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(((文中图表帖不出,望谅解!)))
一、探索光速的活动 经典力学是建立在绝对时空观的基础上的，那些相对于绝对空间作匀速直线运动的参考系被称为惯性系。牛顿认为，一切力学规律在任何惯性系中都是相同的，这称为力学的相对性原理。 这个原理意味着不可能通过任何力学实验来确定惯性系相对于绝对空间的“绝对速度”。通过力学实验只能判断某个参考系是否可以看作是惯性系，但不可能由此找到绝对空间，即不可能找到绝对静止的惯性系在哪里。至此，人们自然会考虑，能否用力学以外的方法来找到绝对空间呢？ 此后，电磁学的发展预言了电磁波的存在，并且指出光的本质是电磁波。当时人们的设想是：光或电磁波是在被称为“以太”的媒质中发生的振动传播，如同声波是在空气等媒质中振动的传播一样。与此同时，人们认为光速应该是对“以太”参考系而言的，如同空气中的声速是相对于空气参考系而言的一样。这样，当观测者相对于“以太”以速度 要是这种认识正确，人们会很自然地想象“以太”参考系就是和 “绝对空间”相联系的“绝对静止”的参考系。观察者只要测定出在各个不同方向上的光速，并与光速 （一）迈克尔逊-莫雷实验 1881年，迈克尔逊设计了一套精密的实验来测定光在不同方向上传播时是否有不同的速度，即探测地球是否有相对于“以太”参考系的绝对速度。后来，迈克尔逊又和莫雷一起改进了实验，达到了更高的精度。图1.1为迈克尔逊-莫雷实验原理图。
光源S发出的一束光由半透明镜分成两束。水平一束由A向C传播，经C点的平面镜反射回到A；垂直一束由A射向B，经B点反射后也回到A。这样，水平一束和垂直一束重新在A点会合。如果两束光在这个过程中传播的时间不同，有时间差，由干涉原理知道，它们会在干涉仪上形成干涉条纹。设两臂长分别为 Δt＝ 然后使整个装置在水平面内转动90°，转动前后时间差的改变为上式的两倍。 对应的干涉条纹的移动量为： Δ≈ 式中，λ是光波的波长。 上式表明，按照“以太”理论，当把干涉仪转动90°时，应当观察到干涉条纹的移动，移动量Δ与 1887年，迈克尔逊-莫雷所做的实验，其中的臂长 以后，人们又在各种不同的条件下重复了这个实验，而且精度越来越高，甚至还考虑了地球自转以及地球公转在不同轨道位置可能造成的影响等等，但得到的都是“零结果”。这种结果似乎表明地球相对于“以太”参考系（绝对空间）始终是静止的，但这一点是自哥白尼以来人们最不愿意接受的。 迈克尔逊-莫雷实验的结果大大地出乎人们的意料。为了解释这一实验结果，人们提出了各种各样的假设，主要包括如下几种：一种是“发射假说”，有时也称为“微粒假说”；另一种是“以太拖曳假说”；还有一种是“斐兹杰惹-洛伦兹收缩假说”。 发射假说认为光速与光源的运动速度有关。具体到迈克尔逊-莫雷实验，如果认为光速与反射镜的运动速度完全相关（即水平方向光速为 对发射假说，人们不能不认真对待。因为如果光速确实与光源的运动速度有关，那么即使从某一参考系观测到的光速不等于 （二）双星观测 双星是指两个成对的、质量相差不大的恒星，它们各自绕着它们的公共质心转动。设这两颗恒星分别为A和B，如图1.2所示。 A星在a点时，速度 出现下述情况：即A星在b点发出的光和A星经过一段时间（比如半个周期）运动到a点发出的光同时到达地球，因为前者的速度低、后者的速度高，后者有可能赶上前者同时到达地球，这样我们将在a、b两个位置同时观察到A星，这种现象称为“魅星”。但事实上，一切天文观测都未发现过双星系统中的“魅星”。这说明A星在a 、b两点发出的光对地球来说具有同样大小的速度，也就是说，双星发出的光其速度与星体的运动无关，发射假说不能成立。
