场是由粒子组成的-挑战相对论-西陆网

[37楼] 作者:hudemi 发表时间: 2008/12/10 21:33

第四章新的光速假设及验证实验方案

[摘要] 本章对光速的本质作了探讨。光速问题是相对论中的核心问题，笔者在物质作用论的基础上提出了新的光速假设──光介子假说，并用它解释了历史上的各种光速实验。与此同时，我们还分析了历史上各种假设失败的原因。分析和讨论表明：正是由于有光介子这种特殊物质对光速产生影响，才造成了各种光速不变的假象。为了能够在光速不变假设和光介子假说之间作出选择，笔者设计了新的光速实验，以期对光介子假说作更进一步地检验。

前几章，我们讨论并指出了相对论存在的问题。对物理理论来说，指出其存在的问题固然重要，但更重要的是解决问题。当一个理论被推翻时，必须同时建立起新的理论代替它解决实践中的问题。如果相对论最终被证明是错误的，同样也需要有新的理论出现。
相对论是由光速问题引出的，包括时间膨胀在内的许多观点都是从光速不变性原理中推导出来的，要解决相对论存在的问题，光速问题是核心。

一、对光速的新假设
（一）光速问题与物质作用论
光速不变原理是从实验中总结出来的“定律”。最初，人们很自然地认为光速是可变的，但大量的实验结果与人们的预期相反，光速问题由此产生。为了弄清这些实验结果背后的物理本质，人们提出了各种各样的假设，但最终都以失败而告终。面对这种局面，年轻的爱因斯坦开始思考一个问题，即光速本质上是否本来就是不变的。最终，爱因斯坦提出了光速不变假设。
光速不变假设认为光速既与光源的运动无关，也与观察者的运动无关。虽然这种假设后来得到了更多实验的进一步验证，但它毕竟与人们的日常生活经验大相径庭。确实，理论可以改变人们的经验和思维习惯，但与人们日常经验相距甚远的理论也未必就是正确的理论。
更重要的是，光速不变假设实际上是对光速实验结果的直接认可，这样做，很可能掩盖了光速的真实本质。
物质作用论的思想告诉我们，任何物理现象的背后一定有其内在的物质作用本质，光速问题也不例外。过去，人们虽然提出过种种假设，但这并不意味着物质作用假设已被穷尽，更不意味着这些实验结果背后的本质就不是物质作用，一定还有更合理的物质作用假设等着我们来提出。我们相信，光速问题肯定与某种尚未被发现的物质作用有关。
自然科学，尤其是天文学和物理学的发展为我们揭示出了物质世界的无限多样性。从宏观到微观，从微观到渺观，物质世界展现出了丰富多彩的物质层次。往大的层次看，地球之外是太阳系、太阳系之外是银河系、银河系之外是总星系、……，最后是整个宇宙；往小的层次看，分子之下有原子，原子之下有质子、电子、中子，再往下还有夸克等等。目前，人们发现的基本粒子已达几百种之多。
科学发展到现在，是否所有的基本粒子都已被发现，是否所有的物质层次都已展现出来？显然不是。物质世界具有无限丰富的物质层次，宇宙之外或许还有更高层次的宇宙，基本粒子之下还有更小的基本粒子。可以肯定，科学的发现并没有终结，还有很多新的物质等待着我们去挖掘，还有很多的物质层次等待着我们去认识。
目前，理论物理学家们正热衷于探讨着空间的物理性质，讨论着诸如“真空涨落”等问题。而实验物理学家们又正在忙于寻找所谓的“暗物质”，而且据称这些“暗物质”要占整个宇宙物质总质量的90% 以上。但是，绝对的、纯粹的空间又何谈物理性质。如果说空间真的表现出了某些物理性质，也只能说是空间中存在着某种或某些尚未被人们认识的物质，它（们）的存在具有的物理特性被人们误认作是空间的物理特性。而“暗物质”则更进一步说明了有尚未被人们认识的物质存在。
既然在宇宙中占多数的是我们尚未认识的“暗物质”，谁能断言这些物质不会对空间中传播的光的速度产生影响呢！在还未弄清这些未知物质可能对光速产生的影响之前，我们又怎能轻易抛开物质作用论的思想，放弃对光速内在物质作用本质的进一步探索，转而相信光速不变就是光速的本质呢！
笔者长期以来一直试图用物质作用论的观点来理解和解释各种光速实验，先后考虑过多种不同的光速假设，都因不能全面地解释每个光速实验被迫一一放弃。尽管如此，笔者始终都没有放弃用物质作用论的思想对光速本质作出探索。通过不断提出假设，又不断自我否定，笔者最终找到了一种新的假设──光介子假说，它能圆满地解释各种光速实验。这一假设表明，正是由于地球周围存在着的“光介子”对光速产生的影响，从而使各种光速实验表现出了光速不变性的假象。
（二）对光速的新假设──光介子假说
光介子假说包括两个方面的内容，一方面，光介子假说指出在自然界中存在着一种非常细小的物质——光介子；另一方面，光介子假说认为光速是由两部分组成的，其中一部分速度易受光介子这种物质的作用和影响。
1. 光介子
笔者假定自然界中存在着一种人们尚未认识的物质──光介子（暂且这么称呼，也可考虑叫“新以太”或“光媒”等，这种物质既有可能是一种单一物质，也有可能象空气一样是多种不同类型的细小粒子组成的混合物，但为了叙述的方便，我们仍用“一种”这一词）。它是一种十分基本的粒子，其最大特点是非常非常地细小。
由于非常非常地细小，普通物质的分子与分子之间，甚至分子、原子的内部，在光介子看来空隙都非常大，以致于宏观物质看起来就象一个有着许多巨大空洞的蜂窝状物体，光介子能够在这些物质内部自由活动，游刃有余，并可“浸透”整个宏观物体。
有关光介子详细的物理特征，目前我们还不可能说得很清楚，这有待于光介子假说得到证实后作进一步研究。但光介子具有的一些普通性质，仍然可以通过与其它微观粒子相类比而推知。
首先，光介子具有质量。因为质量是标志物质存在的一种最基本的物理属性，一切物质都有质量，故光介子不可能没有质量。由于光介子具有质量，受万有引力的作用，光介子不是均匀地分布在宇宙空间，而是象大气层一样聚集在星体的周围（以及内部），在远离星球的太空中分布极少。
其次，光介子个体在不停地运动。我们知道，通常微观粒子都处在永不停息的运动之中，常见的水分子、空气分子就是这样。光介子作为一种更基本的微观粒子，相信也不会例外，光介子个体一定处在永不停息的运动之中。通常，微观粒子的个体运动是不容易被观测到的，容易观察的倒是大量粒子的整体运动。例如，我们很难觉察到单个水分子的运动，却能容易地观察到水的流动。同样，光介子除了个体的运动之外，大量的光介子也会表现出整体的、宏观的运动形式，我们把这种运动形象地称为“光介子风”。在星体周围，光介子大量聚集形成“光介子层”，就象气体分子大量聚集在星球周围形成的大气层一样。大气的流动形成风，“光介子层”的运动形成“光介子风”。
地球周围，到处充满着光介子。一方面，光介子象大气层一样紧紧包裹着地球；另一方面，光介子浸透着整个地球，地球就象一个饱浸光介子的大球体。光介子可以在一些宏观物体之间自由地穿梭。例如浸在水中的玻璃棒，玻璃棒中的光介子可以透过玻璃棒来到水中，同样，水中的光介子也可以到达玻璃棒内部。地球上所有的宏观物体都完全浸透在光介子的海洋中。
为了更好地理解光介子对光速的影响，我们还要进一步分析光介子与宏观物体相互作用的一些特点和性质。
我们已经知道，光介子既存在于地球的周围，也渗透在地球上所有宏观物质内部。那么，宏观物质运动时，能拖动周围的光介子一起运动吗？
宏观物体当然包括地球本身。当地球围绕太阳公转时，地球周围的光介子层会随地球一起运动，地球不会因为运动致使光介子层和它分开，这就象地球围绕太阳公转时并不会把周围的大气层抛下一样。之所以会这样，是因为受引力的作用，光介子紧紧地吸附在地球周围，它们和地球作为一个整体在运动。
地球表面的物体，由于处在光介子层的包围中，它们的运动对周围光介子的拖动作用与地球对光介子层的拖动就大不相同了。地球之所以能够拖动周围的光介子层和它一起运动，是因为太空中的光介子极少，地球拖着光介子层在太空中运动时受到的阻力几乎为零，因此，地球周围厚厚的一层光介子层都能随地球一起运动。地球上的宏观物体则不同，它们处在光介子的海洋中，尽管它们运动时也会拖动周围的光介子，但这种拖动效果非常弱。因为，外层光介子对被拖动的这部分光介子有阻力作用，因此只能有薄薄的一层光介子随宏观物体一起运动。这种情况就象地球能拖动周围的大气层一起运动，而地球上的普通物体难于拖动周围的空气一起运动的道理一样。
在运动物体内部，光介子受牵引的情况就更不相同了。因为地球上到处都充满着光介子，运动物质内部光介子和物体外面的光介子实际是连成一片的，内部光介子的运动不能不受外部光介子的作用和影响。以流水为例，水分子的运动会拖动内部的光介子随之一起运动，但这部分光介子和外部的光介子层是相连的，当流水内部的光介子相对外部光介子运动时，外部光介子必然会对内部的光介子产生阻力作用。这种阻力作用通过一层一层地传递直到流水内部。这样，流水内部的光介子在受到流水分子牵引的同时也受到了外部光介子的阻力，只能部分具有流水的速度。另外一种理解方法是，由于宏观物体在光介子看来，其分子、原子之间缝隙非常大。当宏观物体在光介子海洋中运动时，部分光介子从这些缝隙中漏掉了，并不随流水运动，只有最贴近水分子的那部分光介子才受到流水的拖动。因此流水只能拖动内部的部分光介子随之一起运动。这就象在水中拖一个巨大的钢丝网团，钢丝网团中的水不会完全被钢丝团拖着走，必有部分水分子从丝网中穿过一样。
不同的物质，其分子、原子内部的空隙以及分子之间的距离各不相同，它们对光介子的牵引能力也就不同。物质内部的空隙越小，它对其中的光介子的牵引作用就越强，反之就越弱。一般来说，物质的密度越大，其内部的空隙就越小。因此，密度大的物质对光介子的牵引作用就越强，密度小的物质对光介子的牵引作用就越弱。例如，空气对光介子的牵引作用很弱，流水对光介子的牵引作用较强，而玻璃对光介子的牵引作用就更强。
总之，光介子是一种在地球和宇宙空间中普遍存在、而目前人们又还未认识的物质。它与气体分子有许多相似的特点，光介子的许多性质，都可以通过与气体分子相类比而推测出。不同的是，光介子是比空气分子更低层次、更细小的粒子，它可以渗透到宏观物体的分子、原子内部，而气体分子做不到。我们可以设法将容器中的空气抽干，但没有办法将容器内的光介子抽干（至少目前看来还没有这种可能性）。
有了这些认识作基础，就可以开始着手解释各种光速现象了。由于光介子广泛存在于地球周围，不论是实验室所处的空间中，还是在所用的仪器设备中，到处都充满着光介子，地面上的光速实验不可避免都要受到光介子的影响。而当光线在宇宙空间中传播时，尽管光介子非常稀少，但由于从一个星球到另一个星球的距离非常遥远，光介子对光速的累积作用也十分明显。
光介子看不见、摸不着，但又充满光线所走过的整个光程，因而对光速的影响是普遍而深刻的。至于光介子对光速将产生怎样的影响，等介绍完光速的组成之后再作详细讨论。
2 . 光速的组成
我们设想，光速是由两部分组成的。由于光具有波粒二象性，为了形象和便于记忆，相应地，我们把其中一部分称为“粒子速度”分量，把另一部分称为“波动速度”分量。
光速的数学表达式如下：
U ＝C＋V （4-1）
其中：U 为光速；
C为光在介质中的波动速度分量；
V 为光的粒子速度分量；
＋代表矢量和。
其实，光速为两部分组成早已为流水牵引等实验所证实，在菲涅尔所推导的光在运动介质内部传播的速度公式中就包含着两部分，只不过当时没有人明确提出粒子速度分量和波动速度分量这种概念罢了。
在光的速度公式中，光的波动速度分量可看作是光的波动性的体现，也就是以前人们所说的光的波动速度，它是由光子自身的电磁特性及介质的电磁特性共同决定的，与介质的运动速度无关。在真空中，光的波动速度为一常数，这就是人们常说的光速常数c。光在介质中的波动速度比在真空中的波动速度要小，大小为C=c/n。其中c为光在真空中的波动速度，n为介质折射系数。对这一部分速度，人们早已有了比较深刻的认识，这里不再展开叙述。
光的粒子速度分量可看作是光的粒子性的体现，这部分速度与物质之间的相互作用有关。当光从光源中产生时，带着光源赋予它的粒子速度，当光子来到光介子层中时，光子的粒子速度由“光介子风”的速度决定。
我们知道，从运动物体上抛出来的物体必然具备与原物体运动速度相同的初速度，这是所有物体运动具有的共性。例如从高速运动的飞机上射出的子弹，必然带有飞机的初速度。既然光是一种粒子，相信在初速度问题上也不例外。当光从运动光源中发出时，运动光源也会给光子赋予相应的粒子速度，使光子具备与光源运动速度相等的初速度。因此，光子最初的粒子速度必定与光源的运动速度有关。如果以后再没有其它物质对光子产生作用，光子将永远保持这种与光源有关的粒子速度不变。
但这只是一种理想情况。由于光介子普遍存在，光子一旦离开光源就进入到光介子层中，光介子层会对光速产生影响，光子原有的与光源运动速度有关的粒子速度会很快失去，转而被光介子推动所带来的粒子速度取代。如果光的粒子速度是由光介子的推动所引起的，这部分粒子速度可称为“介子致动速度”分量。因此，在大多数情况下，光子表现出来的粒子速度并不是由光源的运动所决定的速度，而是“介子致动速度”，其大小决定于介质内部（包括真空中）“光介子风”的速度。
3．光介子对光速的影响
在介绍了光介子及光速的组成之后，我们再来详细讨论一下光介子对光速的影响，这也是我们最关心的问题。
我们已经知道，光速是由波动速度和粒子速度两部分组成的。当光在光介子层中传播时，光介子对这两部分速度的影响是不同的。
光介子层对波动速度分量不产生明显影响。也就是说光在光介子层中的波动速度与在绝对真空中的传播速度相同，相当于光介子层的折射率为1。
光介子对光速的影响主要表现在粒子速度上。当光进入光介子层后，不管它初始粒子速度如何，最终都要具有与“光介子风”相同的速度。这就象将木板投到水中，不管木板的初始入水速度多大，通过水的作用，最终都要和流水一起流动一样。不管是地球上光源发出的光还是外来的光，只要一进入地球周围的光介子层中，它原有的粒子速度就会失去，从而具备与地球周围光介子层相适应的新的粒子速度。这就是说，不管是从哪儿来的光，只要到达地面，它必将具备与地球运动速度相同的粒子速度，因为地球周围的光介子层是随地球一起运动的。
需要说明的是，当光子从光源来到光介子层中，其粒子速度的变化并不是一下子完成的，这正如带有一定初速度的木板进入水中，还要经过一个减速过程才能最终停在水中一样。光子进入光介子层后，受光介子的作用，光子原有的粒子速度渐渐失去，同时逐渐具备与该光介子层相一致的粒子速度，这一变化需要一个时间过程。光介子层的密度越大，对光子的作用就越强，整个过程就越短；相反，光介子层越稀薄，对光子的作用就越弱，整个过程就越长。从光子进入光介子层开始，到它完全具备与该光介子层相对应的粒子速度为止，光子走过的这一段距离，可形象地称为光的粒子速度的“平均自由程”。光介子层的密度越大，对应的光的粒子速度的平均自由程就越短；否则，就越长。
在地球周围，光介子层的密度大，相应地，光的粒子速度的平均自由程非常短，光子是一进入到这部分光介子层，很快就具备相应的粒子速度。而在太空中，光介子层极为稀薄，相应的平均自由程较长。这样，太空中光源发出的光，要运行较长一段距离后才具备与太空光介子层相对应的粒子速度。
我们知道，光介子不仅存在于地球周围，在宏观物质内部也广泛存在。当光进入物质内部时，同样也会受到物质内部光介子层的作用和影响。由于运动物体能够拖动其内部的光介子。这样，当光线依次穿过几种运动速度各不相同的物质时，其粒子速度也将依次发生改变。从这种意义上讲，光的粒子速度具有易变性。不过，需要注意的是，通常，物质内部的光介子层的运动速度与物质的运动速度并不相同，因此，不要指望在运动物质内部，光子就一定具备与该物体运动速度相同的粒子速度。
总之，光介子层的运动只对光的粒子速度产生影响，对光的波动速度并不产生影响。在稳定速度下，光速对光介子层来说是恒定不变的，且各向同性。
在光速问题上，过去人们一直十分重视讨论光速是否与光源的运动有关，忽视了可能存在的其它物质对光速的影响。从上面的分析可以看出，即使光速与光源的运动有关，由于光介子的作用，其源速特征也不会保持很久。如果没有认识到光介子的存在或者没有意识到光介子对光速的影响，要想通过实验来对光速是否与光源的运动有关作出判决，根本是不可能的。因此，光速是否真的与光源的运动有关对本文的讨论并不重要，重要的是要弄清光介子对光速的影响。
4．光介子假说与“以太”假说的区别
从上面的分析可以看出，对各种光速现象的解释都离不开光介子，这也正象历史上有一段时间人们在解释光速问题时处处离不开“以太”一样。因此，可能会有人认为光介子假说与旧的“以太”假说并没有多少区别。
确实，光介子假说与“以太”假说有许多相似之处，但本质上，它们是完全不同的。光介子假说与“以太”假说之间主要有如下区别：
A. “以太”假说认为，“以太”均匀地分布在整个宇宙空间。但光介子假说认为，光介子并不是均匀地分布在宇宙空间，它象气体分子一样，主要集中在星体周围及其内部，在宇宙空间中分布极少。不同的星体，其周围的光介子层的厚度不一样，有的星体周围的光介子层厚些，有的星体周围的光介子层薄些，有的星体周围甚至没有。在同一星体周围，光介子的密度也不均匀，离星体越近，光介子的密度越大；离星体越远，光介子越稀薄。
B. “以太”假说认为，“以太”参考系是一种特殊的参考系，它代表着绝对空间。但光介子假说认为光介子是一种普通物质，它并不代表绝对空间。光介子主要集中在星体周围，并随星体一起运动。因此光介子层所在的参考系也是运动的，它并不代表绝对空间。例如，地球周围的光介子层紧紧地吸附在地球周围，就象地球周围的大气层紧紧围绕着地球一样在随地球运动。
C. “以太”假说认为，“以太”是光传播所必需的媒质，但光介子假说认为，光介子只是一种普通物质，它并不是光传播所必需的媒质。在没有光介子的真空中，光子照样能自行传播，因为光子本身就是一种粒子。只不过由于光介子普遍存在，光在传播过程中，几乎不可避免地要穿越光介子层，光介子就要对其速度产生影响。
由此可以看出，光介子假说并没有把光介子当作非常特殊的物质看待，只是认为它非常小，并且能够对穿过其中的光的速度产生影响。但“以太”假说却不同，它认为“以太”是一种非常特殊的物质，在宇宙中占有非常特殊的地位，以致于可以用它来代表绝对空间。
我们认为，世界上的物质层次具有无限多样性，宏观物质层次之上还有更高、更大的物质层次，基本粒子之下还有更基本的粒子。如果将物质层次从小到大制成一张图谱的话，这张图谱一端会向无穷小延伸，另一端会向无穷大延伸，没有一种物质能够占据图谱的顶端，也没有一种物质能够占据图谱的末端。从这个完整的图谱来看，不可能有一种物质在整个物质层次中占有非常特殊的地位，每种物质都只是整个物质层次中的一个中间环节。这也是我们不同意“以太”假说的一个重要理由。
相对论的出现虽然破除了“以太”在物理学中的特殊地位，但却又把“光”及“光速”推上了至高无上的地位，以致于“光速”成了“最最基本”的东西，而时间、空间以及质量等这些最基本的物理量反倒要由速度和“光速”来决定了。显然，这种观点同样也是令人难于接受的。

