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光速为什么不变？ 光速不变是在众多理由下得出的好假设。 一 历史过程 19世纪后半叶，随着电磁理论的发展，光是电磁波的思想得到了确立。按照当时对机械波看法，构建了光的固体弹性理论，传播光的介质称为以太。所有实验上可观察到的v/c的一阶效应都能用该理论定量地解释。但麦克尔逊实验的否定结果却给固体弹性理论造成了很大的困难。为了消除这困难，Lorentz和Fitz-Gerald提出了物体的平移会改变其线度的假说。线度的改变由x(sqr(1-vv/cc))（x为待定量）。但将Lorentz假设结合到固体弹性理论中，去解释Trouton和Noble的实验时没有成功（Trouton和Noble的实验企图证明地球运动引起了vv/cc二阶效应）。larmor在1900年建立了一般的Lorentz变换式，他还考虑了时间标度的改变。1903年Lorentz在一篇评性论文中暗示：如果可变的电磁质量概念（先前的讨论都是以带电体为对象的）推广到任何质物，那么从理论上可以说明收缩效应，也可解释Trouton和Noble的实验。他认为这种收缩现象不仅依赖于物体的运动，而且还依赖于以太。 Lorentz严格证明了真空中的麦克斯韦方程对于Lorentz变换式是不变的（这实际有了光在真空中的速度是不变的结论）。但是当有电荷和电流存在时，变换不是严格不变的。Bouncale弥补了Lorentz工作中的缺陷，他指出相对性原理是普遍而严格成立的。他改进了Lorentz关于电荷密度和电流密度的变换公式，指出带电荷的场方程是完全协变的。 当时在地面上进行的测定地球运动对物理定律的影响的许多尝试都失败了，这使我们可以作出即使不是十分肯定的也是充分可能的结论－－一个给定的参照系中物理定律原则上是于系统整体的移动无关（相对性原理可以成立，Einstein称这个给定的参照系为伽利略系）。这个相对论假设一经引入，以太的概念就要从物理理论中排除出去。因为在讨论静止的或相对于以太运动的状态时，与以太有关的量原则上不能被实验所观测，对以太的讨论也就没有了论据。这样光的固体弹性理论也就完全被光的电磁理论代替。 但是相对性假设还不能够充分地推出自然界的所有定律在Lorentz变换下是协变的。例如，Lorentz变换不适用于经典力学方程，但经典力学却与相对性原理完全一致。如上所说，Lorentz和Bouncale是以麦克斯韦方程为基础的。另一方面，作为很基本的协办关系应该从最简单的普遍的基本假设推出。这一方面的成就应归功于爱因斯坦。他证明在电动力学中只需假设一个独立的公理：光速与光源的运动无关，上面的问题就可以解决。 Ritz，Tolman，Kunz等独立地提出以下的问题：若抛弃光速不变性而仅保留相对性原理，能否避免上面这些根本性的推论而仍保持与实验的一致。这样做显然要保留以太的概念，并抛弃真空中的Maxwell方程而去重构电动力学。只有Ritz系统地完成了这方面的系统理论。但他的理论与光的多普勒效应实验矛盾。无论是地面上做的实验（用干涉法实现），还是天文上观察双星效应。
相对性原理要求物理定律（不单是电磁定律）在伽利略系下不变。电磁定律告诉我们电磁波的速度（光速）在真空中是恒定的，并与源的运动无关。 假设在地面上有一盏灯发出一束光，这束光相对于地面的速度为C。这时有一架飞机向着光的方向相对于地面以速度v飞行。 这个矛盾如何解决呢？是放弃相对性原理，还是放弃光束恒定结果。 通过对时间和空间物理概念的分析，可以清楚地看到，相对性原理和光的传播定律实际上没有丝毫相斥之处。相反，如果系统地贯彻这两条，就能够得到一个逻辑严谨的理论。那么这样做就意味着抛弃经典力学了？经典力学将成为了这个理论的一个有机部分。 |
