火车上光传播问题的解答

“对相对论没有深入探讨过，从“感情”来说，也不愿意“反相”，但觉得这个问题的逻辑还真有点迷糊，故请教如下：“假定火车的速度15万千米每秒，火车在A点从车尾处向车头方向发出一束光，一秒钟之后，这束光到达B点。火车上的观测者认为，这束光行驶了30万千米，当然，这束光的速度是30万千米每秒；地面上的观测者认为，这束光行驶了45万千米，因为这时地面上观测者的表也刚好过了一秒，所以他认为这束光的速度应该是45万千米每秒，而绝不会用这个距离再去除速度然后再得出时间的。所以我认为，光速是否可变与观测者的“表”应该没有什么关系。不变的应该是时间而不是光的速度。” 

上面是某网友提出的征求解答的问题，本文对这问题作如下解答： 关联物体的运动（一物体运动影响另一物体运动）遵循速度叠加与合成法则。在运动的火车窗外向前开枪，子弹的实际速度（叠加速度）等于火车的速度加上子弹原有的速度。若向火车运动的垂直方向开枪，子弹的速度是子弹速度与火车速度的合成速度（勾股定理计算）。 

光的运动与物体的运动没有必然的联系。光的运动不能影响物体的运动，光源的运动也不影响光的运动，就是说，不论光源运动速度多大，光本身的速度仍旧是30万千米/秒。因此，火车上光源发光与火车运动不能套用物体（关联物体间）运动的叠加与合成。火车车尾光源发的光，不受火车运动的影响，二者各走各的。 

问题中车尾在A点处光源发光，1秒时光运动的情况：地面观察者看到光到达距A点30万千米的B点；火车上的观察者看到光超过火车（火车长小于15万千米且光能穿过车头）到达路基上B点。 问题中的光行驶了45万千米并不存在，因为光速与车速不能叠加。若车速达到光速，车外的人看到光速还是30万千米/秒，车内的人看到光源的光发不出去，或者感觉光停止运动了。 

若设车长为了15万千米，车速还是15万千米/秒，光源发光1秒时光端到达车头，车头距发光点A为30万千米（车长15万千米加上火车行驶15万千米），火车内的人倒觉得光速似乎变慢了，好像是15万千米/秒（人在车内不觉得火车以15万千米/的速度运动）。 

路基上一光源向火车运动的方向发光，光速为c，车速为v，光相对火车的速度是w=c-v。光相对静止的光源光速不变，但光相对运动的火车就不能不变了。 这里说明一下，无关联运动的两物体的速度不能叠加与合成但可比较（一般用于同一线路表现两车的相对速度）。如一车的速度是60千米/秒，另一车的速度是80千米/秒，两车同路行驶相互间的相对速度（或比较速度）是20或140千米/秒。光运动与物体运动没有关联，但光的速度与物体的速度可比较，也就有相对速度。 

相对论将光相对静止光源的不变扩大到光相对运动光源的速度也不变，其荒谬显而易见。若火车的车速接近光速C，路基上不动的光源的白光相对火车的速度还是C吗？若光相对运动光源的相对速度还是C，只能说光速与光源的速度发生了叠加。 实际上所谓光速不变是指光在真空中的速度或者说光本身的速度，光束方向不与光源运动方向垂直的情况下，运动光源的光速相对光源变化是肯定的。若一定说光速相对运动光源不变，就要找到别的变化来弥合其中的不足或矛盾，相对论就找出了替罪羊——时间，用时间变化来担保光速相对谁都不变。 

人们对光的认识受“光速相对于光源不变”这种论断所束缚，这个论断不知是谁先提出的，但爱因斯坦肯定这样认识并主张。爱因斯坦否定光速相对光源有变化，解决的办法是时间的相对性和洛仑兹变换。本文不再作评论。 

作者：郭连成2010年12月21日 于哈尔滨