二、对历史上各种光速实验的解释

在对光介子假设有了比较充分地了解之后，我们再来看看历史上的各种光速实验。为了更好地讨论，我们先就一些常见情况作一分析。
最常见的情况是光在地球表面的传播，大部分光速实验属于这种类型。我们已经知道，地球周围充满着光介子，这部分光介子层随着地球在一起运动。从地外参考系观察，地球周围的光介子层与地球具有相同的运动速度V。由于光介子层的运动速度决定着在其中传播的光的粒子速度，因此当光在地面上传播时，其“光介子致动速度”分量就等于地球的运动速度V ，整个光速为（C＋V ），其中C为光的“波动速度”分量，“＋”代表矢量和。
地球上观察者来观察这些光，其速度是多少呢？由于观察者与地球是相对静止的，从地外参考系来看，他的速度必定与地球的速度相同，大小也为V。因此，在他看来，光速必为（C＋V）-V＝C 。这也就是说，在任何与地球相对静止的观察者看来，沿地面传播的光其速度恒等于C，大小正好始终与光的波动速度相同。实际上，前面我们就已经指出：在稳定速度下，光速相对于光介子层各向同性。这本身就意味着，在地面上传播的光，其速度相对于静止在地球上的任何观察者来说都是各向同性的。
另一种常见的情况是光在介质内部的传播。如果介质相对于地球静止，则其内部的光介子层与地面光介子层也是相对静止的，从地外参考系来看，速度大小也为V。故当光线在其内部传播时，这部分光的介子致动速度也为V。考虑到光在其中的波动速度分量为c/n（n为介质的折射系数），则整个光速为（c/n+V）。这样，在相对于地球静止的观察者看来，这部分光的速度为（c/n+V）-V=c/n。
若介质相对地球是运动的，情况就要复杂些。我们已经知道，当介质运动时，其内部的光介子会部分地随介质一起运动，设介质相对于地球的运动速度为W，介质对光介子的牵引系数为f，则介质内光介子层相对于地球的运动速度就为fW，相对于地外参考系的速度就为V+fW。因此，当光在这种介质内部传播时，其介子致动速度就为V+fW。考虑到其波动速度仍为c/n，则整个光速为（c/n+V+fW）。这样，在相对于地球静止的观察者看来，这部分光的速度为（c/n+V+fW）-V=c/n+fW。
最后一种常见情况就是光在太空中的传播。对这种情况，有关实验重点讨论的是星光速度是否与星体的运动有关。而我们已经指出过，即使最初光速真的与星体的运动有关，经过太空中光介子的作用，这部分速度也将被光介子致动速度代替。由于各种星体距离地球非常遥远，远远地大于光速在太空中的“平均自由程”。这样，地面上观察到的星光其光速早已与星体的运动速度无关。
有了这些基本认识，我们再来讨论历史上的光速实验就简单多了。限于篇幅，下面仅对历史上的一些典型实验作一分析。
（一）迈克尔逊-莫雷实验
迈克尔逊-莫雷实验历来被当作是光速不变原理最重要的支持性证据。现在我们用光介子假说来作一解释。为了方便阅读，我们将第一章介绍过的迈克尔逊-莫雷实验原理示意图重绘如图4.1所示。
B V

