光速的不变与变

 光速不变之说基本上已成定论，但此问题还不是简单明了，因为有不同版本的光速不变原理。说光速可变，不是说真空中的光速忽而快忽而慢地变化，而是指光相对不同参考系的相对速度。光速不变是光的绝对速度，光速变是光的相对速度。

研究光速必然以物体速度作参照。然而，物体的运动及速度在理论还有需要研究的问题，用来类比解决光速问题似乎还差强人意。本文从研究物体的速度问题着手，提出实速度、虚速度的概念，并与原有运动理论中的绝对速度、相对速度概念契合，目的是既解决物体运动存在的问题，又有助于说明光速的不变和变。 

一、实速度和虚速度 众所周知，运动是绝对的，静止是相对的。这是从全体或全局处着眼而言的。以不同参考系判断一物体的运动状态，静止是相对的，因为物体对这个参考系是静止的，对那个参考系又是运动的。就某一特定的参考系内的物体而言，相对于参考系不动的物体的静止是绝对的，若有时动有时不动，则物体的静止是相对的。物体在一个参考系内与其一道运动但相对参考系有位置变化，则参考系可看做静止，说物体在运动，不可反过来说物体是静止的，参考系是运动的。这种关系就像父子关系一样，不可颠倒。 

物体相对静参考系的速度是物体的实际速度，简称实速度。如运动员相对运动场跑道的起跑线，行驶的汽车相对公路旁的某一标志物。运动物体以另一个运动物体为参照比较的速度是物体的非实际速度，可叫虚速度。如公路上两同向行驶的汽车，甲车的速度为60千米/时，乙车的速度是80千米/时，乙车相对甲车的速度是20千米/秒。例子中的60千米/时和80千米/时即实速度，20千米/时即虚速度。 

运动员百米练跑，若两运动员的速度均为10米/秒，且从两个端点相向起跑，二人的相对速度显而易见是20米/秒。这个20米/秒即虚速度，不是二人的实速度。二人的实速度并没有变化，还是10米/秒。若多人赛跑，每人的速度不同，每个人相对他人即有多个不同的相对速度。说某物体的速度大小即指实速度。虚速度可用来比较两物体实际速度谁比谁快（或慢）多少，可用来计算两运动物体的距离。 

上面甲车的速度是60千米/时，是以地面为参考系；若以太阳为参考系，甲车环绕太阳的最大速度将是108060千米/时（地球绕太阳圆周速度约30千米/秒）。这种同物体的不同速度是速度的相对性，但实际应用上说汽车的速度或指相对地面或指相对太阳，不能既指地面又指太阳。如此说来，物体的速度在一定的参考系内是绝对的，在不同的参考系中是相对的。 说甲车60千米/时的速度是绝对速度，是忽略了时间或具体运动过程，表示这个速度是准确、一定的意思，不是说甲车始终保持这个速度不变。甲车相对地面与相对太阳的不同速度是速度的相对性，不可叫相对速度。相对速度是一个完整的概念，与“A相对B的速度”涵义不同（A相对的B，既可能是静止的B，也可能是运动的B）。 

若物体的速度是恒定的，则物体有真正的绝对速度，但实际上并不存在。人们通常说的速度指物体运动的实速度，并不需要用绝对速度概念来表述，是因为物体的运动速度大多指人造交通工具的速度，是变化的。相对与绝对是相互依存的一对哲学范畴，没有绝对便无所谓相对。绝对速度是与相对速度对应的概念，只有用到光速上才是合适的，本节所谓的绝对速度是为光速不变的绝对性作铺垫的。 

二、光速的绝对和相对 

与物体的运动速度类似，光速也既是绝对的，又是相对的。说光速绝对的，是指光速与光源是否运动无关，即光源的速度不能影响光的速度。说光速是相对的，是说光在不同介质中传播的速度不同，例如：光在玻璃中与冰及其他透明物体中有不同的速度。上面说的光速绝对和相对均指光本身的速度，不是光相对运动物体的相对速度。 

一般说来，说光速不变或说光速是绝对的均指光在真空中的速度，而光在不同透明介质中的速度另当别论。光速不变是光的实速度不变，或者说光本身的速度是不变的，这种绝对速度当然指真空中或同一介质中的速度。而光速的变化还是指光相对某运动物体的虚速度，即光的相对速度。 

例1：设非常长的平直公路上A点处有一光源，距A点极远处B点有一观察者。A点地上光源向B点发一束光，B点观察者看到的光以30万千米/秒的速度从他身边通过。A点后方一辆汽车高速驶来，到达A点时车灯打开，B点的观察者看到的光还是30万千米/秒射来，不因汽车的运动而改变，这就是通常说的光速不变。 

然而，汽车上的人看到的光速却不是这样，即光速因汽车的运动而有了变化，不是30万千米/秒了。这是光相对运动光源的相对速度。对于这个虚速度，汽车内的人只能说这是光相对汽车的速度，不能说光的速度变了。 

若汽车的运动速度达到光速（物体的实际运动速度是远不能达到光速的），地面观察者将看到汽车与光同时到达，而汽车内人会看到汽车没有光射出。再假设汽车速度超过光速，地面观察者会看到汽车先于光到达。 

