过程，称为电磁波。至于电磁波（或电磁辐射）是如何“形成和运动”的，涉及到在量子层次，简单地说就是带电粒子会从某个本征量子态跃迁至另外一个本征量子态，因而产生电磁辐射[]。电磁波已经得到广泛实验证实，而只有处于可见光频域以内的电磁波，才是可以被人们看到的光。由于电磁波（或电磁场）总是随着时间变化的，可以认为它是一种绝对的传播运动。从麦克斯韦方程组，能解出“电磁波速在真空中不变，而且数值恒等于光速”，这为光速不变假设提供了一个最可靠的理论基础。如果麦克斯韦方程正确，而且满足相对性原理，那么可以证明光速不变是正确的，但在爱因斯坦提出狭义相对论的时候还不知道麦克斯韦方程是否正确，于是才把光速不变作为基本假设。在量子力学中可以看到，如果光子的静止质量为零那么光速不变是正确的，而光子作为电磁力的媒介子，其静止质量为零直接导致了库仑定律的平方反比率，只要验证库仑定律是否严格遵循平方反比率，就可以间接验证光速不变是否正确只有库仑定律严格遵循平方反比率，才会由静电学上的高斯定理，该定理有一推论是一带电空心导体球壳内部各点场强处处为零。因此验证光速不变的关键就是验证这一推论，这是可以拿电压表去测的（若场强处处为零则电压处处相等）。根据最近公布的实验结果，光子的静止质量最大上限为，一共个，这个结果足以保证光速不变的正确性[]。值得一提的是，基于时间的考量，在电动力学里，由于电磁波传播于真空的速度是有限的，观测者探测到电磁波的时间，是不同于这电磁波发射的时间，称为推迟时间（)。推迟时间的概念意味着电磁波的传播不是瞬时的。电磁波从发射位置传播到终点位置，需要一段传播期间，称为时间延迟。与日常生活的速度来比，电磁波传播的速度相当快。因此，对于小尺寸系统，这时间延迟，通常很难被注意到。例如，从开启电灯泡到这电灯泡的光波抵达到观测者的双眼，所经过的时间延3/9迟，只有几兆分之一秒。但是，对于大尺寸系统，像太阳照射阳光到地球，时间延迟大约为 分钟，比较能够被观测到。２、量子力学的理论支持（１）光子的特点光子的静止质量认为是零，不带电荷。光子的许多特性莫不归因于此，例如光子最轻，所以速度最快，而带质量的物体其速度均没有超过光速；又例如光束的波动性较电子束显著，乃是由于电子束带有质量，动量较大，而波长较小的缘故。从另一个角度来看，光子轻，能量少。当一光源中的原子加速运动时，只要花费少许能量，即可产生一大群光子。在这群光子束中增加或减少一个光子并不影响其性质，因此光束的粒子性不显著。由于光子均以光速运行，又不带电荷，而力的作用速度也只是相当于光速，所以，光速没有加速度，光速也不能叠加。（２）光子和光子之间不发生作用如果粒子相碰撞，那么粒子的速度也就会变化，光子之间会有这种情况吗？量子理论提供了对这种问题的基本认识。在亚原子粒子中，光子是玻色子，不带电荷，没有静止质量，自旋为。它们是场粒子或电磁扬的携带者。泡利不相容原理的表明，两个费M子不可以在同一时间占据同一个空间，而两个玻色子却可以在同一时间占据同一个空间。我们会想象光的粒子性，光子具有一定的动量，光子与光子碰撞时光子的动量减小了，从而引起光的衰减。而光子是玻色子，而玻色子最显著的特点便是不遵守“泡利不相容原理”，而正是因为这一点使得光子和光子之间不发生作用。因为在同一时间空间中可以存在多个玻色子，而只能存在一个费M子。我们思想中所描述的碰撞是一个粒子抢夺另一个粒子的空间位置，而玻色子不存在抢夺的问题。激光、超导、超流便是玻色子在“波色爱因斯坦凝聚态”这一物理状态的产物，这也就事实上说明了光子和光子之间不发生作用，因而光子之间不会有速度变化的问题，或者说明光速没有加（减）速度，光速也不能叠加。如果麦克斯韦方程正确，而且满足相对性原理，那么可以证明光速不变是正确的，但在爱因斯坦提出狭义相对论的时候还不知道麦克斯韦方程是否正确，于是才把光速不变作为基本假设。在量子力学中可以看到，如果光子的静止质量为零，那么光速不变是正确的，而光子作为电磁力的媒介子，其静止质量为零直接导致了库仑定律的平方反比率，只要验证库仑定律是否严格遵循平方反比率，就可以间接验证光速不变是否正确只有库仑定律严格遵循平方反比率，才会由静电学上的高斯定理，该定理有一推论是一带电空心导体球壳内部各点场强处处为零。因此验证光速不变的关键就是验证这一推论，这是可以拿电压表去测的（若场强处处为零则电压4/9处处相等）。