狭义相对论讲义之光速不变

光行差现象中，地球不能带着光与地球一起运动；在迈克尔逊莫雷实验中，地球带着光一起运动，这是相互矛盾的的吗？

在"同时"的相对性中，假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件.车上的观察者认为两个事件是同时的.在他看来这很好解释，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁（图甲）.车下的观察者则不以为然.他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁.在这里不论车上的观察者还是车下的观察者看到的现象都是发生在火车中的事件。如果前后壁是透光的，那么光传播出火车后，在车下的观察者看到的光现象是怎么样？光速是什么？在车上的观察者看到的又是什么样？

双星现象说明，光速与光源的速度无关，光速不会随着光源的运动而改变.迈克尔逊莫雷实验说明，光速符合相对性原理，不能用光速来验证地球的运动。地球的运动对光速没有影响，光速不变。双星现象与迈克尔逊莫雷实验现象都说明光速不变，那么双星现象与迈克尔逊莫雷实验现象的本质是相同的吗？是一类现象吗？

对于光速不变我们可以从两种不同的原理引出，1，根据麦克斯韦方程组推出光速不变，即c^2=1/(εμ)。光波的速度由真空介电常数与磁导率决定；2，根据相对性原理得出的光速不变。当然相对性原理中的光速不变也是根据c^2=1/(εμ)计算的，这里主要是区分一下两者是否相同。

通常麦克斯韦方程组得出的光速不变，指的是光源的运动对光速没有影响，光向各个方向传播的速度依然是C。相对性原理得出的光速不变，指的是光源的运动对光速没有影响，光向各个方向传播的速度依然是C。如果只写到这里，我们或许认为这说的完全就是一回事，理论上我们从麦克斯韦方程组和相对性原理都能得出光速不变，两个不同的原理得出的光速不变都是一回事，那么是如此吗？

不是的。我们可以从实验中得到验证。验证光速的实验有，双星现象，光行差现象，裴索实验，艾里实验，迈克尔逊莫雷实验等。对于双星现象我们说‘光源的运动对光速没有影响，光向各个方向传播的速度依然是C'指的是麦克斯韦方程组得出的光速不变；而迈克尔逊莫雷实验也能得出‘光源的运动对光速没有影响，光向各个方向传播的速度依然是C'，而这里却是说的却是相对性原理得出的光速不变。

双星现象说的是光源运动的时候，光还是在闪光的地点发出的，光源的运动不能带动介质与光源一起运动，光源的运动不能带动光与光源一起运动；迈克尔逊莫雷实验现象说的是地球的运动对光速没有影响，不能用光速实验验证地球是运动的，就像伽利略大船的运动是船上的物体所共有的一样，地球的运动是地球上的物体都共有的，光源是运动的，光传播的介质是运动的，光是运动的。‘光是运动的'不是说光波的传播速度C，而是说，光波是随着介质一起运动的，这个运动，是相对于光上振动变化的电磁场来说的。光波的传播只是变化的电磁场在周围空间产生变化的电磁场，而变化的电磁场并没有传播，空间上任一点‘变化的电磁场'只是在空间原来的地方电磁场强度发生变化，并没有运动。通过迈克尔逊莫雷实验和自然哲学的数学原理的结合，我们知道如果绝对空间不存在，绝对静止不动的空间不存在（假设），那么相对空间就可能是运动的。坐标系是运动的，而坐标系描述的方式却不变（量的描述），那么相对运动的坐标系描述的空间就是相对运动的。相对性原理中的光速不变就是不同的参考系，在自己相对的空间中描述的光速不变，光在自己相对的空间中的传播速度都是一样的，都是C .

通过以上的分析我们知道，麦克斯韦方程组得出的光速不变，指的是光源的运动对光速没有影响，光向各个方向传播的速度依然是C。这里光源的运动对光速没有影响指的是，光源的运动不能带动光与光源一起运动。光是从闪光的地点发出的，向各个方向的速度是C。相对性原理得出的光速不变，指的是光源的运动对光速没有影响，光向各个方向传播的速度依然是C。这里光源的运动对光速没有影响指的是，惯性系的运动是惯性系中所有物体所共有的，光源与惯性系一起运动，光与惯性系一起运动，或许可以这样说，光源的运动能够带动光与光源一起运动。光是从光源发出的，向各个方向的速度是C.相对运动的参考系描述的相对空间是相对运动的。