这是比较通行的看法，但也有人持不同意见，尤其当消光定理出现以后。消光定理意味着：当运动光源发出的光进入另一种媒质时，就会被该媒质逐步吸收掉，并被媒质重新辐射的光（次级辐射）所代替。这样，新出来的光将丧失掉与光源运动速度有关的一切可能的效应。按照消光定理，不同的媒质，光在其中的消光长度不同，例如可见光在空气中的消光长度约为10-2厘米，而在星际介质中则接近2光年。当光的传播距离远大于消光长度时，与原来光源运动速度有关的速度特征会消失。我们知道双星到达地球的距离至少有几十光年，远大于消光长度，故我们在地球上观察到的星光可能是星际介质的次级辐射。这样，消光定理使得天文学证据变得模糊不清。 但除双星观测以外，天文学证据还有光行差现象。 （三）光行差现象 1.什么是光行差现象 光行差现象最早是由布拉特莱于1727年到1728年间发现的。所谓的光行差现象是指在地球上观察恒星时，任一恒星的视位置在一年内有周期性的变化，或者说观测用的望远镜的镜筒指向要作出周期性的、近似于圆的椭圆运动。 在图1.3中，角α是光行差角，它是光线方向AB与AO之间的夹角，方向AB与AO分别是观察者B和观察者O所看到的光线方向。观察者B相对于恒星A静止，O相对于B以速度V运动。那么AB方向就是恒星的真实方向，AO方向是恒星的视方向，其间的夹角称为光行差角。由于地球绕太阳的公转运动，地球上的观察者看到的天体方向并不是它的真实方向，而是地球速度与光速的合成方向，即天体的视方向。如图1.4所示。
当地球在轨道a位置，即当地球迎着星光前进时，望远镜镜筒的指向必须比星光方向下偏一个角度；当地球运行一定时间到达b位置时，望远镜镜筒的指向必须上偏一个角度。这种现象与在雨天步行的人打伞的角度随步行方向的变化而改变有些相似。光行差角的大小由下式确定： tanα＝V/c 当v《c时，α≈V/c （１－３） 地球的公转速度约为29.75公里/秒，理论预计的光行差角是20//.47。 由于我们所处的地球始终在运动，恒星的真实方向我们无法直接测量。但地球是围绕太阳公转的，其速度方向在不断变化，对应的光行差角的方位也在不断变化。实际测定光行差角，测量的是地球处于公转轨道两相对位置(如图1.4所示a点和b点)时的光行差角的差，这个角是光行差角的两倍，它的一半就是正常的光行差角。 对各种恒星观测，所得到的光行差角都与20//.47相符，因此，这个数值也叫光行差常数。 有不少书籍介绍，光行差现象既否定了发射假说，也在一定程度上否定了“以太”拖曳假说。 2.光行差现象与发射假说 如果光速与光源的运动速度有关，可以设想，当天体以很大的速度运动时，那么光行差角α≈V/c 中的光速c也应与光源速度有关，这样，我们从地球上观察到的该星的光行差角就不再等于20//.47。 远方星系可能具有非常大的退行速度，由星系红移确定的退行速度达到3×104公里/秒。如果光速是 不过，如果前面提到的消光理论成立的话，人们仍然可以用它来对这种结论提出质疑。除此以外，远方星系是否真的有巨大的退行速度，也是值得怀疑的。在第六章我们讨论光谱红移的本质时将说明这一点。其实，天文学证据具有许多不确定、不明朗的因素，其可信度比地面上的实验低得多。为了验证光速是否与光源的速度有关，人们也做了大量的地面实验。 3.光行差现象与“以太”拖曳假说 在探索“以太”时，除了要弄清光速与光源运动之间的关系之外，还必须回答这样一个问题：当一个物体在空间运动时，会不会带动周围的“以太”一起运动呢？如果真的能够带动，任何参考系或参考物体对“以太”就不会有相对运动，因此，在任何参考系的任何方向测得的光速都应该是c，这也就意味着不可能通过测量光速在各个方向中的不同而找到“以太”参考系。