根据最近公布的实验结果，光子的静止质量最大上限为，一共个，这个结果足以保证光速不变的正确性。四、光速不变假设在实验上得到的支持１、高能中性π介子衰变测光速实验这个实验是最明确的检验相对论光速不变假设的实验。年，瑞士日内瓦的欧洲联合核子研究中心，高能中性π介子衰变中产生的光子，测量路线上的飞行时间来确定这里光子的速率，π介子是用的质子轰击铍靶产生的，他们的速率是，这个速率是由同一事件的带电π介子速率推算而来的，利用射束的结构来计时。得出源速相当快、甚至接近光速时发出的光子速率依然是，实验误差在 *^左右。我们现在来考虑一下光子的消光距离，根据上述公式可以简单的计算出来，该距离约为*^M。这个实验以非常漂亮的结果无可争辩地证实了，高速运动光源发出光的速率依然是。２、各种粒子的加速实验把单一电子加速到光速，就需要无限的能量，粒子物理学家们对这一限制深有感触。质子进入美国伊利诺伊州费M实验室的加速器时，它们的速度已经达到光速的。加速器的最后阶段使质子的能量提高了倍，但速度仅增加到光速的，与它们进入加速器的速度相比，提高不足。３、迈克耳孙－莫雷实验在世纪，为了对经典速度合成公式不能用于光速的问题作出解释，历史上曾经流行过所谓“以太”的假设。认为光是在“以太”介质中传播的波，光的速度只取决于“以太”的性质而同光源的速度无关。为此，既要求“以太”有很“硬”的刚性，使光波速度能高达×^；又要求以太“软”得像真空，从而对运动物体不施加任何阻力。此外，以太还必须充满整个宇宙空间，以供无数天体光波传播之用。这样的“以太”是否真的存在呢？为了寻找“以太”，许多科学家进行了大量的工作，最为有名的是迈克耳孙和莫雷所进行的一系列实验。根据理论推导和实验的精度，他们认为如果“以太”存在的话，会有预期的实验现象出现－－两束光的干涉条纹移动，实验却得到了否定的结果。年，爱因斯坦抛弃“以太”观念、以光速不变假设和所有惯性系物理规律相同假设的基础上建立了狭义相对论。光在真空的传播不依赖“以太”观念可以更好地解释光速不变的假设。有些学者认为，根据厄瓦耳()和俄辛()的消光定理（），从电动力学的角度看来，包括迈克尔逊－莫雷实验()在内的一些早期光学实验都存在着理论上的缺失。5/9这类实验除了迈克尔逊－莫雷实验()外，还有双星观测、太阳两个边缘光速和一些其它借用地球以外的光源来做的各类实验。尽管如此，近代一些更加精确的测试“以太”实验结果还是强有力地否定了“以太”；如１９５８年的微波激射器实验和１９６３年的γ射线的“无反冲”发射和吸收实验，这两个多普勒频移实验数据表明，可观测到的以太漂移速率与地球轨道速率相比是微不足道的。４、各类测定光速的实验光速的测定在光学的研究历程中有着重要的意义。虽然从人们设法测量光速到人们测量出较为精确的光速共经历了多年的时间，但在这期间每一点进步都促进了几何光学和物理光学的发展。当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的。（１）光速测定的天文学方法：如：罗默的卫星蚀法（光速测定历史上的第一个记录），布莱德雷的光行差法（恒星的光行差法）；（２）光速测定的大地测量方法：如：伽利略测定光速的方法（物理学发展史上，最早提出测量光速的是意大利物理学家伽利略），旋转齿轮法（不够准确），旋转镜法（不够准确），旋转棱镜法（把齿轮法和旋转镜法结合起来以减少测量误差）；（３）光速测定的实验室方法：如：微波谐振腔法，激光测速法（原理是同时测定激光的波长和频率来确定光速，νλ，精度很高）；随着科技的进步，一方面测定光速的精度在不断提高，另一方面各类测定光速的实验也表明光速近似恒值。根据年第十五届国际计量大会的决议，现代真空中光速的最可靠值是：±。５、宇宙学宏观实验或观察（１）恒星光行差：任意恒星光行差都长期保持不变，证明：光行差不随时间变化，所以光速也不随时间变化。所有恒星的光行差都为〃角距，证明：所有恒星的光速都相同。（２）恒星都是一个一个的小圆点证明：任意一个恒星的所有的光线的光速都相同，即没有不同光速的光线。采用反证法，假设有不同光速的光线，则恒星具有多个位置和任何拉长的现象，因为从未观察到过，所以假设不成立。（３）恒星都静止证明：所有恒星的光速都不随时间变化，都始终恒为常数不变。这是因为如果光速不断变化，则看起来恒星必然是运动的。（４）光的传播速度并不遵从经典速度合成规律。这种令人惊奇的结果首先是通过天文观测研究发现的。