用波的传播规律证伪光速不变原理

用波的传播规律证伪光速不变原理张鸣鹤摘要：波具有这样两大传播规律：(1).传播介质的性质决定着波在传播介质中的传播速度。(2).波源在传播介质中的移动不会影响波在传播介质中的传播速度。根据这两大传播规律，可归纳出波速以及光速的确定方法。另外，这两大传播规律还是光波需要传播介质的理论证据。同时，它们还证明光速不变原理是不切实际的理论。关键字：相对论，光速不变，传播介质，电场中图分类号：Ｏ43 文献标识码：Ａ0引言相对论写进了中学与大学的物理教科书，被认为是当今最伟大的理论，但同时它也是遭到质疑最多的理论。光速不变原理是相对论的基础，其也是被质疑的焦点。科学探索之本在于发现规律，复杂的自然现象往往反应的是简单的科学规律。要学会通过现象总结规律，然后再使用规律诠释新的现象，对光速的探索就可使用这种方法。光是波的一种，因此可以先归纳波的传播规律，然后再把它应用到光波上。当把波的传播规律应用到光波上后会发现，一些看似复杂的光现象都可以得到合理解释，它们并不神秘莫测。重要的是要学会发现规律，学会运用规律，学会透过现象看本质。其实，光速的确定方法与其它波并没有什么不同，此文用波动理论对光速确定方法的诠释，道理简单，方法可靠，值得商榷。1人们对光速不变原理存在的质疑光速不变原理指出：真空中的光相对于任何参考系的传播速度都是一样的，与光源和观察者的运动状态无关[1]。光速不变原理有两层含义：(1).光源的移动不会影响光的传播速度；(2).光相对于任何参照物的传播速度都是一样的，不管这些参照物是运动的还是静止的。对于第(1)层，光源的移动不会影响光的传播速度的观点，人们大都没有异议。因为波在传播介质中的传播速度是由传播介质的性质决定的，波在性质稳定的传播介质中的传播速度是固定的[2]。波源相对于传播介质移动时会影响波的频率与波长，但波在传播介质中的传播速度并不会改变，这是所有波都遵循的一条规律。但对于第(2)层，光相对于运动状态不同的参照物其传播速度都是一样的这种观点，就有不少人表示质疑了，因为它违背了最基本的速度合成规则。2光速确定方法诠释确定速度的大小必须有明确的参照物才有意义。而光速不变原理却说，光相对于所有的参照物传播速度都一样。所谓的相对于所有参照物，其实质就是没有明确的参照物，没有明确的参照物则速度就无从谈起。那么应该如何确定光相对于一参照物的运行速度呢？光是电磁波[3]，是波的一种，这就需先研讨波运行速度的确定方法。波速确定方法与实物粒子运行速度的确定方法有所不同，这里需首先明白，波具有以下两大传播规律：(1).波在传播介质中的传播速度是由传播介质的性质决定的，波在性质稳定的传播介质中的传播速度是固定的。(2).波源在传播介质中的移动不会影响波在传播介质中的传播速度。在确定波速时，波源在传播介质中的移动速度并不能参与波速的合成。既然是这样，则传播介质就是波速的第一参照物。根据以上两点，可归纳出以下的波速确定方法：(1).首先确定波在传播介质中的传播速度。(2).再确定波的传播介质相对于参照物的移动速度。(3).然后把两个速度合成，就是波相对于该参照物的传播速度。(4).波传播过程中，若波到达区域的传播介质性质出现了改变，则波的传播速度也会跟着改变。总结：波速是由传播介质的性质与传播介质相对于参照物的运动状态两大因素决定的。传播介质是波速的第一参照物，要想知道波相对于其它参照物的运行速度，就必须首先知道波的传播介质是什么。光是波的一种，确定其相对于各参照物的运行速度，也应该使用上面的法则。最初人们认为光的传播介质是以太，可后来以太又被否定，于是便出现了光波不需要传播介质的定论[4]。这样的定论给光速的确定出了个难题，光没有了传播介质，光速就没了第一参照物，更无法确定其相对于其它各参照物的运行速度。在这种无法确定光速的情况下，光速不变的假设便被提了出来。波的形成与传播需要两个基本条件：波源和介质。波源是产生振动的物体，而介质则是振动能量传播所需的物质，这两个条件缺一不可。