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《电动力学简明教程》144页 原文 “以火车为参考系，光源是静止的．光向前和向后的速率都是c，因此光到达车头或车尾所需的传播时间都是t＝L/c，其中L是火车(静)长度的一半．需要分析的是：当以地面为参考系，为什么由洛伦兹变换推断光到车头比车尾晚，而由伽里略变换推断两者仍然同时?首先，由于火车在前进，光从火车中点到车头所走的距离比到车尾要长，这是没有疑问的．分歧来自光速．按光速的不变性．虽然光源对地面以速度v在前进，光向前或向后传播的速率依 然是c．这样自然导致闪光到达车头比到达车尾晚的推论．若接受伽里赂变换，由于光源有速度v，闪光向前的传播速率是c＋v向后的速率是c－v．速率的差别弥补了距离的差别，结果推出闪光传到车头和车层所用的时间依然一样，即光同时到达车头和车尾．从这样的分析看到，同时的相对性直接是光速不变假设的后果。” yanghx的问题： 可问题是： 按照经典的分析，波源的速度v怎么能与波速c叠加呢？ 『『『无尘的解答：
俞在这里犯了许多教科书上都犯的错误，或者说没有把事情的原委说清楚，也可能认为没有必要说得那么罗嗦，总之象俞允强这样的表述不好。下面我来说说原委。
按照经典力学的观点，机械波传播是需要介质的，波在一定介质中传播速度是一定的（波速由介质的模量和密度决定而与波源无关）。当介质运动时，静止系中的观察者测到的波速就会与介质速度叠加。设火车的速度为v，波在介质中的传播速度为V。如果一个在火车上的波源产生了一个波，而传播波的介质随火车运动，那么火车上测定的波速为V，车站上测的的波速度就为(V+v) or (V-v)。对于这些大家不会有异议。 以下来淡淡光波的情况。
按照麦克斯韦方程，真空中的电磁波（光波）速度是一定的（由ε0和μ0决定）。也就是说，如果Maxwell方程是自然界的基本规律，那么根据Maxwell方程的要求，光速是与参照系无关，因为c=1/squar(ε0μ0)，而ε0和μ0是基本常数，与参照系无关。总之，基本电磁理论要求真空中的光速与参照系无关。可是，波传播是要有介质的，光的介质在那里呢？我们通常把承载光传播的介质称为以太，有许多实验都试图寻找以太，其中麦克尔逊实验最著名。所有这些实验表明，否定以太的存在比承认以太存在更能对实验结果有利。也就是说承认以太不存在更来得实际。
基本电磁理论（Maxwell方程）所引来的另一个问题是，Maxwell方程与牛顿力学在伽利略相对性原理上的不相容。伽利略相对性原理说：任何基本力学规律在惯性系中都是一致的。这种一致性如何表现呢？那就是在伽利略确立的惯性系坐标变换方式下，牛顿力学的基本方程在各个惯性参照系（坐标系）中是一致的。在爱因斯坦的相对论出现之前，人们已经有了惯性参照系之间的lorentz变换。电动力学基本方程在Lorentz变换下是协变的，讲得通俗一点，就是基本电磁规律也能在所有的惯性系中保持一致。 这样，我们现在有两个关于惯性系坐标变换方式： Galilei变换和Lorentz变换。一个对牛顿方程是严格协变的，对麦克斯韦方程不是严格协变的；而另一个则反之。