由于在地球上观察到的光行差角正好与地球绕太阳的公转速度所对应的光行差角大小相等，于是有些物理学家分析认为可以从中得出结论：太阳和“以太”是相对静止的，而地球相对于“以太”在运动。这就意味着，太阳的运动能够完全带动“以太”，而地球运动时丝毫不能带动“以太”。他们认为这种情况是相互矛盾的，人们很难理解为什么一个普通的恒星——太阳恰好在“以太”中静止，而地球相对于“以太”却有运动，或者说人们很难理解为什么太阳能够完全带动“以太”，而地球却完全不能带动“以太”。但笔者认为，这种分析有误。从地球上的光行差现象中，根本得不出太阳和“以太”相对静止而地球完全不能带动“以太”的结论。事实上，太阳也在运动，从太阳上观察来自其它恒星的光也会有光行差现象。地球围绕太阳运动时，地面上的光行差角叠加在太阳上的光行差角上，地球上观察到的光行差方向划过的圆锥面的中心轴线并不是恒星的真实方向，而是太阳上的光行差方向，如图1.5所示。从太阳上观察到的星光方向也并不是星光的真实方向，因此，不能得出结论说太阳相对于“以太”是静止的。 还有一种观点认为，假设地球拖着“以太”运动，“以太”对星光的作用，就会象风对下落的雨的作用一样，其效果将会补偿地球的运动并消除光行差的效应。既然从地球上观察到了光行差现象，人们必须下结论说：地球并不是在拖着“以太”运动。但这种分析是否正确也值得推敲。因为光行差问题未必完全可以用下雨的例子来类比。雨点的速度主要由地球的重力引起，不管其初始方向如何（即原先是否倾斜），只要无风，雨点最终的速度必然是垂直向下的。而重力对光速的影响甚弱，即使没有“以太风”，斜着过来的光线也决不会因为引力的作用变成垂直。事实上，第四章我们还要进一步分析、解释光行差现象，后面的分析将告诉人们不管地球能不能拖动周围的“以太”，都不会影响到光行差现象的观察。 总之，光行差现象不足于否定“以太”拖曳假说，对于运动物体是否能够带动“以太”的问题，还有待进一步研究。 （四）运动光源、运动反射镜及运动的透明介质实验 有人曾用运动光源做了迈克尔逊－莫雷实验，以便检验光源的运动可能对光速产生的影响。这类实验所用的光源有天体光源和实验室宏观光源，干涉仪装置有迈克尔逊干涉仪和洛埃干涉仪。这些实验也都没有观察到（相对于静光源情况下的）干涉条纹移动。例如：1919年Majorana用迈克尔逊干涉仪研究了运动水银灯发射的光线，水银灯绕固定点迅速转动，其线速度达100米/秒；1924年，Tomaschek用迈克尔逊干涉仪研究过来自恒星、太阳、月亮、木星、大角星和织女星的光线；1910年Tolman用洛埃干涉仪研究了来自太阳两个不同边缘（由于太阳自转，其边缘相对于地球是运动的）来的光线。所有这些结果都是否定的，即光源运动速度不影响光速。 人们也曾研究过光线在运动镜面上反射后以及通过透明介质后光速是否发生变化的问题，以便检验这些物质是否会作为次光源对光速产生影响，但都没有观察到光源运动（运动的镜面及运动的透明镜）带来的光速效应。 1913年迈克尔逊做了运动反射镜实验，其实验装置如图1.6所示。
两个平面镜C和D被安装在一个转子的直径两端，转子带动这两面镜子运动。当转子转到如图1.6所示的位置时，从半透明镜A分离出的两束光，有一束沿ABCEDA传播，另一束沿ADECBA传播，它们在重新会合后形成干涉条纹。当转子转动时，如果从C、D出来的光与C、D的运动速度有关，两束光的速度不再相同，与转子静止时的情况相比，将出现干涉条纹的移动。实际实验并没有观察到干涉条纹的移动，说明光速与反射镜的运动无关。 1918年，Majorana也做了类似实验，实验结果同样是否定的，也没有发现运动反射镜对光速的影响。 通常,这些实验都是在常压下做的。1965年，Beckmann和Madics使用洛埃（镜）干涉仪在高真空（10-6托）情况下研究了运动的反射镜对光速的影响。他们在有空气和高真空两种情况下做了观测，都没有观察到条纹的相对位移。这说明运动的反射镜对光速不产生影响，同时也排除了通常实验中空气可能对光速产生的次光源作用。
