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还基础物理学以本来面目
一、历史的回顾 今年是人类社会告别20世纪，进入新千年的第1年。纵观已经过去的科学发展历史，人类对自然世界的理解经历了极其曲折的认识道路。在公元前500年之前，人们对自然世界的认识虽然已经历了很长久的岁月时间，但仅仅是获得非常少的零碎经验。直到公元前500年间，人们才正式建立起系统的理论体系。亚里士多得在公元前300年之前建立的物理学，曾经被人们延用到公元后的17世纪。在整整2000多年的人类社会发展过程中，经院主流派的学者都认为自己所掌握的系统理论是正确的科学知识。如果还有什么问题的话，也只能是对现有的理论进行补充完善。一直到17世纪，伽利略对亚里士多得总结出的“物体越重，下落越快”的古典物理学定律提出质疑，并用实验证实不同重量的物体在下落时都是同样快的结果后，亚里士多得所建立的古典物理学才从根本上受到了冲击动摇。伽利略从1589年开始研究落体运动，到1638年发表他的力学著作《关于有关力学和位置运动的两种科学的数学证明和谈话》，经历了49年时间。此后，牛顿在伽利略的研究基础上，继续发展完成了运动力学的系统理论。1687年，在哈利的赞助下，牛顿出版了不朽的著作《自然哲学的数学原理》一书。从1589年到1687年，关于物体的运动力学的创建时期整整持续了1个世纪的时间。 伽利略是首先提出“惯性原理”和研究力学定律的人。后人却没有用伽利略的名字来命名惯性定律，原因就在于，虽然伽利略根据“运动不灭”思想，结合在水平面上所做的小车滑动“理想实验”，已经得出“不受外力作用的物体将永远保持着原来的静止或匀速运动状态”的结论，可是伽利略对什么是不受外力作用的判断认识还只是停留在受到地球重力场作用的地球水平面之上。是牛顿把“惯性原理”的应用条件进行了无限的推广。这样，当人们在研究行星的运动时就会想到：行星在没有受到外力作用的情况下，应该是在空间保持作匀速直线运动。行星之所以会环绕着恒星转动，一定是有一个与行星运动前进方向不重合的作用力使行星从其他直线路线偏转到了环绕着恒星转动的曲线路径上来。牛顿正是根据这个与前人完全不同的分析思路，进一步发现了万有引力定律。而先于牛顿之前研究天体现象的开普勒，虽然在1630年之前就已经总结出了著名的“开普勒三大定律”，但是他对于行星之所以会环绕着恒星转动的分析，还是认为应该有一个力沿着行星轨道作用于行星之上，不断地驱使行星沿其轨道穿过太空。开普勒对行星环绕着恒星转动受到的作用力的思考，乃是根据亚里士多得建立的古典物理学中提出的“凡是运动着的物体都要受到某个作用力的推动”得出来的猜想。“凡是运动着的物体都要受到某个作用力的推动”与“运动不灭” 是完全相反的世界观。人们根据亚里士多得建立的古典物理学定律，在继亚里士多得之后的2000多年时间中，仅仅是对自然现象做出了某种看起来似乎也有点道理的解释。正是在牛顿总结完成物体 “运动力学” 的系统理论之后，特别是在牛顿与其他数学家一起研究出微积分数学工具之后，才为现代物理学的全面发展打下了坚实的基础。为了纪念牛顿对现代物理学做出的巨大贡献，人们将牛顿建立起来的运动力学称为牛顿力学。 与开普勒、伽利略等伟大的科学家一样，牛顿在进行自己的科学研究探索过程中也不可避免地会出现失误。当牛顿把“惯性原理”的应用条件进行无限的推广之后，牛顿在原理上要求人们必须把用于观察物体相对运动的参照系建立在与绝对静止的空间保持作绝对匀速直线运动的物体之上。然而，牛顿在研究地面上的物体运动规律时是把最初始的惯性参照系建立在地面的某个静止点上，而在研究太阳系中的行星运动规律时又把最初始的惯性参照系建立在恒星太阳的中心上。可是太阳与地球之间并未保持着匀速的相对运动，这个事实表明：在空间以绝对的匀速状态进行运动并不是惯性参照系所必须满足的前提条件。