例如，现代观测到的距离地球约光年的蟹状星云，通过分析6/9知道它是年出现的一颗超新星的遗迹。根据我国北宋时期的天文记载，这颗超新星在爆发开始出现的头天中很亮，随后逐渐变暗，直到个月以后肉眼才看不到。这实际上是四散飞出的爆发物质温度日益降低的表现。从地球上看到的超新星亮光正是这种爆发物质发出的，并且亮光的传播速度仍为光速，而与爆发物质的运动速度无关。但如按经典速度合成公式（ '）计算，取四散飞出的爆发物质运动速度≈，则在地球的视线方向上，亮光的传播速度应为（）；而在与该视线垂直的方向上，爆发物质运动速度在视线方向的投影为零，故亮光的传播速度仍为。这里的爆发物质至地球的距离仍近似地取作光年，则不难算出以上具有不同速度的亮光到达地球的时间差约为年，这同实际测量的个月的亮光持续时间显然不符。但是各种光速不变的实验都只能证明回路光速不变，从未能够证明单向光速不变，甚至把单向光速视为不可观测的量。因此光速不变原理至今还是一个有待证实的假说。五、光速不变的其它物理学意义在科学中涉及定量问题时，必须依赖一套常数。但其中一些常数之所以比别的更“基本”，是因为不能借助现有理论去计算它们。因此基本常数的精确测定便成了物理学中最重要的工作之一。常用的基本常数包括万有引力常数、真空光速、基本电荷、普朗克常数等，其中如光速和基本电荷等常数，其有效数字已达位（一般而言，有效数字越多表明测定越精确）。用于测量光速的实验不断地变得更精确。到世纪年代，电子计时装置已经取代了古老的机械设备。世纪年代，通过测量激光和频率（）和波长（λ），运用λ公式计算出了光速（）。这些计算以M和秒的标准定义为基础，就像现在一样，M定义为氪源产生的光的波长的倍，秒则定义为铯原子超精细跃迁放出的辐射频率的倍。这使得达到非常高的精度，误差只有十亿分之几。年，光速取代了M被选作定义标准，约定为M秒，数值与当时的M定义一致。秒和光速的定义值，表示M从此定义为光在真空中秒内走过的距离。因此自年以来，不管我们对光速的测量作了多少精确的修正，都不会影响到光速值，却会影响到M的长度。你有多高事实上是由光速定义的。但光速还定义着比长度更加基本的东西。阿尔伯特?爱因斯坦的工作表明了光速的真正重要性。由于他的功劳，我们知道，光速不仅仅是光子在真空中运动的速度，还是连接时间与空间的基本常数。光速不变原理的重要性要从“标准模型”理论说起。“标准模型”理论建立在规范场论基础上，而规范场论则是建立在狭义相对论基础之上。“标准模型”理论（ ）已7/9经成功地成为了物理学界的主流理论。通俗地说，“标准模型”是解释世界是由什么物质组成，以及它们是如何凝聚在一起的。“标准模型”理论是科学界目前最完美的理论之一，实验已经证实了它难以置信的精确：该理论预测的所有粒子都已经被发现，四种基本作用力（自然界有四种基本作用力，分别是强力、弱力、引力以及电磁作用力）中的强、弱、电磁三种力已经被统一到该理论下。“标准模型”理论建立在规范场论基础上，而规范场论则是建立在狭义相对论基础之上。六、讨论１、经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设：（）．两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系；（）．两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。爱因斯坦发现，如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的，那么这两条假设都必须摒弃。这时，对一个钟是同时发生的事件，对另一个钟不一定是同时的，同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中，测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等。距离也有了相对性。２、光线偏转的速度变化按照基本力学原理，如果光线偏转，它会被加速。这是否将使光速发生变化，动摇相对论的根本原则？这种现象（以及其他相关现象）的原因是光具有被称作类光的（或被称作零性的）测地线──相对于在古典物理中光的传播路线是直线，类光的（或零性的）测地线是广义相对论的相应概括，来源于狭义相对论中的光速不变原理。选取了合适的时空几何（例如黑洞视界外的史瓦西解，或后牛顿展开项），就可以