| 光速不变和多谱勒效应 内容提要：1905年爱因斯坦从迈克尔逊-莫雷为证明以太存在所做实验的否定性结论中受到启发提出了光速不变假设，并以此和相对性原理为基础从研究时间的相对性入手首次提出了狭义相对论。但狭义相对论在论证两个相对运动惯性系的时间关系时却没有严格遵守光速不变假设和相对性原理，忽略了多谱勒效应对测量时间造成的影响。 假设在一列匀速行驶的火车上，安装一光脉冲信号发生器，在信号发生器的上方安装一面镜子使镜面的法线方向与从信号发生器垂直向上发射的光信号平行。当列车经过路基上的观察者时，从信号发生器向镜面垂直发出一光脉冲信号。列车上的观察者与路基上的观察者谁将接收到返回的脉冲信号？ 如果光脉冲信号是由安装在路基上的信号发生器发射的，路基上的观察者认为他所在的参考系是静止的，所以他十分肯定他能接收到从路基上的信号发生器发射并垂直返回的这个信号。列车上的观察者也有权认为自己所在的列车是静止的，所以他也十分有把握地认为他能接收到从列车上垂直发射并返回的信号。按照光速不变假设，从信号发生器发射的光脉冲信号与信号发生器是否安装在地面或列车上无关即与光源的运动状态无关，所以无所谓这个脉冲信号是从路基上还是从列车上的信号发生器发射的。脉冲信号从发射到返回需要一段时间，在这个时间里。列车已移动了一段距离。而列车和相隔一段距离路基上的观察者都宣称自己能接受到返回的脉冲信号，显然这种情况是不可能的。如果假设路基上的观察者接收到了返回的信号而列车上的观察者没有，或者列车上的观察者接收到了返回的信号而路基上的观察者没有都会导致两惯性参考系不平权的矛盾出现，按照相对性原理各惯性参照系的地位是相等的。所以唯一的可能就是路基和列车上的观察者都没有接受到返回的信号，而为满足参考系平权这一条件，要求返回的信号必需落在两观察者连线的中点上。问题是如果存在三个或三个以上惯性参考系的话，又如何满足各参考系平权呢？返回的信号该落在什么地方呢？ 如果我们承认光速不变假设是正确的，那么问题一定出在各惯性系平权这一概念上。问题是我们能否找到一个绝对静止的参考系呢？既然光速与光源所在的参考系无关，我们可以利用垂直各惯性参考系发射并返回的脉冲信号在各参考系上的光点漂移计算各个惯性参考系的绝对速度。但是象狭义相对论武断地认为列车参考系为绝对静止参考系是完全没有根据的，由此推出的时间膨胀结论是值得商榷的。 下面我们讨论多谱勒效应是如何影响时间测量的。 假设有两个完全相同的信号发生器，每隔一秒发出一个光脉冲。调整两个信号发生器使之发出脉冲的时间同步。将这两个发生器分别安装在两部车上，令这两辆车以相同的速度朝相反的方向行驶。两辆车上的观察者会发现，从对方车上发出的光脉冲信号与自己所在车上的光脉冲信号不同步了，并且从对方车上发出的光脉冲信号的间隔逐渐变大了。两辆车上的观察者得到的结论是：对方的时间在变慢！当两辆车停下来时，两辆车上的观察者会发现，从对方车上发出的光脉冲信号与自己所在车上的光脉冲信号的频率是相同的但相差了一个时间。现在令这两辆车以相同的速度相向而行，两辆车上的观察者会发现，从对方车上发出的光脉冲信号的间隔逐渐变小了。两辆车上的观察者得到的结论是：对方的时间在变快！ 分别以两辆车A和B为坐标原点建立坐标系K和k，使K系的OX轴与k系的ox轴重合。在两个坐标原点处分别安装完全一样的时钟。K系的时间用T表示，k坐标系的时间用t表示。K与k的相对运动速度为V。当两坐标系的原点重合时，调整两个坐标系上的时钟使之等于零。经过一段时间后，两车之间的距离为S，此时从B车的信号发生器上发出一光脉冲信号,在K系上观测的时间（时刻）为T，在k系上观测到的时间（时刻）为t。根据以上已知条件，我们可以列出以下方程： T － t = S／C (1) S = t × V (2) 将（2）式代入（1）经过整理后得到； T = t(1+V／C) （3） 分析（3）式我们可以看出，当速度V＜＜C时，T≈t，由于1＋V／C≥1，所以T≥t, 当两车相对运动的速度V=C时，T=2×t。我们得到一个结论，从K系上看k系上事件发生的时间要比K系上的时间慢即所谓的时间膨胀。 同理我们还可以推出当两个坐标系相向运动时，从一个惯性系观测另一方个惯性系的时间是变快的即时间收缩。 从以上分析可以得出结论，所谓的时间膨胀或收缩并非真实的时间膨胀和收缩，是由多谱勒效应造成的，时间膨胀或收缩取决与被观测物体相对于观察者是相向运动还是反相运动。 2002/06/03 |