牛顿力学实际存在着这么两个尚未解决的问题： 1、同一物体在一些参照系中观察到的相对运动与牛顿定律相符合而在另一些参照系中观察到的相对运动与牛顿定律不符合。2、相对于同一观察物体都是惯性参照系的任意两个参照系彼此保持作相对匀速运动，而相对于不同观察物体而言的两个惯性参照系可能相互不作匀速运动。如何解释这种“怪现象”？怎样给具体的观察物体选择可以适用牛顿定律的惯性参照系？牛顿没有在原理上做出令人信服的解答，而是让人们通过实验检验的方式来判断自己给具体的观察物体选择的参照系是否可以适用力学定律。显然，如果人们为具体的观察物体给出的每一个参照系都必须先要通过实验检验的方式来判断它是否可以适用力学定律，牛顿力学的实用价值就要大打折扣了。所幸的是，人们根据伽利略提出的相对性变换原理，通过实验检验的手段，只要找到了一个实际存在的可以应用力学定律对被观察物体的运动规律进行分析研究的惯性参照系，凡是建立在相对于该参照系作匀速直线运动的实际物体上或实际不存在的假想物体上的参照系，都可以应用牛顿第二定律对同一个被观察物体的运动规律进行定量的数学分析。反映在数学式子上，就是它们具有完全相同的表达形式：F ＝ ma 。因此可以说，伽利略相对性变换原理实际上是使牛顿第二定律得到广泛应用的纽带。牛顿力学虽然在理论与实际应用之间出现了严重脱节，但只要不去追究牛顿力学在理论上是否已经完美无缺，人们就完全可以把牛顿力学定律当作受到使用条件限制的经验公式来进行应用。 需要注意的是，在伽利略时代还没有微积分的概念，伽利略提出的相对性变换原理仅仅只是要说明：彼此保持作匀速直线运动的任意两个参照系，同一个被观察物体相对于它们二者所作的相对运动具有完全相同的惯性规律和速度改变规律。人们根据伽利略相对性变换原理将得出一个重要的结论是：不可能发现真正驻定的相对于绝对空间处于静止状态的参照系。牛顿在建立自己的运动力学理论时，乃是把伽利略相对性变换原理原原本本的继承了下来。牛顿忽视了一个事实：伽利略相对性变换原理对动量守恒定律在数学上已经不再保持着成立。不受外力作用的物体系统，其总动量保持不变。但相对于不同运动速度的惯性参照系，该物体系统的总动量却不是同一个恒定值。相对不变性原理之所以能够对牛顿第二定律保持不变，是因为加速度乃是速度对时间的1阶导数，作为初速度的常数项已经在求导的过程中被微分变成了0常数。其实，人们只要对加速度再求一次导数，就能够得出另外一个新的力学定律：作用力的变化率等于被作用物体的质量乘上该物体的加速度变化率。这个所谓的新力学定律对彼此保持做相对匀加速运动的参照系具有完全相同的数学表达式子，人们是否需要将此理解为对相互保持作匀加速运动的参照系也成立的另一个相对不变性原理呢？显然，人们没有理由要求牛顿把所有的问题都全部解决掉。 在牛顿出版《自然哲学的数学原理》一书6年之后，人们正式接受了牛顿力学。此后，现代物理学在各个领域都取得了迅速发展。但是到了19世纪后期，随着人们对自然世界的认识越来越深入，牛顿力学理论体系中潜存着的根本性问题再一次摆到了人们的面前。理想的惯性参照系是否存在？如果物体之间进行的相互作用从根本上就只是同它们之间表现出来的相对运动发生关联，人们又何必要采用理想的惯性参照系来作为研究物体运动规律的特优参考基准呢？马赫在19世纪对牛顿用水桶转动实验证明物质进行的运动是绝对运动提出了质疑。马赫认为：水桶中的水转动时水面出现凹陷，是因为水面相对于宇宙中无数的恒星和天体有转动而引起的结果。如果让宇宙中所有的天体都围绕着水面转动，水面也会出现凹陷。继马赫之后，爱因斯坦更进一步的认为：在作圆周运动的物体上可感受到向外离开圆心的力和匀速前进的车子突然刹车时车子里面的人将继续朝前冲的力，都不是物体运动本身具有的惯性表现，而是在空间存在着相应的引力场所导致的结果。