A
S C

干涉条纹
图4.1 迈克尔逊—莫雷实验

设地球相对于某惯性系有水平向右的运动速度V 。则地球周围的光介子层的运动速度也为V 。假定始终以光的运动方向为速度的正方向，则：
当光线水平向右时，其介子致动速度为V，整个光速为C+V，反射镜C的速度为V ；
当光线水平向左时，其介子致动速度为-V，整个光速为C-V，半透明镜A 的速度为-V ；
故光线水平方向的往返时间为：
　　　　t1＝L/[(C+V)-V]+L/[(C-V)-（-V）]
　　＝2L/C （4-2）
当光线沿垂直方向向上运动时，其介子致动速度为V，波动速度为C，因两者方向相互垂直，故其矢量和速度为（C2+V2）1/2；
从A出发的光在到达B之前，B已经向右移动了一段距离，故从A到B的光线实际走过的为一斜线，对应的距离为L（C2+V2）1/2/C；
当光线沿垂直方向向下运动时，其介子致动速度为V，波动速度为C，因两者方向相互垂直，故其矢量和速度为（C2+V2）1/2 ；
同样，光线从B到A也走过一斜线，距离为L（C2+V2）1/2/C；
故光线垂直方向往返时间为：
t2＝L（C2+V2）1/2/C／（C2+V2）1/2＋L（C2+V2）1/2/C／（C2 +V2）1/2
＝2L/C （4-3）
　　故：t1＝t2
由此可见，光线沿水平、垂直方向往返的时间差为0 ，故实验出现零结果是必然的。事实上，这是预料之中的，因为早在前面我们就已经指出过，在地面上传播的光，其速度相对于静止在地球上的任何观察者来说都是各向同性的。只不过上述推导过程让我们进一步看清了光速是如何从“可变”到“不变”的。正是由于地球周围光介子层的作用，才造成了迈克尔逊-莫雷实验中的光速不变性假象。
（二）双星观测
双星观测常用来说明光速与光源的运动无关。其原理示意图如图4.2所示。

a b
L

S

地球
图4.2 双星观测

图中S代表从双星到地球的距离，L代表光在太空中的粒子速度的平均自由程。分别从a 、b位置发出的两束光,即使它们的速度最初与星体的运动速度有关，受太空中光介子的作用和影响，经过L远的距离后，它们当初具有的与光源运动速度相关的粒子速度也已失去并为太空中光介子致动速度所代替，两束光的粒子速度变得相同。由于双星距离地球非常遥远，而光速在太空中的平均自由程相对来说要小得多，即L《S，这样，从S全程来看，两束光所用的时间是基本相同的。因此，从地球上观察不到异常现象是十分正常的。
（三）光行差现象
光行差现象涉及到两个不同的问题，一是如何解释光行差现象，二是为什么在各种天体运动速度相差很大时，光行差角始终保持不变？
至于什么叫光行差现象以及如何解释它，第一章我们已经作过介绍。但当时在解释光行差现象时还没有提出光介子假说，也不知道地球周围有光介子层。光介子假说与光行差现象抵触吗？如果地球周围真的有光介子层，还能观察到光行差现象吗？下面我们分两步来解释。

甲

乙光介子层
地球表面

图4.3 光行差现象

假设地球上有两个观察者甲和乙，他们都相对于地球静止，但甲站得很高，能够在光介子层外观察来自远处的星光，而乙却只能站在光介子层内观察来自远处的星光。如图4.3所示：
我们先来分析一下甲的观察情况。由于上面没有光介子层，这与我们在第一章讨论过的情况完全相同，由于地球的运动，甲观察到的星光并不是星体的真实方向，而是有一定偏差角。这就是说，甲能够观察到光行差现象，他看到的星光在到达地球表面的光介子层之前，实际已经偏离了星体的真实方向。
星光继续往前，就进入到光介子层中。在甲看来，底下的光介子层是静止的，来自远方的星光进入光介子层时将保持原来的方向不变，这也就是说已经“倾斜”的星光将继续保持它已有的倾斜角度进入到光介子层中。因此，甲会认为，在光介子层中的观察者乙看到的光线仍然保留着它已有的倾斜角，即乙能观察到光行差现象。
再从观察者乙方面来考查。在乙看来，他和光介子层以及观察者甲是相对静止的，甲看到的是什么情况，乙也能观察到同样的情况，光介子层不会对两人的观察产生影响。既然甲能观察到光行差现象，乙同样也能观察到光行差现象。
由于人们对光介子还不太熟悉，我们不妨用日常例子作进一步说明。通常，当光线从空气进入水中时，会产生弯曲现象，这是因为水的折射率与空气的折射率不同所致。如果设想水的折射率与空气的折射率相同且为1，我们将看到光线直直地进入水中。并不会因为地球的运动，让人觉得水中的光线方向与空气中入射方向会有所不同。地面上能够观察到光行差现象，水中照样能观察到。而光线从太空中进入光介子层中，就象光线从空气中进入到假想的折射率为1的水中一样，并不会影响光行差现象的观测。
由此可以看出，虽然光介子假说认为地球周围有光介子层存在，但并不影响对光行差现象的解释。
第二个问题涉及到光速与星体的运动速度的关系问题。现代宇宙学认为，远方星体都在高速运动，由星光红移确定的星体速度，表明远处的星系具有巨大的退行速度。从光行差公式可以看出，光行差角的大小与光速的大小有关，如果光速真的与光源的运动速度有关，那我们观察不同运动速度的天体发出的光，其光行差角就应有所不同。但实际观测表明，不论天体的运动速度如何，观察到的光行差角始终为一常数（20″.47）。因此，有人得出结论，光速与光源的运动速度无关。
但从光介子假说的角度来看，这个结论是得不出的。因为我们已经知道，从遥远天体发出的光，即使当初星光的速度与星体的运动速度有关，由于太空中光介子的作用和影响，在到达地球之前，这种速度也早已消失，最终我们观察到的星光速度已与正常的光速差别不大，故相应的光行差角也差别不大。
值得一提的是，历史上曾有人用向望远镜镜筒内注水的方法，来观察光行差角是否与未注水时有所不同。在他们看来，如果地球相对于“以太”是运动的，静止在地球上的望远镜也就是相对“以太”运动的。如果镜筒内的水能够拖动或部分拖动“以太”一起运动，那光行差角将有所不同。实际观察表明，望远镜注不注水，光行差角都没有明显差异。后来人们认为这个实验证实了“以太”是不能被拖动的。但若从光介子假说的角度看，这个实验是没有什么意义的。因为地面上的光介子本身就是随地球一起运动的，望远镜镜筒内的水与其中的光介子层没有相对运动，根本不存在镜筒内的水对光介子层的拖动问题，镜筒内装水与不装水没有什么区别，故观察到的光行差角不会有什么变化。
（四）运动光源、运动介质及运动反射镜实验
这类实验的目的在于检验光速是否与光源的运动速度有关，以及运动透明介质、反射镜等物体是否可以被看作是“次光源”并对光速产生影响。这类实验有很多种，第一章我们已经作过介绍。限于篇幅，我们不准备用光介子假说对它们逐个解释，因为造成这些实验结果的原因都是相同的，都是因为地球周围的光介子层对其中的光速造成了影响。
我们已经知道，光的粒子速度分量易受光介子层的作用表现出易变性。在上述这类实验中，不管是运动光源，还是可以当作次光源的运动的透明物体或运动的反射体，当光从它们中间出来时，即使最初带有与它们的运动速度相对应的粒子速度，由于这些光很快就进入到实验室的空间中，受这部分空间中光介子层的作用，光子的与光源速度有关的粒子速度会很快失去转而被光介子致动速度代替。因此，实验观察不到这些运动物质对它们的影响是很正常的。除非你能想办法把实验室空间中的光介子全部除去，否则，这类实验做得再多，也得不到所期望的答案。
（五）高速微观粒子的辐射实验
这类实验从本质上讲也是运动光源实验，只不过作为光源的高速微观粒子的运动速度很高，有时甚至接近光速。这样，如果光速真的与光源的运动速度有关，从高速微观粒子中出来的光，其速度效应会更强一些。
但这些实验同样也摆脱不了实验室空间中光介子层对实验结果的影响。不同的是，如果光速与这些粒子的运动速度有关，从中出来的光的速度就更高一些，它们在光介子层中衰减到正常速度花费的时间要长一些。但这种延长是十分有限的，与整个实验中的光程相比，仍微不足道，不足以对实验结果造成明显影响。因此，这类实验观察不到光速与源速有关的效应也是正常的。
（六）斐索流水实验
我们已经知道，宏观物体的运动对其内部的光介子有一定拖动作用。在地球上，由于受外部光介子层的拖累，宏观物体运动时，其内部的光介子只能部分地具备宏观物体的运动速度。在斐索流水实验中，设流水相对于地球的运动速度为V，对光介子的牵引系数为f，则流水内部的光介子相对于地球的运动速度为fV。如果有光线穿过流水，其内部的光介子层就要给光赋予相应的粒子速度。当光顺着流水的方向穿过流水时，光速为c/n+fV，当光逆着流水的方向穿过流水时，光速为c/n–fV，由于这两束光在流水中的速度不同，穿过流水所花费的时间不同，故实验中能够观察到干涉条纹的移动。
这类实验反映出运动物质对光速的影响是通过光介子的作用来完成的，它们是对光介子假说的有力支持。
（七）钢盘拖曳“以太”实验
“以太”拖曳实验的目的在于验证运动的物体是否能够拖曳周围的“以太”随之一起运动。尽管我们不同意“以太”的观点，也不承认“以太”的存在。但光介子假设却如同“以太”假设一样，也认为是一种极为细小的物质的普遍存在对光速产生了影响。既然我们认为运动物体能拖动内部的光介子，那为什么在钢盘拖曳实验中没有发现光介子被钢盘拖动的迹象呢？
其实，宏观物体和光介子之间的作用非常弱，运动物体虽然可以拖动表面的光介子，但拖动作用十分微弱，这一点可以从斐索流水实验看出。该实验表明，即使在水分子与水分子之间这么小的距离内，其中的光介子也不能完全被流水拖动。换句话说就是，在运动物体表面随物体一起运动的光介子层非常薄，薄到只有几个埃（10-10米，分子与分子之间的距离通常以埃为单位）以下，远小于钢盘拖曳实验中的2.5厘米。因此，在钢盘拖曳实验中实际上只有非常非常薄（小于水分子之间的距离）的一层光介子随钢盘转动，其中绝大部分光介子并没有被钢盘拖动，实验中观察不到干涉条纹的移动是很正常的。