没有波源就无法产生振动，而没有介质则无法传播振动。而介质的震动，只是在一平衡点进行，介质并不会随波的传播而移动。因此，必须有连续的传播介质波才可以传播下去。光波的传播也应如此，必须有连续的传播介质。也正是光无需传播介质的理论，才让人们对光速的认识陷入了困局，确定光的传播介质是解决光速问题的关键。3波传播介质的确定方法与光传播介质的确定物理学家们曾猜想宇宙空间中充满着光的传播介质，并把它叫着以太，并认为以太是绝对静止的。宇宙中的各星球都在以太内部运动，以太可以作为宇宙中的绝对参照物。由于地球在绕太阳公转，并且还在自转，则地球和以太之间必有相对运动。于是人们就想通过测量以太与地球的相对运动，来证实以太的存在。为了证明以太的存在，物理学家做了大量实验，其中最著名的实验叫迈克尔逊-莫雷实验。迈克尔逊-莫雷实验测得：在地球附近的空间中，光在各个方向上的传播速度是相同的[5]。根据前面总结的波速确定方法可知，若以太与地球有相对运动，则沿以太移动方向传播的光，其速度应该大于向其它方向传播的光，实验不应该出现光在各方向传播速度都相同的结果。该实验结果否定了以太与地球的相对运动，也即是否定了可作为宇宙中绝对参照物的以太的存在。于是就有人认为，既然以太不存在，则光传播就不需要传播介质，情况真的是这样吗？其实，迈克尔逊-莫雷实验只是证实了，在地球附近的空间中，光的传播介质与地球没有相对运动，而该实验无法证实光是否需要传播介质这个问题。那么又该如何确定光的传播介质是何种物质呢？其实方法很简单，可通过波的传播机制来寻找确定方法。波是靠介质的有序震动进行传播的，根据波的这个传播特点，可归纳出确定波传播介质的方法，即：波传播时，在传播地点做有序震动的物质，就是波的传播介质。那么光传播时，是那种物质在做有序振动呢？是电磁场[6]。因为光传播时，光波中电磁场的强度，进行着周期性的大小变换。电磁场强度的这种大小变换，实际就是电磁场在振动，变换中的电磁场的最大强度，正是电磁波的振幅[7]。所以说，电磁场就是电磁波的传播介质。由于磁场是电场的另一种表现形式，即可认为：光的传播介质是电场。确定了光的传播介质是电场，并知道电场是由组成物质的带电粒子发出[8]，并会随带电粒子移动，因此电场与其它参照物是可以存在相对运动的。根据前面归纳的波速的确定方法可知，在电场中传播的光，相对于运动状态不同的参照物的运行速度是不一样的。所以说，从理论上可以证明光速不变假设是错误的。由于光速不变假设，是在无法确定光的传播介质的情况下提出，现确定了光的传播介质后，其自然也就没有了存在的理由。4光可以在浩瀚太空中传播的原因人们之所以会认为光传播无需传播介质，还有另外一个重要原因，就是其它星球发出的光可以穿过浩瀚的太空到达地球。人们一直认为浩瀚的太空是真空的，光可以在浩瀚的太空中传播，于是便有人认为光传播不需要传播介质。电场是由组成物质的带电粒子发出，并可以向远处无限的延伸[9]。由于宇宙中存在有数以万亿计的星球[10]，这些星球大都是由带电粒子组成，所以它们会在太空中形成各自的电场，这些电场便是光可以在浩瀚太空中传播的原因。5地球附近空间中光各向同速的原因由于做迈克尔逊-莫雷实验的地点是在地面，因此该实验得到的结果实际上是在地球附近空间这个特定区域中的结果。也就是说，在地球附近空间中，光在各个方向上的传播速度是相同的。为什么会有这样的结果呢？有以下两个方面的原因：(1).由于其它星球距离地球太遥远，它们在地球附近形成的电场与地球自身形成的电场相比可以忽略，地球附近空间中的电场主要由地球自身形成。因此，地球附近空间中的电场与地球是成为一体的，没有相对运动。(2).传播介质的性质决定着波在该传播介质中的传播速度。在地球附近空间这个特定区域里，电场的性质处处都基本相同，因此在这里测得的光速也都基本相同，为每秒约30万公里。另外，光在水、玻璃或其它物质中传播，都有各自固定的传播速度，也是同样的道理，它们的速度是由各物质内部稳定的电场性质决定的。