光是一种波，光速是波的速度，是在介质中的传播速度。我们把光波在介质中的传播速度叫做光波自身的速度。而光与观察者或者光源的速度是光波自身的速度与观察者或者光源的速度的比较，是光波自身的速度与其他物体的相对速度。与此同时还有光波自身的频率和相对频率。就像力是物体自身的运动的运动状态发生改变的原因，力与惯性力是物体相对运动的运动状态发生改变的原因一样，光波自身的速度由光自身的性质磁导率与介电常数决定，而光波自身的速度与其他物体的相对速度由光波自身的速度与其他物体的自身速度共同决定。

就是说光的相对运动是变化的。

光波具有波速，波速说的是变化的电磁场在周围空间产生变化的电磁场，这种在周围空间产生变化的电磁场传播的速度，不是说变化的电磁场是运动的。一般，变化的电磁场是不动的，即光上变化的电磁场与观察者是相对静止的。而光向着观察者或者远离观察者的传播速度是C。一般情况下，光上变化的电磁场与观察者是相互静止的，例如双星现象中，虽然光源是运动，但光源不能带动光一起运动，光上变化的电磁场与观察者还相互静止的，光速不变是相对于观察者说的。而不是相对于光源说的。光源已经离开原来闪光的地点，即变化的电磁场的地点，光与变化的电磁场的空间间隔是变化的，变化的电磁场可以选光上的任一点。光源与变化的电磁场的相对空间发生变化，相对速度发生变化。光与光源的相对速度中，光源的运动不是改变光传播的介质的磁导率与介电常数，不是改变根据麦克斯韦方程得出的光速，而是改变光源与变化的电磁场的相对空间，从而改变这个不变的波速与光源的相对速度。我们说光源与光的相对速度也是这个意思，不是光源改变光波的速度，而是改变光源与变化的电磁场的速度。光上变化的电磁场与观察者也可以是相互运动的，这个分为两类，一类是观察者的运动造成的，一类是变化的电磁场的运动造成的。观察者的运动造成的，例如光行差现象，就是观察者的运动造成的，从而该变观察者与变化的电磁场的相对空间间隔。变化的电磁场的运动造成的，例如同时的相对性中所举的火车的例子，运动的火车符合相对性原理，变化的电磁场与车上的观察者与介质是相对不动的，光在车上的观察者看来各个方向都是C.变化的电磁场与车下的观察者是相对运动的，在车下的观察者看来，介质与变化的电磁场是相对不动的，介质与变化的电磁场同时相对于车下观察者来说是运动的，不论哪个方向传播的光，光上的电磁场都是远离观察者的。虽然光相对于介质的速度不变，但由于光上的电磁场都是远离观察者的是相对运动，那么波速与观察者的相对速度就是由波速与光上的电磁场与观察者的相对速度共同决定，从而与速度C不同。就是说相对运动中，两个物体的相对速度是由两者的速度共同决定的，包括光与其他物体的相对速度。

那么我们回答一下开头的问题，光传播出火车后，在车下的观察者看到的光现象是怎么样？光速是什么？在车上的观察者看到的又是什么样？光传播出火车后，光是在与车下的观察者相互静止的介质中传播，在车下的观察者看来，光向各个方向传播的速度都是C; 在车上的观察者看来，光在车外的介质中各个方向传播的速度也都是C。不过由于火车是运动的，那么就会造成火车上的观察者与光上电磁场的相对运动，从而向前边与后边传播的光与观察者的相对速度是不同的。这里火车是向前运动的，所以这个时候是向前传播的光相对与车上的观察者的速度变小，而另一方向的光速变大。对于没有传播出火车的光，在火车上与车下的观察者看来都是光在介质中传播的速度不变，而在车下的观察者看来火车向前运动，介质与火车一起运动，光上的电磁场与介质一起运动，即相对性原理，光在介质中的传播与介质的运动无关。那么光与车下的观察者的相对速度机会发生变化，向前传播的光变大，向后传播的光相对速度变小。

光在火车上传播的时候，如果把火车看成是真空的，，那么光在火车上的真空传播的速度就是C,光射出前后壁在火车外的真空传播的时候，那么光速相对于火车外的真空也是C。就是说如果光速在真空中符合相对性原理，那么在火车内的真空传播是C，在火车外的真空也是C，这与观察者的位置无关，与火车上的观察者无关，与车下的观察者无关。例如在火车上的真空传播的速度是C,在哪个观察者看来，光在火车上的真空传播的速度都是C。光在火车外的真空传播的速度就是C,在哪个观察者看来，光在火车外的真空传播的速度都是C。