至此，我们已经成功地用光介子假说解释了历史上的光速实验。需要说明的是，这些实验并不是历史上各种光速实验的全部，它们仅是其中的一些典型代表。限于篇幅，我们不可能把历史上所有的实验都逐一作出解释，只要理解了光介子假说的含义，相信读者在碰到其它光速实验时，也能自己作出解释。
光介子假说对各种光速实验的成功解释表明，正是由于地球周围的光介子掩盖了光速可变的本质，造成了光速不变性的假象。

三、新的光速实验方案
（一）新的光速实验方案
虽然我们已经用光介子假说解释了历史上的各种光速实验，但这并不足以证明光介子假说是正确的，因为光速不变假设也能解释它们。任何事物都只有一种本质，不可能存在两种完全相反但又都正确的假设，光的本质也是一样。要在光速不变性假设和光介子假说之间做出选择，就需要新的实验证据。
针对光介子假说的特点，笔者设计了一种新的光速实验方案，我们称之为“流水中玻璃棒光速实验”，该实验有可能让我们在光速不变假设和光介子假说之间做出选择。
我们已经知道，运动物体可以拖动内部的光介子部分地随之运动，斐索流水实验已经证实了这一点。由于流水对内部光介子的拖动作用，从而使穿过流水的光部分地具备了流水的速度。现在要讨论的是，如果流水中还有玻璃棒的话，当光线穿过玻璃棒时，其速度会发生怎样的变化。
此时，玻璃棒内的光介子和玻璃棒外流水中的光介子是连成一片的。由于光介子非常小，流水中的光介子将由于扩散运动透过玻璃棒表层来到玻璃棒内部。由于水的流动对光介子的牵引作用，流水中的光介子层具有一定的整体运动速度，当它们来到玻璃棒内时，也将使玻璃棒内的光介子层具备一定的整体运动速度。只不过由于玻璃分子的阻碍，玻璃棒内的光介子层的整体运动速度要比流水中的光介子层的整体运动速度慢些罢了。
也可以这样来解释：既然玻璃棒置身在流水内部的光介子层中，光介子层相对于玻璃棒在运动，也可以反过来看成是玻璃棒运动而光介子层不动。玻璃棒的运动必然会拖动内部的光介子层使之部分地随玻璃棒运动。这种运动的速度方向与流水中光介子层原来的运动速度方向正好相反，故玻璃棒内部光介子层的运动速度等于流水内部的光介子层的运动速度减去玻璃棒的反向牵引速度。
由此可见，如果在流水中放置玻璃棒，玻璃棒内的光介子层也将部分地具有流水的运动速度从而形成“光介子风”，只不过这种“光介子风”的速度要比流水中的光介子层的运动速度小些罢了。此时，如果有光线穿越玻璃棒，玻璃棒内的这种“光介子风”必然会对其速度产生影响。我们相信，这种影响可以通过实验加以测定。这就是“流水中玻璃棒光速实验”的基本思想。
斐索流水实验原理图如图1.9所示，新设计的“流水中玻璃棒光速实验”原理示意图如图4.4所示。
对比“流水中玻璃棒光速实验”原理示意图和斐索流水实验原理示意图可以看出，两者十分相像，唯一的不同是“流水中玻璃棒光速实验”在流水中多放置了两根玻璃棒（也可以是中空细长管或光导纤维，下同）。
在“流水中玻璃棒光速实验”中，光源S发出的光经半透明镜分成两束光，以相反方向在干涉仪回路中传播。与斐索流水实验相比，光线并不是直接穿过流水，而是从流水中的玻璃棒中穿过。当光线穿过流水中玻璃棒时，其速度是否与水静止时相同，现有理论不能告诉我们。但若依据光介子假说，流水中具有一定运动速度的光介子钻到玻璃棒中，会对穿越玻璃棒的光的速度产生影响，从而造成干涉条纹的移动。