如果接受这样的理解思路，亚里士多得提出的“凡是运动着的物体都必须受到力的推动”的古典力学定律，也就可以通过在空间虚构出莫须有的引力场来得到复活。本来，爱因斯坦对伽利略根据“运动不灭”思想提出的“惯性原理”非常赞赏！爱因斯坦并不支持亚里士多得所提出的“凡是运动着的物体都必须受到力的推动”的古典力学定律。但是到19世纪后期，爱因斯坦也与其他的物理学家一样，都被当时在研究光速问题上遇到的困难所迷惑住了。 在早先时候，人们对光的认识完全有别于其它物体的运动。人们以为在宇宙空间充满着一种称之为“以太”的特殊粒子，这种“以太”粒子与物质粒子之间没有任何相互作用，因而不会阻碍物质的运动。“以太”粒子与绝对空间保持着绝对静止的状态，光线就在这种“以太”海中以恒定不变的速度进行传播。牛顿设想的理想惯性参照系，也就是相对于“以太”海处于禁止状态或作匀速直线运动的坐标系。1881年，麦克尔逊专门设计了一个被后人命名为“麦克尔逊干涉实验”的光学实验来检验这个假说是否正确。如果光线确实是在与绝对空间保持绝对静止状态的“以太”海中以恒定不变的速度进行传播，人们在水平地面上转动麦克尔逊干涉仪时，就应该从光线接受屏上看到由传播方向互相垂直的两路相干光所形成的干涉条纹将发生移动。但实验的结果是没有发现干涉条纹有任何移动。同物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子与绝对空间保持着绝对静止状态的假说本来就十分牵强，原先以为光线是在这种“以太”海中以恒定不变的速度进行传播的设想又遭到了实验的否定，人们只能判定在宇宙空间并不存在与物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子。实验表明，在宇宙空间并不存在完全没有物质的绝对真空，人们以往所说的真空实际上指的是只存在不构成实物的基本粒子的空间。光线既能在具有构成实物的基本粒子的空间中传播，也能在没有构成实物的基本粒子的空间中传播。光在物质空间中的传播速度，将由分布在宇宙自然界中的光传播媒介物质所决定。 人们在对麦克尔逊干涉实验的结果进行分析时本来已经看到了成功的曙光，可是由于人们在当时还没有认识清楚相对不变性原理的本质，爱因斯坦竟提出了一个这样的新假设：即在所有相互作匀速直线运动的坐标系中，光在真空中的传播速度都完全相同。其实，人们只要将与绝对空间保持静止状态的“以太”海改成可以与地面保持作任意匀速运动的“真空”海，光线在与绝对空间保持静止状态的“以太”海中以恒定不变的速度进行传播，就变成了光相对于不受实际条件限制的任何一个惯性参照系都具有完全相同的真空传播速度。新的假设虽然能够把与干涉仪器保持静止状态的地面参照系中出现的光程差计算困难消除掉，但是它却引来了更严重的恶果。那就是替代“以太”构成真空的“非实物粒子”是比“以太”粒子更让人们难以理解的特殊物质，它怎么可能同时与任意两个相互作匀速直线运动的坐标系都处于静止状态呢？ 爱因斯坦之所以认为自然定律在所有相互作匀速直线运动的坐标系中都完全相同，是有其历史根源的。要知道，在牛顿时代还没有能量概念。人们在那时对自然定律的认识，还仅仅局限在对“开普勒三大定律”和“牛顿三大定律”的范围中。伽利略作为提出相对性变换原理的第一个人，自己连“惯性原理”的适用条件都还有严重的认识错误，他也就没可能把相对性变换原理的真正来由说明清楚。牛顿在继承伽利略相对性变换原理时，也没有把其来由和应用条件论证清楚。如果牛顿在其力学原理中已经明确指出：相对性变换原理只是对物体在空间的位置函数关于时间的2阶或2阶以上的导数方才成立，相对性变换原理对动量守恒定律已经不成立的话，后人在应用伽利略相对性变换原理之时，就不至于在潜意识中把它也等同于某个自然规律来对待了。事实上，相对性变换原理对能量守恒定律也不能继续保持成立。