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也说光速常数：（一）澄清狭义相对论的相关表述 作者说明：无忧仙人相信，关于狭义相对论的不少事实其实已经清楚，所以在这个系列贴子中他将与大家一起分享他自己以及他所了解的国外学者的研究成果，这样做的目的是希望大家能够尽快走出对基础理论问题的探讨，并转向更加高级、精巧、实用的理论与应用项目的研究，从而为振兴中国的科技事业做出更大、更快的贡献。作者相信，只要大家同心同力，二十一世纪一定是中华民族实现真正科技与文化复兴的世纪，一定是中华民族傲立于世界民族之林的世纪！
爱因斯坦（Albert Einstein）在发表于1905年的有关狭义相对论的经典文章《论运动物体的电动力学》是这样刻划光速常数的（见该文第2节）： （光速常数原理）任何一束光线在‘静止的'坐标系中都以确定的常数速度c传播，而不管这光线是由静止的还是运动的光源发出。 这个原理的意思应该很清楚，那就是观察者所测得的光速不会受到光源运动状态的影响；而在发表于1920年的《相对论：狭义与广义理论》（以下简称《相对论》）一书中爱因斯坦又对这个意思做了重述（见该书第7章"光的传播规律与相对性原理的表面矛盾"），而且他特别提及，对来自双子星光线的观察与研究，即是以上光速常数原理的实验证据。 值得注意的是，爱因斯坦的光速常数原理没有提及观察者及其运动状态，那么是不是这个因素不重要呢？当然不是，这是因为，首先，任何对光速的测量都离不开观察者（此处‘观察者'为广义，即包括仪器探测），其次，我们知道，在《相对论》一书中爱因斯坦还试图进一步证明光速在任何惯性参照系中的速度都是同一个常数（见该书第11章"洛伦兹变换"），而这一结果的直接推论便是，光的速度不仅不依赖于光源而且不依赖于观察者。所以，尽管爱因斯坦在光速常数原理的原始表述中没有提及观察者，但是狭义相对论对洛伦兹变换的使用决定了它的光速常数一定是既独立于光源运动又独立于观察者运动的，而我们知道这一结果已经作为基本假设在现行的教科书中被普遍采用（比如，读者可参见J. D. Wilson等编著的《大学物理》，第822页）。 所以，以下我们的研究所针对的是既独立于光源运动又独立于观察者运动的光速常数。 另外，爱因斯坦的光速常数原理表面上没有要求所涉及的参照系一定为惯性系（即做匀速运动的参照系），但是由于他的相对性原理有此要求，也由于大家一般认定狭义相对论所针对的是匀速运动，所以我们事先做此约定：以下讨论所涉及的参照系一律为惯性参照系。但是又有一个问题，那就是：有没有理想的惯性系？我们知道物理模型或概念都是现实世界的近似，即不存在完全理想化的物理状态，所以，接下来就有一个什么样运动状态的参照系可以近似为惯性系的问题。事实证明，该问题的答案取决于所研究问题的性质与背景；就地球上的光源与观察者之间的光速测量来说，设想中的只公转不自转的地球即可近似为惯性参照系，所以通常称它为拟惯性系，或者简单称为地球惯性系（Earth centered inertial或者说ECI）。但是另一方面，我们知道地球在做公转运动的同时还一直在做自转运动，所以ECI在很多情况下不是一个很现实的惯性参照系，那么如何消除自转这个不利因素呢？事实上，实验证据表明，就光速测量来说，如果地球上的观察者与光源同处一条经线并且所做的是南北方向的运动（此处‘运动'为广义，即包括静止状态），那么来自地球自转的干扰即可基本消除。 于是，就地球上的光速测量目的来说，其上任何物体的运动状态的匀速与否要么以ECI为参照标准，要么我们简单要求所有的匀速运动是南北向的；我们随后将证明，同样的条件也足以确保有关相对性原理研究的有效进行。 最后，交代一下狭义相对论的光速常数原理中的‘静止的'一词是何含义。据信，此处‘静止'一词最初是与假想中的光媒介以太相关联的，但是随着迈克尔森-莫雷实验对绝对静止的以太的否定（注：我们随后将解释，该实验并没有否定其他意义下的以太存在的可能性或者以太作为研究光速问题的一个视角的潜在意义），‘静止'自然不具有绝对的意义。事实上，正如爱因斯坦在《相对论》一书中所指出的那样，探讨光的传播规律应该以一个具体的刚体（rigid body）参照系为参照标准（见该书第7章）；作为证据，读者可参见《论运动物体的电动力学》一文的第3节与《相对论》一书的第7章中的例子。这样，因为没有绝对的静止，所以‘静止'一词总是相对于一个具体的刚体参照系比如地球惯性系而言的。
以上即是我们即将进行的讨论的一个简单背景。
下一个贴子：也说光速常数：（二）从光速的媒介特性说开去。
~无忧仙人 |