1962年，Kantor完成了运动玻璃片的实验，其装置如图1.7所示。如果从运动的玻璃片后出来的光是玻璃片吸收后又重新辐射的光，玻璃片就可看作是次光源。若光速与光源的运动速度有关，那么玻璃片运动时干涉仪中的干涉条纹相对于玻璃片静止时的干涉条纹将发生位移。当时，Kantor报道说，他观察到了条纹移动。这似乎是这类实验中唯一的一个例外。他的结果公布后，引起了许多人的注意，围绕这个问题不少人重新做了类似实验，但是都没有观察到条纹移动。 1963年，James和Sternberg观察了垂直于光束运动的玻璃板对光速方向的影响。1965年，Waddoups等人做了运动云母的光速实验。这些实验都没有观察到干涉条纹的移动。 这些实验说明,不论是初始光源还是“次光源”，物体的运动对光速均不产生明显影响。但总的来说，这些光源的运动速度与光速相比都还很小,也许效应还不明显。如果光源的运动速度很高，情况会怎么样呢？ （五）高速微观粒子的g辐射 发射g辐射的运动原子核和基本粒子的速度接近于光速，因此测量g射线的速度可以对光速是否与光源的运动速度有关在更高的速度范围提供检验。此外，g射线频率高，消光长度长，例如4MeV的g射线，在空气中的消光长度约为3.2米，6GeV的g射线，在空气中的消光长度达5000米。因此，研究高能g射线速度与光源的运动关系可以消除消光定理的质疑。这类实验在60年代已经由许多人完成，所有类似的实验都证明光速与光源的运动无关。其中，精度最高的实验是由Alvager等人于1966年完成的，它在10-4精度内证明了光速与光源的运动速度无关。 1963年至1964年，Alvager等人利用飞行时间技术测量了来自运动光源（C12*）的g射线的速度与来自静止光源（O16*）的g射线的速度之差，直接检验了单向光速与光源速度的关系，证明光源的速度对光速的影响系数小于0.2； 1964年至1966年，Alvager 等人定量测量了能量大于6GeV的由π0介子衰变产生的g光子的速度，这样高能量的射线，在空气中的消光长度达五公里，因此，这个实验的结果被认为可以消除消光定理的质疑。要产生能量大于6GeV的g光子，π0介子的速度必须等于或至少等于0.99975C，这样的速度几乎与光速相等。实际实验测得的g光子的速度为（2.9979±0.0004）×108米/秒，与通常所采用的光速常数相比，差异为10-4。即使π0介子这样接近光速运动的粒子，所产生的光子的速度也与正常光速无明显差异，这说明，光速与光源的运动速度无关。 至此，从天文学证据到运动光源（包括次光源）实验似乎都无一例外地证明了光速与光源的运动速度无关。这样，发射假说就无处立脚了。 发射假说被否定掉了，“以太”拖曳假说又如何呢？“以太”拖曳假说认为，运动的物体能够拖动周围的“以太”。如果地球的运动真的拖动了周围的“以太”，那么上面提到的在地球上做的各种实验就都能得到解释。这是否意味着，“以太”拖曳假说成立呢？ （六）钢盘拖曳“以太”实验 在“以太”拖曳假说被提出之后，为了验证运动的物体能否拖曳周围的“以太”一道前进，罗基（Lodge）很快设计了一种实验来验证“以太”拖曳假设是否正确。
罗基把干涉仪放在两个直径为1米的大钢盘中间，如图1.8所示。两盘相距2.5厘米，装在能高速转动的公共轴上。一束光线顺时针走，另一束反时针走。两束光汇合产生干涉条纹。干涉仪在实验时是静止的。他认为如果圆盘转动时能带动中间的“以太”，那么当转动开始就会有干涉条纹移动。他用望远镜观察，钢盘转动时没有观察到任何干涉条纹的移动。于是，他得出结论说：“以太”不能被转动的钢盘拖着一起运动。 这个实验说明运动的物体不会对周围的“以太”产生明显的拖曳作用。就这样，“以太”拖曳假说也被否定掉了。 既然运动的物体不能拖动其表面的“以太”，那么运动介质内部的“以太”会不会受到牵引呢？这需要用新的实验来验证。 （七）斐索流水实验 菲涅尔早在1817年就曾预言：在运动媒质中，光要部分受到曳引。菲涅尔将“以太”中的光速与弹性媒质中的声速做类比，他假设介质中的光速与弹性“以太”密度的平方根成反比，并由此得到光在运动介质中的传播速度为： u＝c/＋f f＝ 其中，f称为菲涅尔牵引系数；n是介质的折射系数；c/是静止介质中的光速； 为了检验菲涅尔“以太”牵引理论，斐索于1851年第一个完成了运动介质中的光速实验，证明了菲涅尔牵引速度公式的正确性。斐索流水实验如图1.9所示。