能量守恒定律是自然界中最基本的运动规律，无论人们是否建立起了物理学理论，它都不会受到影响。一个物体实际具有多少能量，不会因为人们在空间选择了不同的参照系来做观察基准而发生改变！人们在空间选择的各个参照系，有的可能正确反映出被观察物体实际具有的可进行交换的动能值，但更多的情况是不能够正确反映出被观察物体实际具有的可进行交换的动能值。 鉴于在牛顿时代，人们连能量概念都还没有形成，也就不能够通过对能量守恒定律的准确理解，说明相对性变换原理只是在有限范围的应用中成立。爱因斯坦在研究相对性变换原理时，当然也要受到历史条件的限制。爱因斯坦在自己撰写的《物理学的进化》书中第112页已经发出感叹：“可惜我们不能置身于太阳与地球之间，在那里去证明惯性定律的绝对有效性以及观察一下转动着的地球。”爱因斯坦十分清楚自己提出的新假说可能是一个错误，只是因为在爱因斯坦所处的时代，人们不知道有什么法则可以找出一个惯性系。请注意：“法则”是指原理性的可操作的方法规则。人们虽然可以通过做实验的方式来寻找出惯性参照系，但是只能把它们当成符合实用要求的参照系。在原理上，通过实验方式寻找出的惯性参照系仍然属于假定性质。尤其是在1881年之后,人们通过麦克尔逊干涉实验否定了“以太”粒子与绝对空间保持着绝对静止状态的假说，牛顿设想的理想惯性参照系便失去了他所设想的物质依据。为了填补牛顿力学在现实面前所出现的理论空缺，爱因斯坦才创建出了“狭义相对论”和“广义相对论”。爱因斯坦创建相对论的目的之一，就是想提供出一种能寻找到实用的惯性参照系的自然法则。但爱因斯坦不仅没有取得成功，他反而是把基础物理学搅得混乱不堪。 二、有待完善的牛顿力学 人们知道，尽管现代的物理研究已经发展出了《量子物理学》，但是在宏观的物体世界领域，人们仍然还是在运用经典的牛顿力学来作运动分析，而且所获得的结果十分良好。可是，为什么还会有人来试图修改它呢？ 的确，牛顿力学至今一直是人们用来分析宏观物体运动的基本工具，但是只要我们对其理论依据进行深入追究，就会发现牛顿力学存在着一个自身尚未解决的根本性问题，就是为什么同一物体在某些参照系中观察到的相对运动适用于牛顿定律，而在另外一些参照系中观察到的相对运动不适用于牛顿定律。爱因斯坦在20世纪初已经向牛顿力学提出了这个不容回避的根本性问题，同时也向人们展示了他的重要发现，即在地面上自由下降的起重机里面，所有被观察物体相对于建立在起重机上的参照系进行的相对运动完全符合牛顿力学所描述的运动规律。爱因斯坦试图由此事实出发，从理论上解决掉牛顿力学所存在的种种问题，然而他没有取得成功。现在我们可以明确地告诉人们，导致上述致命的根本性问题出现的原因是牛顿在建立经典物理学时，没有找到力学定律与参照系之间存在着的内在联系。事实上，牛顿所设想的“理想惯性参照系”乃是可以应用其力学定律的充分条件，并非是应用力学定律的必要条件。人们只要把地球及其表面小物体所占据的空间实际受到的外部万有引力作用状况和地球处于自转状态中的条件弄准确，就不难从系统运动力学推导出处于地球表面上的小物体相对于地球表面邻近任意点所具有的，虽然系近似，但确具有极高准确性的运动力学定律。 牛顿力学在理论上要求把惯性参照系建立在理想的绝对静止的空间上，但实际应用时却是把实验检验结果作为能否运用其力学定律的依据。牛顿在研究地面上的物体运动规律时会要把最原始的惯性参照系建立在地面某个静止点上，而在研究太阳系中的星球运动规律时又会把最原始的惯性参照系建立在恒星太阳的中心上。显然，只找到这么两个可以应用力学定律对被观察物体的运动规律进行定量的数学分析研究的惯性参照系是不够用的。但人们也不可能对每一个实际上都可以采用的惯性参照系都要先经过实验检验相符后，才能确定出它是否可以应用力学定律来对被观察物体的运动规律进行定量的数学分析。