由于地球附近空间中电场的性质各处都基本相同，又由于地球附近空间中的电场与地球没有相对运动，这才造成在地球附近空间中测量到的光速，在各处及各个方向上都基本相同。6各星球发射到地球表面的光速相同是光波需要传播介的证据通过前面的分析还可以明白，光在远离地球的太空中时，不管其相对于地球的传播速度是多少，当它到达地球附近后，其相对于地球的传播速度都会变为一样，为每秒约30万公里。也就是说，不管是从太阳发射到地球的光，还是由其它任何星球发射到地球的光，当它们到达地球附近后，其相对于地球的传播速度其大小都是一样的。由于其它星球发射到地球表面的光与地球上的光源发出的光传播速度相同，有部分人便认为光相对于各星球的传播速度都一样，于是得出光相对于任何参考系的传播速度都是一样的错误结论。不能从这些表面现象就推断光速不变，要透过现象看本质。实际上正是因为光需要传播介质，传播介质的性质又决定着光速的大小，这样才造成各星球发出的光到达地球后，其传播速度会变得相同。这一现象，是传播介质的性质决定波速大小这个传播规律的反应，是光需要传播介质的证据。相反它不可作为光速不变理论的证据。7抛球实验是光波需要传播介质的又一证据相对论在证明光速不变原理时讲到这样一个抛球实验：有甲乙两人，他们之间相距一段距离，甲手中有一小球抛向乙，抛出的速度为V。按照速度合成原理，甲抛球前与抛出后瞬间，球发出的光，传播速度分别为C和C+V，由于C+V大于C，抛出后瞬间球发出的光，应该先传到乙的眼中，就会出现乙先看到球被抛出，后看到抛球动作的现象。然而这种先后次序颠倒的现象从没出现过，于是相对论就认定，光速不满足速度合成定律，认定光速在任何情况下都是不变的，并把该现象作为光速不变原理的证据。相对论上面对抛球实验的解释是不切实际的，是错误的。该抛球实验的实质是：观察小球的运动状态是通过小球发出或反射的光，也就是说小球就是光源，小球被抛出的过程实际就是光源移动的过程。由于光源的移动并不会影响光在传播介质中的传播速度，则小球被抛出后发出的光的传播速度并不是C+V，而仍是C。所以，才不会出现先看到球被抛出，后看到抛球动作的现象。这一现象，是波源的移动不会影响波在传播介质中的传播速度这个传播规律的反应，所以抛球实验同样是光波需要传播介质的证据。相反不可作为光速不变理论的证据。各星球发射到地球表面的光速相同和抛球实验，从两个方面证明：光波与其它波一样，传播必须依靠传播介质。8太空中光的传播情况解析太空中的电场，是由宇宙中数以万亿计的运动着的星球共同形成，当空间位置改变时，电场的强度与运动状态可能也会改变。光在均匀的介质中是沿直线传播[11]，而宇宙中的电场不是处处都一样，所以，光在太空中并不会一直沿直线传播，它长远的运动轨迹也可以是弯曲的。例如，光经过太阳附近时就会出现弯曲的现象[12]。这个主要是接近太阳时电场密度会渐渐变大，远离太阳时电场密度会渐渐变小造成的。这种现象和空气中的光照射到水中后，会发生折射是一样的道理[13]，只是一个是电场密度渐渐进行了改变，另一个是电场密度突然出现了大的改变[14]。总结：在光线非垂直射入的情况下，电场密度突然出现大的改变光线会发生折射现象，电场密度渐渐改变光线会发生弯曲现象。光线在太空出现弯曲的现象，是电场密度与电场的运动状态渐渐出现了改变造成的，这一现象使用波动理论可以很自然的得到解释，并非由引力造成，也不存在时空弯曲现象。另外，电场的强弱变化以及电场的运动，都会影响光的传播速度，所以光在太空中并不会一直以恒定的速度传播。测量得到的每秒30万公里的光速，实际上是在地球附近空间这个特定区域中的光速。9用事例诠释光速的确定方法9.1事例1：地球附近空间中光速的确定方法在地球附近的空间中，光的传播介质电场与地球没有相对运动，也即是，在这个区域里光的传播介质相对于地面是静止的。假设光在地球附近空间中的传播速度是C。则一个停在轨道上的火车，其前车灯发出的光，相对于轨道的传播速度就是C。由于火车没有运动，则火车相对于光的传播介质的运行速度是0，所以此时该光相对于火车的传播速度也是C。