玻璃棒
入水口

v
v
v
光源S
A
出水口玻璃棒
干涉条纹
图4.4 流水中玻璃棒光速实验
具体数学推导如下：
通常，光在介质中的传播速度为：
u＝c/n±fv （4-4）
f＝1-1/n2
其中：u为光在介质中的传播速度；
c 为光在真空中的传播速度；
n 为介质的折射率；
f 为运动介质的菲涅耳牵引系数；
v 为介质的运动速度。
设流水相对于地面的速度为v ，水的折射率为n1 ，牵引系数为f1 ；玻璃棒相对于地面静止，其折射率为n2，牵引系数为f2；
若把流水的牵引视为正向牵引，则玻璃棒对内部光介子的作用就为反向牵引，总的牵引系数为：
f ＝f1 (1 - f2) （4-5）
两束光在玻璃棒中的传播速度为：
u± ＝c/n2±f v （4-6）
两束光汇合时的时间差为：
△t = 2L/u- － 2ｌ/u+
= 2L［1/(c/n2－fv)－1/(c/n2＋fv)］（L为玻璃棒长度）（4-7）
根据式（4-7），适当选择玻璃棒长度和流水速度，就能观察到干涉条纹的移动。对于这种牵引效应，相对论是预见不到的。因此，如果该实验能够得以实施，将有助于人们在光介子假说和光速不变假设之间做出选择。
需要说明的是，具体实施该实验时，玻璃棒两端不得延伸到流水外面，要让玻璃棒完全浸没在流水中，目的是为了让玻璃棒完全置身在流水中的光介子层中。如果玻璃棒两端延伸到了流水外面，也就延伸到了流水外面的光介子层中，这样就和实验室空间中的光介子层相通了，玻璃棒内只有表皮附近非常薄的一层光介子能部分具备流水速度，而中间的大部分光介子实际上和外界的光介子层没有多少区别，并不具备整体运动速度。这样，当光线通过玻璃棒时，由于没有“光介子风”，其速度自然也就不会发生变化。由此可见，只有当玻璃棒完全浸没在流水中时，才能在玻璃棒内形成“光介子风”，才能对穿越其中的光速产生影响。但此时，由于玻璃棒两端还有流水，实验时既要考虑玻璃棒对光速的牵引作用，还要考虑玻璃棒两端的流水对光速的牵引作用，理论上的计算要复杂一些。
（二）光速实验的努力方向
光速不变原理主要包括两方面的内容，一个是指光速与光源的运动无关，另一个是指光速与观察者的运动无关。通过运用光介子假说对各种光速实验的分析表明，光速是否不变并不象相对论所说的那样已成定论。
首先，光速与光源的运动无关的结论没有真正得到实验的检验。因为这类实验都受到了光介子的影响，即使最初光速与光源的运动速度有关，光一旦离开光源就要受到光介子的作用和影响，最终也会表现出光速与光源运动无关的假象；
其次，光速与观察者的运动速度无关的结论更没有从实验中得到检验。人们精心设计过各种运动光源实验，但从未有人专门设计过观察者运动的光速实验。迈克尔逊-莫雷实验等表面上看来是观察者运动的光速实验，实质上并不是真正的运动观察者实验。光介子假说告诉我们，光速相对于光介子层是各向同性的，如果观察者相对光介子层静止，他在各个方向测得的光速都是相同的。因此，要检验光速是否与观察者的运动有关，必须让观察者相对于光介子层运动。这就是说，在光速实验中，只有观察者相对于光介子层有运动速度时，才真正称得上是运动观察者实验。而迈克尔逊-莫雷实验，所谓观察者运动实际上是指地球相对于太阳系（或者说绝对空间）的运动。由于地球运动时带着周围的光介子层在一起运动，地球上的观察者相对于光介子层来说仍是静止的，这个实验算不得是真正意义上的运动观察者光速实验。
因此，光速是否与光源的运动有关以及光速是否与观察者的运动有关都是值得进一步研究和探讨的。为了进一步弄清光速的本质，可考虑做如下一些实验研究。
１.新的运动光源（或次光源）实验
过去所做的运动光源实验都受到了光介子的作用和影响，并没有真正对光速是否与光源的运动有关作出检验。只有排除了光介子对光速的影响，才有可能真正作出检验。
要排除光介子对光速的影响，一种可能的办法是象抽真空一样将光介子抽干。可惜，光介子非常小，它能轻易穿透任何物质。在目前的认识水平上，还不可能找到一种方法将某一区域内的光介子抽干。因此，采用抽干光介子的办法来做运动光源实验看来是不可能的。
排除光介子影响的另一种办法是到无光介子或光介子稀少的区域去做运动光源实验。地球上到处充满着光介子，不可能找到这样的区域。唯一可供选择的地方是太空，只有在太空中，光介子才可能极为稀薄。当光介子稀薄到光速在其中的平均自由程大于实验所需的光程时，就可以做运动光源的光速实验了。此时，光介子层对光速的影响不明显，光速将保留与光源有关的速度特性，这样，就可以根据干涉条纹是否移动来确定光速是否与光源的运动有关。
但要光介子稀薄到这种程度，很可能要到比相对于大气层而言的太空还要更高更远的空中，这就需要十分先进的宇航技术。目前看来，这类实验还难于办到。但随着宇航技术的进一步发展，这种实验还是有可能得以实施的。
2．观察者运动的光速实验
前面的分析已经表明，光速是否与观察者的运动无关并没有真正从实验中得到检验，只有让观察者相对于光介子层运动，才有可能真正检验这一点。在地球上做这种实验，就是要让观察者相对于地球运动。
理论上讲，做这种实验很简单，比如我们只要在高速运动的平台上来做迈克尔逊-莫雷实验就可以检验出光速是否与平台的运动有关。但具体实施这种实验却非常困难，因为我们很难找到一种速度很高而又非常平稳的运动平台。如果平台不稳定，我们就无法进行干涉实验。如果有人能设计一种高速平稳运动的平台，相信这种实验也是可以做的。到时，将对光速是否与观察者的运动有关作出真正检验。
3．光介子拖曳光速实验
前面介绍的“流水中玻璃棒光速实验”就是这样一种类型的实验。做这种实验的目的不是对光速是否可变作出直接检验，而是对光介子假说作进一步验证。如果这些实验的结果和光介子假说的预期相符，就是对光介子假说的有力支持。
光介子假说是支持光速可变的观点的，如果证明了光介子假说是正确的，实际上就等于证明了光速不变假设是错误的。
“流水中玻璃棒光速实验”是根据光介子假说的特点设计的，但它只是一种较易实现的实验方案。根据光介子假说的特点，人们还可以设计其它的实验方案，这也是今后光速实验的一个可能的突破方向。
四、对历史上各种光速假设的基本看法
为了解释光速现象，人们曾提出过各种各样的假设。一类是以“以太”假说为基础的假设，另一类是发射假说（有时也叫粒子假说），最后才是爱因斯坦提出的光速不变假设。
（一）关于“以太”假说
我们知道，“以太”的概念最初就是为解释光的传播问题提出来的。当时人们普遍地把光当作一种波来看待（或者说当时波动说占据着主导地位）。在光的传播问题上，人们自然而然地套用了机械波的概念，想象着有一种能够传播光的弹性媒质的存在，这就是“以太”。根据光的传播特点，并用传播机械波的媒质作类比，人们为“以太”设想了许多性质。
光线能够从一个星球传播到另一个星球，说明光线能够在太空中传播。据此，人们认为“以太”弥漫在整个宇宙空间。又因为光线能够在玻璃、水等透明物质中传播，人们认为“以太”能够浸透物质内部。同时，由于声波等机械波的传播速度相对于传播媒质是各向同性的，人们认为光的传播速度相对于光的传播媒质——“以太”也是各向同性的。这样，“以太”参考系就成了一个非常特殊的参考系，在其它所有相对于“以太”运动的参考系中，光速不再是各向同性的。因为“以太”弥漫在整个宇宙空间，又具有十分特殊的地位，人们很自然地把它看成了绝对空间的代表。
但人们设想出的“以太”具有的性质却是相互矛盾的。人们认为“以太”弥漫在整个宇宙空间，但从地球、太阳等天体在宇宙空间中的运动情况来看，似乎根本就没有受到“以太”物质的任何影响，这说明“以太”应是十分稀薄、十分柔软、粘滞性很小的，它的存在对宏观物体的运动不产生明显的影响；但“以太”作为光的传播媒质，要具备与此完全相反的性质。对机械波的研究表明，要传播高频振动的横波，传播媒质必须具备很好的刚性。由于光是横波且振动频率很高，要求“以太”具有很好的刚性。
一方面要十分柔软，另一方面又要具备很好的刚性，显然是一种自相矛盾的要求，这反映出“以太”假说本身就存在着先天不足。自然，以它为基础的一些光速假设就要相应地承受一份责难。
（二）关于“以太”拖曳假设
为了解释迈克尔逊-莫雷实验，人们提出了“以太”拖曳假设。“以太”拖曳假设认为地球在拖着周围的“以太”一起运动。这样，地球与其周围的“以太”层就是相对静止的。而当时的人们认为，光速在“以太”中是各向同性的，既然地球与其周围的“以太”层相对静止，则在地球上观察到的、在地球周围空间传播的光，其速度就是各向同性的。这也就是说，在任何与地球相对静止的观察者看来，来自不同方向的光的速度都是相同的。这样，迈克尔逊-莫雷实验结果就非常容易解释了，因为在该实验中，水平方向和垂直方向的光速是相同的，实验观察不到干涉条纹的移动是十分正常的。
“以太” 拖曳假设不仅能解释迈克尔逊-莫雷实验，也能解释一切企图检验光速是否与光源（或次光源）运动有关的地面光速实验。
尽管“以太” 拖曳假设能够解释这些实验，但“以太” 拖曳假设最终被证明是不正确的，因为人们发现“以太”很难被宏观物体的运动所拖动，那种认为地球能够拖动周围“以太”一起运动的观点是不成立的。
在钢盘拖曳“以太”的实验中，两钢盘仅相距2.5厘米，但实验未发现钢盘之间的“以太”有被拖动的任何迹象。这说明，即使钢盘能够拖动周围的“以太”，被拖动的“以太”层厚度也远小于1.25厘米。如果斐索流水实验的结果也看作是流水拖动“以太”从而对光速产生影响带来的结果，则该实验反映出的能被运动物质拖动的“以太”层厚度还要薄得多，薄到小于水分子之间的距离。