因为假如情况确是那样的话，人们所作的理论分析就失去了对实践工作的指导意义了。经典物理学所提供的伽利略相对性变换原理其实就是要告诉人们：一旦我们通过实验检验的手段，找到了一个实际存在的可以应用力学定律对被观察物体的运动规律进行定量的数学分析研究的惯性参照系，凡是建立在相对于该参照系作匀速直线运动的实际物体上或实际不存在的假想物体上的参照系，都可以应用牛顿第二定律对同一个被观察物体的运动规律进行定量的数学分析研究。可以说，伽利略相对性变换原理是使牛顿第二定律得到广泛应用的纽带。而“动量守衡定律”在彼此保持作匀速直线运动的两个惯性参照系中分别进行应用之时，被观察物体系统的动量总和在该物体系统未受到外部作用力作用时虽然保持不变，但却不是永远恒等于某个惟一的常数。对于速率不等、但是作恒定的匀速直线运动的每一个惯性参照系而言，被观察物体系统的动量总和在该物体系统未受到外部作用力作用时，将对应保持为一个不同数值的常数。人们其实也同样可以把牛顿第二定律改变成类同的描述方式：任意物体相对于理想的匀加速参照系具有的加速度乘以该物体质量与作用在该物体上的力之差恒等于某个常数。在将牛顿第二定律进行这样的描述改变后，人们不需要引入莫须有的假想“引力场”，就已经完成了爱因斯坦建立广义相对论所期望实现的目标了。遗憾的是，进行这种描述上的改变并没有解决任何实质问题，人们只是把无法寻找理想的惯性参照系这个难题变成了无法寻找理想的匀加速参照系难题！事实上，理想的匀加速参照系也不是应用运动力学定律的必要条件。 随着时代的发展，现代物理学中所说的惯性参照系已经不是牛顿所提出的与绝对的惯性运动相联系的理想惯性参照系概念。现代物理学中所说的惯性参照系，只有“孤立系”与“局部系”两种情况。所谓的“孤立系”，就是指系统外的其它物体离开该系统非常非常遥远，以至于可以把系统外的物体对该系统的作用忽略掉。而“局部系”，就是爱因斯坦发现的那种建立在地面上自由下降的起重机上，对于该起重机里面的空间范围内的物体来说的“袖珍版”的惯性参照系。在实际应用中，只要研究的空间范围足够小，被考察的物体比起该空间范围更加更加小，就可以把它们作为“局部系”来对待。如果再引入“微分空间”概念，对体积大小完全忽略不计的理想化“质点”相对于建立在该“微分空间”上的参照系具有的运动规律作数学分析时，人们也可以把牛顿定律作为进行数学理论分析的依据。我们已经看到有一些原本从事纯数学研究的人员又转过来从事此类所谓的“理论物理”研究工作。其实，从严格的物理学研究角度不难发现：相对于无限小的“微分空间”进行相对运动的理想化“零体积”物体并没有实际上的物理意义。而作为严格的物理学分析思路，我们对自己给出的每一个概念，都必须弄清楚它在自然物质世界中实际对应着什么样的物理意义。所以， “孤立系”在概念上并没有摆脱古典的含义，它实际上只是为牛顿提出的与绝对的惯性运动相联系的理想惯性参照系找寻到了一个如何在现实自然物质世界中确定理想惯性参照系的途径。至于“局部系”，也只是对实际可以应用牛顿力学来分析物体相对运动规律的惯性参照系类型进行了补充，它同样没有从根本上解决牛顿力学存在的问题。 三、对惯性参照系的重新认识 我们应知道，对物体的相对运动进行描述，其实就是一个观测的过程。按照现代测量技术基本原理，人们在方法上至少可以采用“直接比较”，“差动比较”与“补偿比较”三种比较方式来进行观测。牛顿对物体相对运动的描述，属于最简单的“直接比较”方式。牛顿提出的“绝对空间”概念，乃是实现直接比较观测的“绝对零位基准”。我们在现代系统运动力学中，对物体的相对运动采用了“差动比较”方式来作出描述。即：当作为相对比较测量基准的参照系自身的绝对运动正好反应为某个完整物体系统中诸物体所共同具有的“背景加速运动”时，该物体系统中诸物体相对于给定参照系观测出来的相对运动，就可以过滤去除叠入物体绝对运动中的“背景加速运动”，仅表现为物体固有惯性特征的运动规律。