对这两个变换方式，哪个更好呢？即哪个更接近于对自然的描述呢？从另外一个角度看，哪一个更能符合相对性原理呢？从哲学上讲，相对性原理的成立意味着世界上不存在绝对第一者。从物理上讲，相对性原理的成立意味着自然界不存在绝对第一性的物质。也就是说，我们无法通过物理基本定律找到一个参照系是最特殊的。回到最初的问题：哪一个变换更符合人们对自然的描述行为，更符合相对性原理呢？请看下面的分析。 Galilei变换建立在绝对时空观的基础上。大家都知道，绝对时空观的含义是时间和空间与物质和物质运动无关。而对绝对时空观的支持又是什么呢？仔细想想，除了我们的直觉外，再也找不到更基本的依据。我们任何物理定律的建立和运用都不可避免地涉及空间时间的标度（度量），而离开了具体的物质及其运动，我们根本不能建立时间空间的标度方式。也就是说，脱离了物质及其运动的时间空间概念，对于我们建立物理定律和描述自然界是毫无意义的。我曾说过的，牛顿绝对时空观与伽利略相对性原理存在着内在矛盾，指的就是这些含义。因此建立在绝对时空观上的Galilei变换本质上就会与物理定律的描述和运用存在着内在矛盾。如果不能描述和运用自然规律，那么对人类来说等同于没有自然规律。 再来看Lorentz变换。Lorentz变换很好地解释了当时的物理实验现象，这些实验是用Galilei变换所无法解释的（具体的历史情况不在这里展开了）。但不能强迫人们只承认Lorentz变换，而不给任何解释。爱因斯坦首先给出了Lorentz变换的物理解释。下面来谈一下Lorentz变换的物理基础。 相对性原理应该普遍成立，对这个大家没有异议。光速在真空中不变，这是电磁学规律决定的。如果认为电磁规律描述了自然的基本规律，那么就承认了真空中的光速与参照系无关（参见前面的叙述），因为相对性原理要求物理规律与惯性参照系无关。光速与光源无关，这个也很好想象，经典物理就有类似的波速与波源无关的结论。相对性原理，真空中的光速与参照系无关，光速与光源无关，这些都不是爱因斯坦的最先发明。爱因斯坦只是运用从实验中总结出来的这些基本物理结果作为前提，推导出了Lorentz变换。这里不去重复爱因斯坦的推导过程，所有的内容都在《论动体的电动力学》一文中。可以说这样一句话，如果有人认为爱因斯坦推导有严重问题的话，那一定是该人在某处没有理解而不是爱因斯坦的问题。不说我看过该文而确认它没有什么大问题。就看在近一百年来份上，如果有严重问题，那么早就被科学界所涉及和质疑（强调：是被科学界质疑，不是被某个个人质疑）。Lorentz变换包含了Galilei变换，并且适合于更广泛的基本物理定律。而Lorentz变换又完全可以基于两个基本物理原理，这使复杂的事物归于简单的原理，难道这不美妙吗？ 下面回答俞允强书中的问题。与火车静止的光源发光，火车上的观察者测到的光速为c。按照经典物理的看法，波传播需要介质，对于光来说就是需要以太。如果一个观测者测到的光速为c，那么依据电动力学（或者说基本电磁规律），以太相对于观测者是静止的。火车上的测到c，说明以太相对火车静止。那么以太相对于车站也就有速度v，这样车站上的观测者测到的光速就是c+v和c-v。这如同波有速度V，介质相对于观测者也有速度v时，波相对于观测者的速度为V+v或V-v。 从理论上讲，以太的概念对Mexwell方程（基本电磁规律）不是必须的。从实验上讲，也没有以太存在的有力证据，反而倾向于否定以太存在的实验证据更多。也就是说，对于光来说，传播不需要以太，即不需要经典意义上的波承载体――介质。光传播不需要介质，光在真空中传播的速度为c，且火车观测者和站台观测者看到的光都在真空中传播，所以两者测到的光速都一样。另外，光速与光源无关。因此两者看到的光速都是c，而不会象经典物理所说的c+v和c-v。
另外多说两句。我们无法摒弃相对论，就像无法摒弃牛顿力学一样。相对论包含了经典物理的内容，只是抛弃了绝对时空观和超距作用的概念。未来新的成功的理论一定包含相对论，而不是对相对论的全盘否定。』』』』 『『以下的两个问题就不用回答了吧。J 』』』』』 声多普勒效应中也不能把声源的速度v与声速U相叠加吧？ 那还能得出声多普勒公式吗？ 所以只能按照经典的加利略变换---“第三者”方法来算， 结果是： 加利略变换：c+v和c-v， 洛伦兹变换：c和c。 |