这些实验表明，“以太”和普通物质之间的相互作用是非常弱的，宏观物体的运动很难拖动周围的“以太”。这样，“以太” 拖曳假设所提出的地球能够拖动周围“以太”一起运动的观点也就站不住脚了，因为人们很难想象普通物质对“以太”的拖动作用非常弱，而地球却能拖着厚厚的“以太”层一起运动。
从宏观的角度来看，“以太”拖曳假说的观点同样也是站不住脚的。因为“以太”均匀地分布在整个宇宙空间，如果地球能够拖动周围的“以太”运动，相信其它星球也会拖着周围的“以太”一起运动。星球拖动的“以太”层越厚，受到来自“以太”层的阻力就越大，这样，星球的运动就会因“以太”的阻力作用逐渐变慢直至完全静止在“以太”中。时间长了，宇宙间所有的天体都要停止运动。但事实上，宇宙天体都在运动，甚至没有任何变慢的迹象。这表明，地球拖动着周围“以太”一起运动的观点是不成立的。
虽然“以太”拖曳假设被证明是不成立的，但同时我们也应该看到，“以太” 拖曳假设对有关光速实验结果的解释是简单而明了的。该假设之所以被否定，并不是因为它解释不了这些光速实验，而在于人们通过另外的实验表明地球周围的“以太”不能象拖曳假设所说的那样被地球拖动。但这种结论是在综合考虑了“以太”的空间均匀分布特性后得出的。如果设想“以太”不是均匀地分布在宇宙空间，只是分布在星体周围，则地球拖动周围“以太”一起运动的观点就有可能成立。因为远处的空间中没有“以太”，没有什么物质对地球周围“以太”的运动产生阻力作用，故这些“以太”会象空气一样随地球运动。只要能够说明地球周围的“以太”随地球一起运动，“以太”拖曳假设就能够成立。因此，“以太”拖曳假设的错误不在于拖曳假设本身，而在于它是以“以太”假说为基础的，受到了“以太”假说固有缺陷的拖累。
换句话说，拖曳的想法还是可取的。如果拖曳假设不是以“以太”假说为基础，而是以其它物质为基础，就能避开“以太”假说固有的缺陷，并有可能发展成为一种正确的假设。可惜的是，当时的人们由于受“以太”观点的影响太深，没有人想到先抛弃“以太”假说再发展拖曳假说。事实上，本书提出的光介子假说在解释迈克尔逊-莫雷实验等有关光速实验时就充分运用了拖曳的思想，只不过光介子假说认为地球拖动的是光介子而不是“以太”。由于光介子并不象“以太”一样均匀地分布在整个宇宙空间，而是分布在星体周围，也就不存在地球不能拖动它的问题。光介子假说很容易解释为什么地球能够拖动周围的光介子层而普通物质（如转动的钢盘）却不能。
（三）关于斐兹杰惹-洛伦兹收缩假设
为了解释迈克尔逊-莫雷实验，斐兹杰惹和洛伦兹提出了物体长度会沿运动方向收缩的假设，这种收缩被称为斐兹杰惹-洛伦兹收缩。应用斐兹杰惹-洛伦兹收缩假设，同样可以解释迈克尔逊-莫雷实验。
尽管洛伦兹在“以太”假说的基础上用电子论的方法解释了这种收缩，但我们认为这种收缩根本不可能存在，后来也有人用实验否定了这种假说。
力学的相对性原理告诉我们，力学定律在所有惯性系中都是相同的，我们不能指望刚体在不同的惯性系中会有不同的力学性质，因而不能想象同一物体在不同惯性系中会有不同长度。同时，经验也告诉我们，刚体是很难变形的，即使施加很大的外力也难于办到。怎么可能只是运动速度不同，刚体的长度就会发生变化呢？
象斐兹杰惹-洛伦兹收缩这种令人难以置信、不可想象的假设也被著名的物理学家提出，居然也有人相信，说明当时的物理学家确实已被光速问题搞得晕头转向。无论什么假设，只要它能够解释实验结果，哪怕再稀奇、再离谱，人们也变得能够容忍。直到爱因斯坦提出光速不变假设时，人们已经见惯了各种各样稀奇古怪的假设，对光速不变假设也就见怪不怪了，这客观上为相对论在物理学中立住脚跟创造了条件。
（四）关于发射假说
发射假说认为光速与光源的运动速度有关。从本质上讲，这种假说已自觉不自觉地把光当作粒子来看待了，因为只有粒子的速度才与发射体的运动速度有关。发射假说虽然能够解释迈克尔逊-莫雷实验，但在“双星观察”、“运动光源”、“运动介质”等实验面前碰到了困难。
本来，发射假说应该是正确的，但由于广泛存在的光介子对光速的影响，致使发射假说在“双星观察”、“运动光源”、“运动介质”等实验中失去了应有的观察效应，从而导致发射假说最终被认为是不正确的。按照光介子假说，地球周围存在着光介子层，在地球上的各种光速实验中，从光源发出的光子，即使其初速度与光源的运动速度有关，也会由于很快进入到地球周围的光介子层中，从而使这种与光源有关的速度特征很快失去转而被光介子致动速度取代，最终表现出光速与源速无关的假象。在双星观测等天文学证据中，由于太空中的光介子对光速的作用，同样使光速失去了当初具有的与源速有关的特性，最终表现出了与源速无关的假象。
由此可见，发射假说虽然不能解释运动光源等光速实验，但这并不意味着发射假说是错误的。正是由于光介子的普遍存在以及它们对光速的影响，从而掩盖了光速的本质，致使发射假说失去了应有的观察效应。如果能设法排除光介子对光速的影响，还是有可能用实验的方法对光速是否与光源的运动速度有关作出检验的。因此，如果要对发射假说作更进一步地验证，必须进行新的实验。
（五）关于光速不变假设
虽然上面提到的各种假设都有一定的合理成分，但往往是解释得了这个实验，却解释不了那个实验，始终没有一种假设能够全面地解释各种光速实验，直到爱因斯坦提出光速不变假设为止。
不过，与其说光速不变假设能够解释各种光速实验，还不如说它是对各种光速实验结果的直接认可。这一假设本身与人们的日常经验相抵触，人们无法想象当观察者运动时，光速仍然能够维持不变。当初，人们并不看好这一假设，只不过除它之外，再也没人提出能够全面解释各种光速实验的假设，人们不得不接受光速不变性假设。
现在，光速不变假设已被许多人当作真理接受了。可是，如果仔细分析就会发现，相对论所说的光速不变假设其实已超出了所有光速实验能够证实的范围。
严格说来，光速不变假设包含着两方面的含义：一方面是指光速在所有“惯性系内”，均为c；另一方面是指，如果一束光在某一惯性系中的速度为c，那么在另一惯性系中观察这束光，其速度仍为c。我们把前一种情况下的光速，简称为“参考系内”的光速，把后一种情况下的光速，简称为“参考系间”的光速。
目前，包括迈克尔逊-莫雷实验在内的所有光速实验最多只是证实了第一点（即证实了光速在所有“惯性系内”都是相同的），并没有哪个实验证实第二点（即证实“参考系间”的光速具有不变性）。原因在于，按相对论的观点，所有观察者都只能观察到“参考系内”的光速。
我们知道，相对论是坚持相对时空观的，认为各个参考系都有各自不同的时间和空间，空间具有传播光的属性，光是由空间传播的。按照这样的观点，各个参考系里的光，都是由参考系自己所在的空间传播过来的，并不存在一种绝对的空间，在其中传播的光，既可以让甲参考系里的观察者看到，也可以让乙参考系里的观察者看到。每个观察者都会认为光是从自己所在参考系内的空间传播过来的，而不是从其它参考系的空间传播过来的，他测得的光速始终是自己“参考系内”的光速，而不是“参考系间”的光速。因此，所有实验都不可能测得“参考系间”的光速，更无法说明“参考系间”的光速仍为c。这样一来，就意味着光速不变假设中的第二点并没有从实验中得到证实。
但问题是，恰恰是第二点，才是光速不变假设的核心。因为整个相对论，讨论的都是参考系间的变换问题，而这些变换都是以“参考系间”的光速不变为基础的。既然这一点并没有从实验中得到证实，就意味着整个光速不变假设并没有从实验中真正得到证实。
其实，“参考系间”的光速并不是不可测量。按照光介子假说，只要观察者相对于地球运动，测得的光速就是“参考系间”的光速。可惜的是，历史上没有一个实验这样做过。如果真有人这样做了，就会发现光速根本不是不变。
关于这一点，可以以声速为例加以说明。如果我们在地面上测得的空气中的声速是一个值；在运动的密封列车上测得的声速是相同值；在高速飞行的飞机上测得的声速还是相同值；类似的实验做了很多，测得的声速都是相同的，这时，我们是否可以说“声速具有不变性”呢？不能，因为我们知道，只要把仪器伸到车身（或机身）外，测得的声速值就不同。前面的那些实验，虽然个数很多，但都属于同一类型，都是在相对于空气介质静止的“参考系内”测得的声速。这样的实验再多，也只能说明，在各个介质“参考系内”声速是相同的，不能说明相对于介质运动的观察者测得的“参考系间”的声速，也会相同。对光速来说，也是一样，虽然目前已做过的实验很多，但本质上都是同一类型的，都是在地球这个大“参考系内”做的，没有一个实验相对于地球是运动的。
总之，对光速问题，自从爱因斯坦提出光速不变假设之后，人们的探索热情就大大降低了，本应进一步深究的问题反倒被忽视了。
接受光速不变的观点，就意味对物质作用假设的放弃。那么是否应该放弃物质作用论的观点呢？其实不应该。尽管当时人们已在物质作用论的基础上作了大量努力，但这并不意味着已经穷尽了各种物质作用假设。光介子假说就是这样一种物质作用假设，它能够解释历史上的各种光速实验。当时的人们之所以没有发现这种假设，主要是因为受“以太”假说的影响太深。最初，人们在提出光速假设时始终离不开“以太”假说这个框架，人们在“以太”假说的基础上花费了大量的时间和精力，提出了各种各样的假设，但都一一失败了。人们在“以太”假说上付出的感情越深，失望也相应地变得越来越大。当这种失望情绪积累到了一定程度，人们的思想走向了极端，不但放弃了“以太”假说，同时也放弃了与“以太”假说相近的一切物质作用假说，放弃了寻求其它类型的物质作用假设的努力。本来，类似“以太”拖曳假设这种理论只要扬弃“以太”假说中的一些不合理成分，稍加改善就有可能发展成正确理论，可惜人们最终还是放弃了物质作用论的思想，转而接受了非物质作用论的光速不变假设。