所谓的“惯性参照系”，就是符合这种要求的“相对零位基准”。至于“补偿式”观测方式，由于它不符合人们对被观察物体运动状态进行观察的习惯， 不便直接采用到对物体相对运动的观测上。 根据“运动不灭原理”，任何一种运动形式的消失都必然伴随着另外一种运动形式的产生，运动既不能自己产生也不能自己消灭；当某种运动形式未受到其它运动形式的作用时，该种运动形式将继续保持进行下去，直到超过了相对应的最高限度才转化为新的运动形式。现代物理学中的“能量守衡定律”与伽利略提出的“惯性定律”，即是对“运动不灭原理”中前后两部分内容分别作出的定量表达。不言而喻，作为物质世界中的一般运动规律,应该与人们选择什么样的参照系来作为运动观测基准不相干。人们选择适当的参照系，只是为了使这些运动规律能够清晰准确地显现出来。所以，虽然牛顿提出的与绝对静止的空间相联系的“理想惯性参照系”得不到实验的充分证实，但这并不妨碍物质运动不灭原理的“惯性特征”在具体物体的运动过程中呈现出来。现代系统运动力学中提出的“惯性参照系”，就是符合要求的更适当的参照系，因为物体运动固有的“惯性特征”将在这种参照系里与相叠在一起的“背景加速运动”分开，单独呈现。 从原理上讲，与绝对静止的空间相联系的理想惯性参照系是引导物理学理论进一步发展的起始点。根据伽利略提出的“惯性定律”，不受外力作用的物体相对于牛顿提出的与绝对静止的空间相联系的理想惯性参照系将保持着原来的匀速度运动状态或静止状态，于是可以证明：由任意两个不受外为作用的物体组成的封闭物体系统，其系统质心相对于处于绝对静止状态中的理想惯性参照系也将保持匀速度运动状态或静止状态。同时由牛顿第三定律与牛顿第二定律又可以证明：两物体组成的封闭系统内的相互作用，对本系统的质心运动状态没有影响。之后再采用数学规纳法即可证明：由任意个物体组成的封闭物体系统，其系统质心相对于处于绝对静止状态中的理想惯性参照系将保持作匀速度运动，而且不受本系统内的物体间相互作用所影响。有了这个结论，我们就可以根据“矢量合成法则”，把用于运动观测的参照基准从与绝对静止的空间相联系的“理想惯性参照系”改到与封闭物体系统内诸物体相联系的“系统质心参照系”。这样既可使包括“动量守恒定律”在内的各个运动定律叙述起来更准确，又可使用于运动观测的参照基准成为有存在实物作保证的真实体系。然后，再根据运动具有的“独立作用原理”，进一步将在封闭物体系统中呈现出来的具有“惯性特征”的运动规律推导到一般的完整物体系统中。在经过上述的原理发展后，人们就可以在实践中对伽利略和牛顿所发现的物理学运动定律进行充分的实验验证了。 显然，建立在完整物体系统质心上的“惯性参照系”是帮助人们精确认识和运用物质世界中各个运动规律的物理学工具。譬如物体间进行的相互作用，实际上是“能量集合体”之间进行的能量交换过程。无论人们借助什么工具来认识它，它都将遵守客观存在于物质世界中的运动规律而在物质世界中进行呈现。因此，当人们采用“惯性参照系”来作为物体相对运动的观测基准时，物体间进行的相互作用和所表现出来的简单而又精确的“牛顿第二定律”与“牛顿第三定律”，乃是人们正确运用了认识物质世界本质的物理学工具的结果，人们切不可将帮助自己认识物质世界本质的“物理学工具”误当成导致物体按照某种规律进行运动的原因。由于人们把“惯性参照系”作为物体相对运动的观测基准时，人们根据物理学定律对被观察到的物体相对运动作出的数学分析与物体间实际发生的相互作用有着完全对应的真实可靠关系，因此它能够使得系统运动力学成为精确指导人们开展新的实践活动的科学理论。至于为什么会有这样的结果，人们必须在更为基础的物理研究中进一步去探索。现在我们只能说：这是大自然赋予物质世界自身的一种天衣无缝的和谐与“自然美”。 