从光源S发出的光被半透明镜A分成两束，一束沿顺时针传播，另一束沿逆时针传播，它们会合后在干涉仪上形成干涉条纹。在光的传播路径上装有水管，水管中的水以速度 在图1.9所示的情况下，光线方向与流水速度方向共线，沿流水正反两方向运动的光速为： u±＝c/±f f＝ 正反两束光的相对时间差为：Δt＝ 相应的相差角为：δ＝cΔt/λ＝ 其中， 如果流水运动的方向反向，那么相应的条纹移动量就是上式的两倍，即 Δ＝2δ≈ 实际实验时水管总长度为1.5米，流水速度约7米/秒，光源是白光，当使流水反向运动时，观察到的干涉条纹的移动量为0.46，理论预言的移动量为Δ＝0.404，考虑到较大的测量误差，实验的结果与理论的预言还是比较一致的。 35年后，迈克尔逊和莫雷用类似的装置重做了流水实验，光束仍然为白光，水管总长10米，水流速度是1米/秒，观察到的条纹移动量是0.184，折算的牵引系数为0.434±0.002，而理论预言的流水的牵引系数为0.437，实验结果和理论预言非常吻合，证明了菲涅尔牵引速度公式的正确性。 以后，又有不少人重复了与斐索流水实验类似的实验，也有人用流动的干燥空气、运动的石英棒等做了实验，这些实验都证实运动介质确实能拖动内部的光，从而使其部分具有运动介质的速度。这说明，如果“以太”存在的话，在运动物质内部，它确实是能够被拖动的。 总之，自迈克尔逊-莫雷实验引发了人们对光速本质的讨论以来，人们提出了许许多多的假说，又引出了许多新的实验来对这些假说做出验证。但是这些假设往往解释了这个实验结果，又解释不了另外的实验结果，或者说在一个问题上似乎讲通了，但在另一个问题上却又出现了新的更大的矛盾。发射假说（因细节的不同，实际分化为几种假说）倒下了，“以太”拖曳假说也倒下了。洛伦兹-斐兹杰惹假说认为物体的长度会沿运动方向缩短，这种假说可解释迈克尔逊-莫雷实验，但只要实验中干涉仪水平和垂直方向的两臂长度不同，洛伦兹-斐兹杰惹假说也同样失效。真是“顾得了东就顾不了西”，没有一个假设能够真正与全部实验事实相符合。 一切建立在经典概念上的努力都失败了，由此，人们开始了对各种传统物理概念的大审查。 |
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另一种光速实验，Sagnac实验 Sagnac实验是在1913年做的，泡利《相对论》中提到过，当中文资料不多，现根据网站http://www.mathpages.com/rr/s2-07/2-07.htm>的资料介绍给大家。
实验原理如图，来自光源（source）的光，由半镀银镜分为两束（分别用虚实箭头表示），分别以相反方向沿镜片构成的回路绕行一周，最后到达探测器（detector），在探测器上可以看到干涉条纹。当转动整个仪器时，干涉条纹会产生移动。仪器测到的是相对于惯性系的绝对旋转。Sagnac效应现在已经得到了广泛的应用，最好的这样的仪器可以达到的精度是0.00001 度/小时。 Sagnac实验测到的是在非惯性系中光速不是常数，上述网站也提到了有人以此反对相对论，他的解释是在非惯性系中不能使用狭义相对论而应当用广义相对论，而我没有看到很多广义相对论的解释，简单的解释应该是实际测到的光速是“表观光速“，不是令人很满意的解释。这大概就是中文资料不多的原因，说不清楚就不说。从下面的图（在同一网页上）中可以看到，”环球通信实验“与Sagnac实验相差不多，一个是用时钟测量时间，一个是测量相位的变化。地球本身就是非惯性系，当然可以测到不是常数的”表观光速“，只是还没有测到而已，证明相对于地球表面光速是常数实验是不充分的。
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