光在在火车上的真空传播的速度都是C，通过前后壁到达火车外面的真空的时候，在火车外的真空传播的速度也是C，好像速度没有变，但给人的感觉就是有问题，问题出在哪里呢？

1是好像火车上的真空与火车外的真空好像不一样，两者是相互运动的。真空预制块或者说部分真空能够相互运动吗？就是说相对空间与空间可以相互运动？2，虽然光在火车上的真空传播速度是C,在火车外真空传播的速度也是C,但是光的速度变没有变？光在介质例如空气中的传播符合相对性原理，那么把火车上的真空换成空气应该得出相同的结论，即光在火车上的空气中的传播速度是V，那么在火车外的空气中的传播速度是V。虽然光在火车上与火车外的空气中的传播速度是V，但火车上的空气是与火车一起运动的，火车的运动是火车上的物体所共有的，火车上的空气与火车外的空气是相互运动的，当光从‘火车上的空气'传出，进入‘火车外的空气'的时候，光速变成相对于火车外的空气的速度V，就是说光在火车外的空气的速度V不再是相对与‘火车上的空气'说的，相对与‘火车上的空气'来说，光速不再是V.这样的话，如果光在真空的速度符合相对性原理，那么当光从‘火车上的真空'传播到‘火车外的真空'的时候，光速不在保持与火车上的真空' 保持C不变，而是变为与相对于火车外的真空保持速度C。

通过以上我们得出这样的结论：光在同一种相互运动的介质（例如火车上的空气与火车外的空气）传播的时候，光在介质中的速度保持不变，与介质的运动无关。这种‘光在介质中的速度保持不变'不是光相对与原来的介质不变，而是相对与光在现在这个介质中速度不变。就是说光不再保持光在原来介质中的速度。

如果不好理解，大家可以借鉴与光在不同介质中的传播。光在一种介质传播到另一种介质的时候（例如光从空气进入玻璃），光会保持光所在的介质中的光速不变，而不是保持原来介质中的光速不变。换句话说就是光在不同的介质中光速会发生改变，光在不同的介质中光速不同。同一种介质，如果分为相互运动的两部分，那么这两部分同一介质相当与两种不同的介质。

如果以上结论正确，那么光在相互运动的一种介质中传播，光线会发生折射现象。例如两部分水是相互运动的，那么光从一部分静茹另一部分的时候光线发生弯曲。就是说介质相对于参考系的运动，在参考系看来就相对于介质的磁导率与介电常数发生变化，而与介质一起运动的参考系则认为介质的磁导率与介电常数不变。就是说磁导率与介电常数具有相对性。

光行差现象中，地球不能带着光与地球一起运动；在迈克尔逊莫雷实验中，地球带着光一起运动，看着是矛盾的，其实不矛盾，这是两种不同的现象。光能不能带动与光传播的介质是否运动有关，当介质与参考系一起运动的时候，光与参考系一起运动，例如同时相对性中火车的运动，属于相对性原理的光速不变；当介质不与参考系一起运动的时候，这个参考系可以是观察者，是光源，此时，参考系不带动光一起运动，光不与参考系一起运动。例如，双星现象，光源作为参考系的时候，光源不带动光一起运动；光行差现象，观察者作为参考系的时候，观察者的运动不带动光一起运动。在迈克尔逊莫雷实验中，地球或者说观察者作为参考系的时候，观察者与介质是一起运动，观察者的运动与光一起运动，可以说成观察者的运动带动光一起运动。

参考文献：【1】《狭义相对论讲义之同时的相对性》【2】《狭义相对论讲义之时间的相对性》【3】《物理学中量的计算与相对论的关系》吴兴广【4】《《相对运动使用的是牛顿运动定律的类似定律>》【5】《相对运动中力与参考系的关系>》【6】《迈克尔逊莫雷实验和《自然科学的哲学原理》的结合 》【7】《惯性系与非惯性系的对应关系式>》【8】《同时的相对性》宝坻教研网【9《关于《广义相对性原理独特视角》的公告>》【10】《力与惯性力是物体相对运动的运动状态发生改变的原因 》

2013年11月21日19:48:19吴兴广