[41楼] 作者:hudemi 发表时间: 2008/12/14 10:56

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第六章光谱频移的本质

[摘要] 本章讨论了光谱频移的本质。我们从讨论光的多普勒频移入手，指出造成光谱频移最根本的原因在于光子能量的变化，从中，我们进一步揭示了相对论理论体系的矛盾性；接着，我们讨论了星系红移和宇宙大爆炸理论，指出星系红移的本质不是由星系间的相互运动造成的，而是星光远距离传播后能量衰减造成的，宇宙大爆炸理论难于成立。最后，我们还讨论了光的引力频移效应，指出引力既可以造成红移，也可以造成蓝移。

对声波来说，如果声源和接收者存在相对运动，接收者收到的声波频率将会有所变化，这就是声波的多普勒频移效应。例如，当高速运行的火车迎面而来时，我们感觉其声音比正常的尖锐；而当高速运行的火车从背后离去时，我们感觉其声音比正常的低沉，就是这个道理。
对光来说，也存在多普勒频移效应。经典理论认为，光的多普勒频移效应与声波相似，只与光源相对于观察者的运动速度V和光速C的比值有关，通常称为光的多普勒频移一阶效应。但相对论预言，光的多普勒频移效应不仅存在一阶效应，而且还有二阶（及二阶以上）效应。特别是，当光源与接收者有相互垂直的运动速度时，还存在着横向多普勒频移效应，而这是经典理论没有预见到的。
实验表明，光确实不仅存在着一阶多普勒频移效应，也存在着二阶多普勒频移效应和横向多普勒频移效应。由于二阶多普勒频移效应是相对论从时间膨胀效应中推出的，因此，二阶多普勒频移效应实验往往既被看着是相对论多普勒频移效应的支持性证据，同时也被看着是时间膨胀效应的支持性实验证据。
多普勒频移是光谱频移中的一种。本章将从多普勒频移效应入手，用物质作用论的观点对光谱频移作出分析，同时指出相对论存在的一些问题，使人们进一步弄清光谱频移的本质。

一、多普勒频移

（一）相对论多普勒频移公式
相对论在推导多普勒频移公式时考虑了相对论时间膨胀效应，因此它得出了与经典理论不同的公式。下面我们摘录一段有关教材对相对论多普勒频移效应公式的证明过程，便于人们理解相对论多普勒频移公式的本质。
假定光源以速度V向着接收者运动，并在接收者的参考系进行计算。假设光源发出N个波，如果光源向着接收者运动，那么在接收者参考系里所测得的tR时间里，第一个光波通过的距离为ctR，而光源通过的距离为VtR。其波长便为λ＝（ctR－VtR）／N。因此接收者观察到的频率为：
f＝c/λ＝[c/（c-V）]（N/tR）＝[１/（1－V/c）]（N/tR）
若光源的频率为f0，则在光源参考系里所测得的tS时间里，光源发出了N＝f0 tS个波。这里tS是本征时间间隔（在光源参考系里，第一个波和第N个波都是在同一地点发出的）。时间tS和tR的关系由通常的时间膨胀公式tS＝tR/Υ（式中Υ＝1/（1－V２/c２）1/2）给定。这样对于运动光源的多普勒频移效应，我们得到：
f＝[１/（1－V/c）]（f0 tS /tR）＝[f0/（1－V/c）]／Υ
＝[（1－V２/c２）1/2/（1－V/c）]f0
f/f0＝（1－V２/c２）1/2/（1－V/c）
　＝（1+V/c）/（1－V２/c２）1/2　　　　　　　　　　（6-1A）
同样得出，当光源和接收者以相对速度V彼此分离时，
f/f0＝（1－V/c）/（1－V２/c２）1/2　　　　　　　　　　　（6-1B）
当光源相对于接收者垂直运动时，
f/f0＝1/（1－V２/c２）1/2　　　　　　　　　　　（6-1C）
它们与经典公式的不同在于多出了个时间膨胀系数。
上面只对几种简单运动情况下的多普勒频移效应公式作了推导。从中我们已经看出，造成相对论多普勒频移效应公式与经典公式不同的根本原因在于相对论坚持的时间膨胀效应。
从上述的推导过程可以看出，这种方法也应适用于对声波多普勒频移效应公式的推导。也就是说，如果真的存在时间膨胀效应的话，声波也应有相对论多普勒频移效应，即声波的多普勒频移效应也应该存在二阶（及二阶以上）多普勒频移效应以及横向多普勒频移效应。可是，似乎从来没有人讨论过声波的相对论多普勒频移效应，也没有人从实验中发现声波的二阶多普勒频移效应。
因此，人们应该对声波的多普勒频移效应作出检验，如果反复验证仍不能发现声波具有二阶（及二阶以上）多普勒频移效应和横向多普勒频移效应，则说明相对论的观点是错的。因为如果真的存在时间膨胀效应，它不可能只对光波而不对声波起作用。
（二）光的多普勒频移效应的本质
通常，多普勒频移效应是和波联系在一起的，而我们倾向于认为光是一种粒子。如果粒子的观点正确，那我们该如何理解光的多普勒频移效应呢？
多普勒频移效应的产生在于光源与接收者之间的相对运动，这提示我们，要分析多普勒频移效应，必须从分析光源与接收者相对运动带来的影响入手。从粒子的观点来看，光子的速度不同，最直接的表现就是作用到物体上的能量不同。可是，能量不同，又怎么能和波动学中的频移挂上钩呢？
这就需要从描述光子能量的方法上找原因。尽管近代物理学已经认识到了光的粒子性，但在描述光子的能量时仍借用着波动学中的“频率”概念，光子的能量是用频率来表征的，并没有象传统的做法一样，用质量和速度来描述光子的能量。通常，光子的能量用E=hf表示，其中h为普朗克常数，f为光子的频率。
既然能量和频率联系上了，这就意味着，能量不同，对应着的频率也不同。因此，分析光源与接收者相对运动时接收者感受到的光子能量的变化情况，也就知道了光子频率的变化情况。
我们已经知道，光子的能量由两部分组成，一部分是光子的平动动能，另一部分是光子的振动能。当光速为C时，光子的总能量为E=MC2。其中，光子的平动动能为MC2/2，光子的振动能也为MC2/2。如果光速不为C，则光子的平动动能就不再等于MC2/2，但光子的振动能量仍然为MC2/2。例如，当光速为C±V时，光子的平动动能为M（C±V）2/2，此时光子的总能量为M（C±V）2/2＋MC2/2。
暂不考虑光介子对光速的影响，则当光源与接收者相互靠近时，相对于接收者的光速为C+V；当光源与接收者相互离开时，相对于接收者的光速为C-V；而当光源与接收者相互垂直运动时，相对于接收者的光速为（C2+V2）1/2。
为了简化数学推导过程，下面只对上述几种特殊情况作分析讨论，从中指出多普勒频移效应的本质。
设光速为C时，光子的能量为E0，频率为f0；当光源与接收者有相对运动时，光子的能量为E，频率为f。
1. 光源与接收者相向(反)运动
光子相对于接收者的速度为C±V(相向运动时取＋号,相反运动时取－号)，光子的平动动能为M（C±V）2/2，振动能为MC2/2，此时光子的总能量为：
E＝MC2/2＋M（C±V）2/2
而E0＝MC2
E/E0＝（MC2/2＋M（C±V）2/2）/ MC2
＝1±V/C＋V2/（2 C2）
而E/E0＝hf/（hf0）＝f/f0
f/f0＝1±V/C＋V2/（2C2）（6-2）
这就是我们推导的多普勒频移公式。
再回过头来看相对论多普勒频移公式，当V《C时，依据泰勒展开：
1/（1－V２/C２）1/2＝1＋V2/（2 C2）＋…
故式（6-1A）和（6-1B）可以改写为：
f/f0＝1±V/C＋V2/（2 C2）＋… （6-3）
对比式(6-2)与式(6-3)可知，我们推出的多普勒频移公式与相对论多普勒频移公式在一阶项和二阶项上完全相同，不同的是相对论公式还有三阶以上的高阶项，而我们推出的公式中没有。
2.光源与接收者之间相互垂直运动
当光源相对于接收者有垂直方向的运动速度V时，光子相对于接收者的速度为（C2+V2）1/2，对应的平动动能为M（C2+V2）/2，再加上光子的振动能MC2/2，此时光子的总能量为：
E＝MC2/2＋M（C2+V2）/2
E/E0＝（MC2/2＋M（C2+V2）/2）/ MC2
＝1＋V2/（2 C2）
f/f0＝E/ E0＝1＋V2/（2 C2）（6-4）
这就是我们推得的横向多普勒频移公式，经典理论没有预见到横向多普勒频移效应的存在。
同样，再看看相对论横向多普勒频移公式，当V《C时，将（6-1C）式泰勒展开：
f/f0＝1＋V2/（2 C2）＋… （6-5）
对比（6-4）式和（6-5）式可知，我们推出的横向多普勒频移公式与相对论公式在一阶项和二阶项上完全相同，不同的是相对论公式还有三阶以上的高阶项，而我们推出的公式中没有。
综上所述，我们推出的公式，二阶多普勒频移效应与相对论推得的结果是一样的，这就意味着，目前所有支持相对论频移公式的实验，同样也支持我们推出的多普勒频移效应公式；只要是相对论能解释的实验，我们同样能够解释。由此可见，二阶多普勒频移效应未必就是时间膨胀效应造成的，我们不能把二阶多普勒频移效应说成是时间膨胀效应的实验证据。
如果我们对多普勒频移效应的解释最终被证明是正确的，则光的多普勒频移效应，本质上就是光子能量的变化。由于近代物理学在描述光子的能量时，没有用质量和速度的方法加以描述，而是借用波动学中频率的概念。这样做的结果使得能量的变化被说成了频率的变化。当光源与接收者之间有相对运动时，接收者接收到的光子能量发生变化，从而被误认为是光子频率的变化。
需要指出的是，近代物理学一直在使用的E=hf这一能量公式，实际上是一条未经理论证明、也未经实验验证的假设。这一假设本质上是让人困惑的。既然把光看作是一种粒子，就不存在“频率”这种说法；既然要用“频率”这种波动学中的名词概念来表征光子的能量，就不能把光看作是一种粒子。本文对光子能量的分析和讨论，有助于为物理学打开这种困惑的局面。
（三）从光子能量看相对论理论体系的矛盾性
上面我们已经用能量的观点解释了多普勒频移效应，所导出的公式与相对论频移公式二阶项以前完全相同，不同的是相对论频移公式中还有三阶以上的高阶项。为了彻底弄清到底哪种观点正确，需要用新的实验来判决，这种新的实验要能检测出三阶（及三阶以上）多普勒频移效应。
但我们知道，由于普通物体的运动速度远小于光速，做二阶多普勒频移实验已非常困难。而三阶多普勒频移效应比二阶效应更弱，可以想象，做三阶多普勒频移实验将更加困难。因此，想用三阶多普勒频移实验来验证到底哪个公式正确，短期内还实现不了。
实验做不了，我们不妨从理论上作一些探讨。下面我们将对一些极限情况作些分析讨论，以便使人们从中进一步看清相对论理论体系的矛盾性。
如果光源和接收者以接近于光速C的速度相互靠近，即V→C时，
由我们推得的频移公式有：f/f0≈1＋C/C＋C2/（2 C2）
＝2.5
这也就是说，当光源与接收者以接近于光速C的速度相互靠近时，接收者接收到的光子的频率是正常频率的2.5倍，或者说是正常光子能量的2.5倍。
而由相对论频移公式有：f/f0≈（1+C/C）/（1－C２/C２）1/2
＝2/0 趋近于无穷大。
这就是说，当光源与接收者以接近于光速C的速度相互靠近时，依照相对论多普勒频移公式，接收者接收到的光子的频率将趋于无穷大。再根据E=hf的公式，对应的光子能量也趋于无穷大。一个小小的光子，说其能量为无穷大，显然难于让人接受。这表明，相对论多普勒频移公式存在问题。
问题的矛盾性不仅如此，更突出的问题是这一结论正好与从光速不变原理和质能方程引出的结论完全相反。
光速不变性假设告诉我们，在任何观察者看来，光速恒为C。也就是说，即使观察者以接近于光速C的速度向光源靠近，观察者观察到的光速仍为C。而相对论质能方程告诉我们，光子的能量由E=MC2确定。既然任何观察者观察到的光速均为C，则不同速度的观察者观察同一个光子，其能量应完全相同，均为E=MC2。这也就是说，即使观察者以接近于光速的速度向光源靠近，他观察到的光子能量也与正常的光子能量一样。
相对论多普勒频移公式告诉我们，当观察者以接近于光速的速度向光源靠近时光子的能量趋于无穷大，而光速不变原理结合质能方程告诉我们，此时光子的能量与正常无异，显然这两者之间有矛盾。这表明，要么是相对论多普勒频移公式错误，要么是光速不变原理和质能方程错误，要么它们都错误。
尽管目前我们还无法用实验来证明究竟是相对论对光谱频移的解释正确，还是我们对光谱频移本质的解释正确，但通过上面对相对论频移公式存在问题的分析，已在一定程度让我们相信，相对论的解释是错误的。