有人说：“当你以10万千米/秒的速率追逐光运动，你发现光速不是20万千米/秒，而仍然是30万公里/秒。”没错，光速还是30万千米/秒，光速不会因人追逐的速度而变化，就像匀速行驶的货车速度不因别汽车超车而变化一样。那人说“光速不是20万公里/秒，而仍然是30万公里/秒”，是说光本身的速度不是光对观察者的相对速度，若说光对观察者的相对速度仍是30万千米/秒无疑是错误的。 

假设距地面8万千米有一飞船，飞船在某时刻以15万千米/秒的速度飞向月球并同时发一束光，1秒时光到达月球，2秒时飞船到达月球。若光相对飞船的速度始终是30万千米/秒，飞船飞行1秒时，光不止刚到达月球，而要超过15万千米。这就是说只有光速为45万千米/秒才经能保证光相对飞船的相对速度30万千米/秒，可能吗？ 

光速的绝对和相对是相辅相成的，只有光对不同参考系呈现一定规律的不同相对速度，才能体现光速的不变。光的运动是恒速，不同动参考系有量值不同的各自速度，若一束光对不同速度运动的参考系都能保持不变的相对速度，不能不说光速随参考系速度的不同而变化了。 

三、相对论的光速不变原理 

1865年，英国物理学家麦克斯韦根据他总结的方程组预言了电磁波的存在，并计算了电磁波的传播速度等于光速。1888年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。这就是说，光速不变的论断先是理论上联立求解麦克斯韦方程组所得到，后来为迈克尔逊—莫雷实验所证实。 

光速不变原理是爱因斯坦创立狭义相对论的理论根据之一。相对论理论中，光速不变原理是：“无论在何种惯性系（惯性参照系）中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数（299,792,458 米/秒），不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。”这种说法晦涩费解，需仔细研究解读。不同惯性系中观察，“光在真空中的传播速度是一个常数”，无疑是指光本身的速度或绝对光速。但“无论在何种惯性系中观察”，光速“不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变”，又似说光相对任何速度的动惯性系的速度都不变。事实上这正是相对论所主张的而人们也是这样理解的，即光相对地面静止物体的速度是C，相对于光束同向高速运动物体还是C。 

相对论的光速不变原理对上节例1要这样解释：地面上人看到的光速与汽车内人看到的光速相同，都是30万千米/秒。相对论认为无论物体如何运动，光对物体的相对速度都是不变的或者说光对同向运动物体没有相对速度。这种论断在相对论创立之初并没有进行充分论证，后来也没有经过实验的检验。

 例2：极长的平直公路A点处光源发光时，非常远的B点处有两辆正在运动的汽车，甲车向着光源行驶，乙车背离光源行驶。[例2模型是本文设计，与相对论同时的相对性火车双塔模型等效] 常识告诉人们，甲车上人会先看到光，乙车上人要后看到光，原因就是光速不变距离不同而需要的时间不同。

 相对论使用惯性系研究抛弃了距离（似乎同惯性系的物理规律相同不需要距离了），既保留光的绝对速度不变，又要光对两车的相对速度不变。由于不计距离的大小，两车应该同时看到光，或许受先验的影响，又承认两车不能同时看到光。这种既同时又不同时的矛盾，相对论用同时的相对性予以解决。结论是光相对两车的速度不变，两车应该同时看到光；但两车所用的时间变了，甲车用的时间变短了，乙车用的时间变长了，所以又不能同时见到光。 

当代物理学上的光速不变原理，是说“在所有惯性系中，自由空间（真空）中的光速具有相同的量值C”。这个定义没有包含光速相对于运动物体的相对速度。相对论认定的光速不变，是爱因斯坦将自己创立的相对性原理（物理规律在任何惯性系中均不变）结合光速不变原理，得出的光速本身不变又相对任何惯性系都不变。这种光速不变原理，否定了光的相对速度，将光速的相对变化与绝对速度合为一体，以不变应万变。这种似是而非的光速不变理论，是相对论将有重大缺陷的参考系理论不作分析地全盘应用而导致的结果。 

现在的物理学已成为玄学，如尺缩钟慢、时间的产生和停止，时光倒流、N维空间、宇宙大爆炸等谬论不胜枚举，其始作俑者就是相对论理论。现在还不断涌现什么什么实验证据证实了相对论（其实大多是炒作），都没有得到大量重复实验所证实，甚至证据的提出者并没做过实验，其再传播更是以讹传讹。 

结束语 

关于物体的运动，还有一些令人莫明其妙的问题：如将两运动的物体的相对速度当作实际速度对待；如将相对静参照物运动的物体，说成以物体看来，静参照物在运动，其实所谓静参照物运动的速度连虚速度都谈不到。把物体的运动速度，根据相对静止或运动的不同参考系区分为实速度和虚速度，可简单明确地解决上述问题。 

相对论的光速不变原理是矛盾的，也是荒谬的。也许正是这种矛盾和荒谬，使相对论高深莫测，令人望而生畏。结果是许多人崇拜宣扬相对论，并没有研读学习相对论，只是记住了相对论的某些结论。其实，任何人不抱成见、独立思考地研究相对论，都能发现其中的破绽和矛盾。有意探讨相对论问题者，请看爱因斯坦写的《狭义与广义相对论浅说》一书，网上可上西陆网挑战相对论论坛。

 参考文献： 

1、爱因斯坦 著 《狭义与广义相对论浅说》上海科学技术出版社

2、程守洙、江之永 主编 《普通物理学》 高等教育出版社 

作者： 郭连成

2010年12月30日 于哈尔滨