2003/10/18 17:50 (首发)
"光速不变原理"是狭义相对论的重要依据之一,其实这只是一种表面现象。为揭开其中的奥秘,我们先设所在惯性系的空间范围为无穷大,这样空间中所有的物质现象就都可以在该参照系中描述了。
在原点o′上对准的许多时钟,如将它们分散到惯性系的各个位置上那么就必须运动。由于运动时钟的运行速率都要改变,所以它们的指示时刻也就都不再与o′钟相同了。可以推出,当惯性系低速运动时,它们比o′钟滞后的时间是
Δt′= - ux′/ cc
x′是各钟所在位置的横坐标。可见,x′值越大,时钟所滞后的时间就越多。
由于各钟不再同时,所以它们便可将光在各个方向上因速度不同而产生的时间差恰好全部抵消。证明如下.
设 原点矢径r与x′轴正向的夹角是β,则矢径终点A′钟比原点o′钟滞后的时间是
Δt′= - u r cosβ/ cc
因为测量光速 c′=(c - u cosβ)/(1- uu / cc )
≈(c - u cosβ)
所以光线从原点o′到达终点A′时钟所显示的时间差是
t′= r/ c′+ Δt′
= r /(c - u cosβ)- u r cosβ/ cc = r / c
可见t′在各个方向上都相同,与β无关。即在各个方向上的单程光速都表现为相同。自然其回路光速也都相同。不仅只此,当采用上述时钟系统计时时,若光从一处发出到达另一处,则不管其路径怎样曲折,其轨迹长度与始末钟时差的比都将恒为定值c ,从而显示出所谓的"光速不变"现象。但切莫忘记,这种现象是建立在"各钟不同时"基础上的,因此它只是一种假象,具有极大的局限性。
但这种假象也有它的应用价值。在惯性系中,如采用在同一点对准的时钟系统,那么就可将在其中传播的光速看成是恒定的,其始末钟的时间差只由光的路程来决定。此特性可用来推断校正旅行光线所经各处时钟的同时时刻。例如在地球上,由某天文台发出一个"0时刻光信号",那么全球各地的时钟即可将"收到信号的时刻再减去信号传播时间后的时刻"定为"0时刻"。但尽管这样,全球各地的时钟仍然是绝对不同时的。在二级精度上,其最远时钟的差值为最大,可达 u 2 r / cc .
但地球不是一个严格的惯性系。除全球各地的时钟都不同时外,还由于地球的转动使任何两地的时钟差都不是固定的,而是循环波动的。只是这很难用测量结果来证明。
而在空间中做非光速运动的物体(物质)和在介质中传播的光却没有在真空中传播的光这么幸运。在惯性系中,即使它们的运动速度是各向同性的,但若改在其它惯性系中看,则将绝对不可能再保持各向同性。
但在爱氏的狭义相对论中却不是遵从的上述原理,两者相比是貌合神离。(1)在狭义相对论中,它的速度u不是惯性系的绝对运动速度,而是相对另一参照系的运动速度;(2)u的取值范围不是远远小于光速c ,而是从0到c ;(3)它的时间差 - ux / cc 不是时钟移动的结果,而是由于空间距离使然;(4)它的"光速不变"不是经过时钟差修正的结果,而是由于洛仑兹变换的结果。从而给现代时空理论造成了不可理喻的许多混乱。这一百年之误现在是到了应该彻底澄清的时候了。
当然我们也可以对洛仑兹变换进行改造:
1、重新界定它的适用范围。式中u还是惯性系相对其它惯性系(包括绝对静止参照系)的速度,但必须是在u << c的范围内。
2、修改变换公式。既然u << c ,那么就可略去原式中的二级微小量,将其修改为
x'= x - ut
y'= y
z'= z
t'= t - ux'/cc
3、正确理解它的物理意义。t'式中的 - ux'/cc 项为各地时钟比原点o′钟滞后的时间,x'为各钟的横坐标。时钟滞后的原因是由于时钟从原点移动到所在点造成的,在运动过程中时钟的运行速率要改变。--这样就符合实际情况且便于理解了。