二、星光光谱频移

（一）光介子对光子能量及频率的影响
我们在前面推导多普勒频移公式时，没有考虑光介子对光速的影响。事实上，光介子的影响肯定是存在的。但在短距离内，光介子对光子总能量的影响非常小。因此，一般情况下，完全可以不考虑光介子对多普勒频率的影响，但在长距离内，这种影响不得不考虑。
光介子假说告诉我们，光介子普遍存在，且对光速产生明显的影响。既然光介子能够影响到光子的速度，是否也会影响到光子的能量从而导致多普勒频移呢？
光介子非常小，与其它物质之间的相互作用非常弱，对其它物质能量的影响非常非常小。当光子在光介子层中运动时，被光介子吸收的光子能量也非常非常小。否则的话，当光线从一个星系传播到另一个星系时，光子的能量早被宇宙空间中的光介子层吸收尽了，根本不可能传播得很远。我们能够看到几百亿光年远的星体传过来的光线，就说明光介子层对光子能量的吸收非常弱。短距离内，光介子层对光子能量的影响可以忽略不计。
看到这里，细心的读者也许会问，光介子假说告诉我们，从运动光源发出的光，一进入到光介子层中，原有的与源速有关的粒子速度就很快失去而被光介子层的推动速度所代替。既然光子的速度已经受到了光介子的影响，怎么说光子的能量没有明显变化呢？
当光子的速度受到光介子层的影响发生变化时，光子的平动动能确实会发生变化，但这并不意味着光子总能量也会相应变化。因为在与光介子的作用过程中，光介子并没有吸收（或给予）光子多少能量，因此，光子的总能量不会有明显变化。为什么光子的平动动能发生了明显变化而总能量仍能维持不变呢？原因在于光子在光介子层的作用下速度发生变化时，其平动动能和振动能之间发生了转化。当光子的平动动能减少时，减少的这部分能量转化为光子的振动能；相反，当光子速度增加时，其平动动能增加也来源于光子振动动能的减少。总的来说，光子的总能量并无明显变化。形象地说，这就象一个落到地上的弹簧振子。在振子与地面的接触过程中，受地面的作用，振子的速度不断降低，振子的动能逐渐转变为弹簧的势能，但总能量仍保持不变。一旦振子的动能全部转变为弹簧的势能，振子的势能又开始向动能转化，振子开始反弹。然后再下降、再反弹，这一过程重复多次，但振子的总能量基本保持不变。
由此可见，尽管光介子常常会影响光的速度，但在短距离内，它几乎不影响光子的能量，也就是说，它几乎不影响光的频率。虽然上节我们在推导多普勒频移公式时没有考虑光介子的影响，但这并不影响该公式在短距离内的适用性（至少地球上的一切实验都可不考虑光介子对光的频率的影响）。
（二）星光红移的本质及宇宙大爆炸理论质疑
尽管光介子对光子能量的影响不大，但并不是没有影响。如果光子在光介子层中运行的距离足够远，受光介子层的作用时间足够长，这种影响就会表现出来。
我们知道，光介子广泛存在于宇宙各处。当光线从一个星球传播到另一个星球的过程中，要穿过一层又一层疏密不匀的光介子层。尽管太空中的光介子十分稀薄，对光子能量的影响也十分微弱，但星系与星系之间的距离实在是太遥远了。经过这么长时间光介子层的累积作用，其影响就不可小视了，光子的能量或多或少要损失一些。光线穿越的距离越长，它损失的能量就越大，光子损失的能量与光线走过的距离成正比。距离地球越远的天体，发出的光在到达地球前损失的能量就越多，因此，地球上观察到的星光的能量就越小。而光子的能量是和频率相对应的，光子的能量越低，其频率就越低。这说明，从远处天体传到地球的星光，其频率会比最初的低。
光的频率不同，在人的眼睛中表现为颜色的不同。可见光中，频率最低的是红光，频率最高的是蓝光、紫光。频率降低，意味着光谱向红光方向移动，因而常被称为光谱的“红移”。相反，频率升高，称为光谱的“蓝移”或“紫移”。
天文观察发现，确实存在越远的星系发出的光，其频率越低的现象。人们把这种现象称为“星光红移”。这说明，我们对太空中传播的光的能量的分析是对的。正是由于星光受到太空中光介子层的作用能量不断衰减，才造成了星光红移。
但是，过去人们一直把星光红移解释成是远处星系的运动造成的。在本文对光谱频移的本质作出新的解释以前，人们一直认为多普勒频移是由光源与接收者的相对运动引起的。因此，人们很自然认为星光红移是由星系相对于地球运动造成的。
实际观察到的星光红移量的大小并不是杂乱无章的，而是和星系与地球的距离成正比。如果星光红移真是由星系离开地球的速度引起的，就意味着，星系越远，它离开我们的速度就越快。这表明，宇宙在膨胀。
既然现在的宇宙在膨胀，反推回去，人们相信过去的宇宙一定比现在的小。继续往前推，想必宇宙当初是一个小点。因此，有人据此提出了宇宙大爆炸理论，认为现在的宇宙正是由当初这个原始小点爆炸而来的。目前，这一理论非常流行，似乎已成为解释宇宙起源的最好理论。
但大爆炸理论真的正确完美吗？笔者心中存有一些疑问。
设想一种普通物质的爆炸，爆炸完后，爆炸物必定呈辐射状向四周飞射。经过一段时间，爆炸物已纷纷远离了爆炸原点。尽管速度快的物质离开原点远些，速度慢的物质离开原点近些，但总的来说，这些物质基本上集中在一球壳形表面附近，球的中间基本是空的，离球心很远的地方也是空的。
从常见的爆炸现象可以推想，如果宇宙确实是爆炸形成的，则宇宙间各种星系、星体应该呈辐射状运动，且有部分空间是空的。可是天文观察表明，辐射运动并不是宇宙天体运动的主要形式。例如，月亮围绕地球转，地球围绕太阳转，整个太阳系围绕银河系转，而整个银河系又围绕总星系转等。由此可见，涡旋运动是目前我们直接观察到的各种宇宙天体的主要运动形式。这种运动形式明显地与大爆炸所形成的辐射状运动不相符。另一方面，各种天体的分布也没有象爆炸产物一样主要聚集在一球形壳体周围。相反，天文观察表明，从宇宙大尺度上讲，各种星系都比较均匀地分布在宇宙空间，既没有发现爆炸过后留下的空荡荡的宇宙“球心”，也没有发现爆炸产物尚未到达的空荡荡的“外围”空间。这也就是说，没有足够的证据表明宇宙空间内的各种星体或星系是按爆炸所形成的分布形式分布在某一球面周围的。这些事实表明，大爆炸理论未必正确，它难于解释现在的宇宙天体的分布形式和运动形式。
不仅如此，还有许多人认为时间、空间也起源于这次大爆炸。这样，问题就更多了。如果时间真的是起源于这次大爆炸，那爆炸之前就没有时间。没有时间，也就没有变化。没有变化，也就意味着宇宙将永远维持它原有的存在状态不变。既然其存在状态不会发生变化，又怎么可能从平静中生出大爆炸呢？
反过来讲，要产生大爆炸，必须有物质聚集和爆炸酝酿的过程。只要这种过程存在，说明时间进程在大爆炸之前就已经存在。既然时间在大爆炸之前就已经存在，又怎么能说时间是随大爆炸一同产生的呢？
时间同大爆炸一同产生的观点难于成立，同样，空间随大爆炸一同产生的观点也难于成立。空间是物质存在的必要条件，没有空间也就没有物质。如果说大爆炸之前没有空间，也就没有物质。既然当初没有物质，那宇宙物质又从何而来？
除此以外，还有许多人认为，目前的空间仍然在随宇宙物质一同膨胀。如果空间真的是和宇宙物质一同膨胀的，我们能够观察到这种膨胀效应吗？显然不能。空间膨胀意味着所有的物体在膨胀、所有的距离在膨胀、所有的尺子在膨胀。既然你在膨胀、我在膨胀、所有的物体都在膨胀，我们周围的一切都在按同一比例膨胀，那我们又如何能够觉察到这种膨胀呢？要观察一种膨胀，必须有一个不变的参考标准。如果说宇宙在膨胀，只能以绝对空间为标准，只能认为空间是预先存在的。这同样说明，空间并不是随宇宙物质一同爆炸产生的。
其实，除了上述疑问外，人们还可以提出更多的问题。宇宙的原初小球是怎样形成的？众多的宇宙物质能被压缩成一点吗？是什么力量使原初小球发生了大爆炸？目前的宇宙会继续膨胀下去吗？大爆炸理论与热力学第二定律矛盾吗？尽管人们心中存有这么多疑问，也有不少人从不同角度对大爆炸理论提出过种种质疑，但还没有一种质疑真正动摇过大爆炸理论。因为从星光红移到宇宙大爆炸理论，逻辑上似乎是无懈可击的。就连爱因斯坦这样伟大的科学家，虽然对大爆炸理论带来的困难有所认识，但仍未对其正确性表示过怀疑。爱因斯坦曾明确说：“这里确实引起了一个不可思议的困难局面。如果将哈勃发现的银河光谱线位移解释成为一种膨胀（从理论的观点看来这是没有多少疑问的），那么，依此推断，此种膨胀‘仅仅’起源于大约十亿年以前；而按照天文物理学，各个个别恒星和恒星系的发展很可能需要长得多的时间。如何克服这种矛盾，仍毫无所知。”
上面说的是，如果以银河光谱线位移来推算宇宙的爆炸时间，得出的结论会出现宇宙年龄比星球年龄还小的矛盾。现在，新的事实又揭露出了新的矛盾。不久前，有报道说哈勃望远镜发现了约260亿光年远的星体。而我们对宇宙年龄的流行看法是100多亿年。这就是说，如果这些星体起源于宇宙大爆炸，即使它们以光速运动，最远也只能运行到100多亿光年远的地方。那为什么260亿光年远的地方还有星体呢？显然这又是一个矛盾。
这些矛盾，是大爆炸理论所固有的，依靠该理论自身永远也无法解决。本章的分析已经表明，星光红移是由光子在宇宙中运动时受光介子的作用能量不断衰减引起的，根本不是由星系运动造成的。既然星光红移并不表明星体在向外膨胀，宇宙大爆炸理论成立的前提和基础就完全丧失了，宇宙大爆炸理论就不再成立。反过来，只要不再坚持宇宙大爆炸的观点，由大爆炸理论带来的各种混乱思想和困难局面就不复存在。
（三）奥勃斯佯谬新解
宇宙是无边无际的，这种宇宙观一直深得人心。但是，有人从这种宇宙观中看出了矛盾。
天文观察表明，所有星系都比较均匀地分布在宇宙空间中。德国天文学家奥勃斯由此推论，如果天空中均匀分布许多发亮的恒星，因宇宙无穷大，则宇宙中必有无数个这样的恒星。当这些恒星发出的光照到地球上时，地球上就可以接收到无限大的光照，天空应该无限地明亮，白天和黑夜应该没有区别。但事实并不是如此，我们不仅能够看到白天，也能够看到黑夜。即使白天，天空的亮度也是有限的。由此可见，推论和事实出现了矛盾。这就是有名的“奥勃斯佯谬”，有时也称为“光度佯谬”。
对这种矛盾，奥勃斯感觉不可理解，为此，他开始寻找推论中出现无穷大光照的原因。后来他意识到，这可能是没有考虑到恒星之间相互遮挡的缘故。但是，当把这一因素考虑在内后作重新计算，结果表明，天空虽不再是无限地明亮，但也应比白天亮得多，大约相当于整个天空中布满太阳以后的明亮程度，黑夜和白天仍然无法区分。这就是说，问题仍然没有得到彻底解决。
后来，又有人找到另外一种原因，他们认为布满在宇宙空间的星际尘埃会把远处过来的光线大部分吸收掉，地球主要受近处恒星（太阳）的光照，因此有白天黑夜之分。但是对星际尘埃的研究表明，宇宙中的尘埃也和恒星一样，具有辐射能力，它们在吸收光的同时，也在向外辐射光。因此，即使考虑宇宙尘埃对光的吸收作用，“奥勃斯佯谬”仍然出现。
问题到底出在哪儿呢？人们一直没有找到满意的答案。直到宇宙大爆炸理论出现之后，才有人意识到可能正是由于远处恒星的高速运动造成光谱红移，使得越远的星体看起来越暗，直至肉眼看不见。此时，近处恒星（太阳）的光照对地球起着主导作用，因此才有黑夜和白天之分。
但是，上面我们已经分析指出，宇宙大爆炸理论是不成立的，那么我们又该如何解释“奥勃斯佯谬”呢？
我们知道，光介子普遍存在于宇宙空间中，尽管非常稀少，但星际之间的距离实在是太遥远了。当光线穿过一层又一层光介子层时，光介子会逐渐“磨损”光子的能量，因此光子的频率会越来越低。远处恒星发出的光经过超长距离内光介子的作用，到达地球时已经“红移”，甚至已经“红移”到肉眼看不到的程度，地球主要只接收来自太阳的可见光。因此，当夜晚来临时，天空就黑了。这就是我们对“奥勃斯佯谬”的解释。
初看起来，这种解释与宇宙尘埃吸收光的说法差不多，实际上两者完全不同。宇宙尘埃是把整个光子吸收掉，然后再辐射光子。但光介子比光子还小得多，它不可能一下“吞进”光子，只能慢慢“磨”去光子的能量，因此光介子不会象宇宙尘埃那样“吐出”（辐射）光子。只要不辐射光子，就不会出现象宇宙尘埃说那样仍无法解释“奥勃斯佯谬”的局面。
（四）引力频移的本质
我们已经知道，光谱频移的本质是光子能量的变化。光子能量发生改变的途径有多种，相应地，光谱频移的途径也有多种。当光源与接收者相对运动时，接收到的光子的能量不同，光的频率会发生变化，这种频移称为“多普勒频移”；当光与宇宙空间中的光介子等物质发生作用时，光子的能量发生变化，光的频率也会变化，这种频移称为“星光红移”。这两种情况前面我们已经讨论过。当光子在引力场中，受引力场的作用，光子的速度会发生变化，相应地，光子的能量发生变化，可以预见，光线的频率也会变化，这种频移称为“引力频移”。
当光线从低处沿引力场反方向向上运动时，引力场的作用使光子的速度逐渐变小，光子的动能变小，总能量变小，对应的光线频率降低。因此，在高处测量从低处来的光子，其频率要比正常的低。或者说，高处的观察者会认为低处的光的频率低。这种由引力造成的“红移”，简称为“引力红移”。
相反，当光线从高处沿引力场的方向向下运动时，引力场的作用使光子的速度逐渐变大，光子的动能变大，总能量变大，对应的光线频率升高。因此，在低处测量从高处来的光子，其频率要比正常的高。或者说，低处的观察者会认为高处的光的频率高。这种现象可称为“引力蓝移”。
由此可见，引力不仅会造成“引力红移”，也会造成“引力蓝移”，这要视光线在引力场中的运动方向而定。当光线从星球表面向外运动时，引力的作用造成光谱红移；当光线从外层空间来到星球表面时，引力的作用造成光谱蓝移。“引力红移”和“引力蓝移”统称为“引力频移”。
第三章我们已经作过计算，地球的引力对光速的影响非常小，自然对光子能量和频率的影响也非常小。因此，在地球上很难观察到引力频移现象。即使太阳，对光的频率的影响也非常弱。但是，宇宙中还存在着许多高质量的天体，这些天体的物质密度非常之高，比如白矮星，每立方厘米的物质可达10吨。它们的引力场要比太阳强得多，产生的引力频移也大得多。如果我们观察这些天体发出的光，应该观察到光线的“引力红移”。
事实上，“引力红移”现象早已为天文观察所证实。这说明，引力频移确实存在。
但相对论是用时空弯曲来解释“引力红移”现象的。广义相对论认为，引力场会造成时空弯曲。引力场越强，时间进程越慢。因此，强引力场区的时钟要比弱引力场区中的时钟走得慢。既然可以把振动着的原子当作钟，那么强引力区的原子振动频率将低于地球上同种原子的振动频率。这也就是相对论解释的“引力红移”。
显然，相对论所说的“引力红移”与我们所说的“引力频移”是有区别的。相对论的“引力红移”是绝对的、静止的观点。它认为光的频率的高低只与光线在引力场中的位置有关，与光线的运动方向无关。强引力场区的光频率一定比弱引力场区的光频率低，引力场区的光频率一定比无引力场区的光频率低。只要有引力场存在，光谱的频率一定比正常的频率低。因此，相对论预言的引力频移只有“引力红移”，没有“引力蓝移”。
而我们预言的“引力频移”不仅有“引力红移”，还有“引力蓝移”，是一种相对的、变化的观点。我们认为，不论是在强引力场区还是在弱引力场区，同种光源产生的光，在光线刚产生的瞬间，它们的频率总是相同的。但是随着光的运动，受引力场的作用，光的速度和能量发生变化，光的频率也相应发生变化。当光从下往上运动时，受引力场的作用，光的速度逐渐变小，频率逐渐变低，此时引力带来的频移效应是“引力红移”。而当光从上往下运动时，受引力场的作用，光的速度逐渐增大，频率逐渐变高，此时引力带来的频移效应是“引力蓝移”。如果光线是从弱引力场区来的，它的频率将比在此引力场区产生的光的频率要高，同时也比强引力场区来的光的频率高。相反，如果光线是从强引力场区来的，它的频率将比在此引力场区产生的光的频率要低，同时也比从弱引力场区来的光的频率低。这说明，在引力场中的同一地点，既有比正常频率高的光，也有比正常频率低的光。
那么是相对论的“引力红移”论正确，还是我们的“引力频移”论正确呢？这需要用实验来检验。据有关书籍介绍，尽管地球引力场产生的引力频移非常小，但采用“穆斯堡尔效应”还是可以测量的。60年代，人们曾用“穆斯堡尔效应”验证了地球的“引力红移”。如果这是真的话，我们相信用新的实验，可以在两种解释之间作出选择。只要测量能证明光线从高处往低处运动时频率增加，从低处往高处运动时频率降低，而且在高处和低处产生的光最初的频率相同，就能证明相对论对引力频移效应的解释是错误的，我们的解释更符合引力频移的本质。

用光子能量变化的观点解释光的频率变化，可将“多普勒频移”、“星光红移”、“引力红移”这些光谱频移现象自然而然地联系在一起，以进一步揭示光谱频移的共同本质。反观现有的理论，“多普勒频移”和“星光红移”被说成是相对运动造成的，而“引力红移”又被说成引力场的作用造成的。同样是光谱频移，理论上却看不出它们之间的丝毫联系，这本身就意味着，现有理论值得进一步反思。

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