若该火车以速度V向前行驶，请问火车此时前车灯发出的光，相对于轨道与火车的传播速度又各是多少呢？由于光源的移动不会影响光在传播介质中的传播速度，则行驶的火车前车灯发出的光，相对于轨道的传播速度仍是C，而不是C+V。这里要明白，波速的确定方法与实体物质运行速度的确定方法有所不同。在运行的火车上，若有人在车厢内沿火车运动方向向前行走，则该人相对于轨道的移动速度就是车速与人行走速度之和。但波速的确定方法却不同，波速是由传播介质的性质与传播介质的运动状态两者决定，与波源的运动状态无关，所以不能简单相加，需按照前面归纳的波速确定方法计算。由于行驶的火车相对于光的传播介质的运行速度不再是0，而是V，且火车行驶方向与光传播方向一致，则此时该光相对于火车的传播速度不再是C，而变为C-V。这里要注意，光虽说是由火车发出的，但其相对于移动的火车的传播速度并不是C。火车行驶时，其前车灯发出的光，相对于轨道与火车的传播速度不再相同，由此说明光速不变原理是错误的。9.2事例2：运动的高密度物质内部的光相对于地面传播速度的确定方法上面介绍的是光的传播介质与地面没有相对运动时的例子，下面再研讨一下光的传播介质与地面有相对运动时是什么情况。地面上运动的高密度物质内部的光，其相对于地面的传播速度又该如何确定呢？下面就这个问题进行研讨。这里讲的高密度物质，是相对于气体物质而言的，可以理解为是液体或固体物质，比如水与玻璃。高密度物质内部的电场，主要以该物质自身形成的电场为主，其内部的电场可以随物质一起移动，这个和气体物质是有重大区别的。地球周围空气中的电场，是由地球与空气共同形成，由于空气的密度比较小，空气中的电场以地球形成的电场为主。这样一来，当空气流动时，空气流动区域内的电场并不会因空气的流动而出现明显的变化。因此，测量地球附近空间中的光速时，可忽略空气流动因素的影响。由于高密度物质内部的电场可随物质移动，则在高密度物质内部传播的光会被移动的物质拖拽。此种情况已被斐索流水实验、霍克实验和Sagnac效应所证实[15,16]。流动的水可实现对光的部分拖拽，整体移动的水可实现对光的完全拖拽。下面就通过一事例来诠释光被完全拖拽的情况。这里还假设光在地球附近空间中的传播速度是C。并假设光在静止水中的传播速度是C1。再假设地面上有一个装满水，且以速度V向前移动的玻璃箱。有一束光从箱子的后方穿过箱子，射向箱子的前方。请问光在该移动玻璃箱内的水中传播时，该光相对于玻璃箱与地面的传播速度各是多少？当光穿过玻璃箱返回大气中后，其相对于地面与玻璃箱的传播速度又各是多少？。光在静止水中的传播速度是C1，也即是光相对于水中的电场的传播速度是C1。由于水中的电场会随水一起移动，光要保持相对于电场的速度不变，就会表现出被移动的水拖拽的现象。当玻璃箱中的水整体移动时，水中的光相对于水的速度会保持不变，始终为C1。这样水中的光相对于玻璃箱的传播速度便是C1，相对于地面的传播速度就是V+C1。当光穿过玻璃箱又回到大气中后，由于传播介质发生了改变，其相对于地面的传播速度将变回C，而此时相对于玻璃箱的传播速度变为C-V。10总结通过上面的研讨已清楚，光速一直无法确定的原因，是人们没有掌握波速的确定方法，以及波传播介质的确定方法。在寻找光的传播介质遇到困难时，便错误的认为光无需传播介质。这也造就了光速不变假设与相对论的出现。解决光速问题的关键，就是要首先确定光的传播介质。传播介质确定后，光在地球附近空间中各向同速、各星球照射到地球上的光速相同、抛球实验、以及光经过太阳附近时会发生弯曲等各类光现象，都可以得到合理的解释，一通百通。光不能在无传播介质的空间中传播，也不存在光速不变原理。参考文献：[1]阿尔伯特·爱因斯坦.相对论的意义[M].李灏,译.北京:北京大学出版社.2020:19-26[2]A.P.French.WavesandVibrations[M].CA:NorthropFryePress.1970:36[3]钟锡华.现代光学基础[M].北京