四、正确理解时间概念 在所有被观察到的相对运动中，被人们按照“最方便于分析原则”选作为相对运动过程的参考比较基准的“标准参考运动”即是“时间”的来源。按照已经约定俗成的习惯，人们把所选定的“标准参考运动”相对于首先建立起的标定有长度计量单位的空间参照系（注：我们特称之为观测物体相对运动的“第一参考基准”）观测到的每一个“瞬态位置”对应称作为一个“时刻”，而把任意两个“时刻”之间对应的“参考运动过程”称作“时间”。鉴于“时间”乃是人为给“标准参考运动”所取的代名称，我们又把人为选作相对运动过程的参考比较基准（注：特称之为观测物体相对运动的“第二参考基准”）叫做“时间运动”。按照已经约定俗成的习惯，人们把具体实现“时间运动”的实物称作“钟”。根据运动不灭原理：在物质世界呈现的每一种运动形式都具有惯性。虽然均匀万有引力场可以对处于其中的所有物体进行的平动运动产生完全相同的速度变化，但它却不能对完整物体系统内已经保持着相对位置不改变的诸物体之间具有的静止惯性产生影响，同时也不能对物体进行的转动运动等不受均匀引力场影响的运动惯性产生作用。这样，人们就可以先利用空间相对位置保持不变的实物体来确定标有长度计量单位的空间参照坐标系统，再利用某些实物在空间进行的均匀转动等可以在空间单独呈现并处于惯性运动状态中的简单运动来作为被观察物体相对于“第一参考基准”进行的相对运动过程的参考比较基准。为了使人们进行的测量可靠，作为确定被观察物体在空间的相对瞬态位置的“标准空间参照系”，三个坐标轴向上的每一个长度计量单位均应保持统一恒定。由于这个要求正好与运动具有的“惯性”相一至，人们可以根据“运动叠加原理”把相对处于惯性运动状态的某个静止固体物规定选作为计量长度用的“标准单位长度”，也可以规定把某个能在空间任一方向上呈现为具有一定长度周期的首尾相接的惯性运动作为计量长度用的“标准单位长度”。实际上，人们已经在统一规定了“标准单位长度”后的条件下，同时把这些可作为长度计量用的实物和运动形式一道作为“标准单位长度”的基准传递器具与测量空间长度的计量工具。 对于具体实现“时间运动”实物，人们也可以有多种选择。譬如：人们在几千年前就已经把处于惯性状态中的地球自转运动选作为标准“时间运动”，只是由于这个“地球钟”太大，人们只能用它来规定时间的“标准单位间隔”。然后再用其它可搬运的“小钟”来传递标准时间间隔和作为测量时间的计量工具。现在人们又找到了重复稳定性更好的原子辐射振动运动来作为时间基准，而且由于用原子辐射振动运动做成的“原子钟”体积不大，因而比“地球钟”用起来更方便。需要明确的是：作为物体相对运动过程的参考比较基准的“标准运动”，在整个有效比较过程和与基准传递过程中都必须始终保持恒定可靠。故此，符合要求的“标准钟”应具有完全同步的特性。即：人们在同一地方把所有“标准钟”的零位时刻校对统一后，再把这些“标准钟”单独或几只放在空间任何一个位置处都应具有相同的“单位时间间隔”，而且无论每一个“标准钟”被分开单独拿到空间任何一个地方去，一旦当它们又重新在空间任何一个地方被放在一起时，“钟”上所显示的时刻都完全相同。自然，各种相对来看可独立呈现的惯性运动形式就成了实现这个要求的物质保证基础。这样，当人们说两个不重合地点同时发生什么现象时，均是以放在这两个地方保持完全同步的“标准钟”上显示的时刻相同来作出的判断。当人们把确定被观察物体在空间的瞬态相对位置的空间参照系的坐标原点建立在完整物体系统的质心上，并且又采用处于惯性运动状态的运动形式来作为比较物体相对运动过程的“参考运动”时，由于恒定不变的“单位时间间隔”所对应标定的任意两个相邻时刻与实现“时间运动”的直线运动物质（例如光子运动）在空间对应所处的瞬态位置具有完全相等的长度距离，如果被观察物体在空间的相对瞬态位置所发生的“移动量”与作为相对运动过程比较基准用的标准“时间运动”所对应的时刻“变更量”保持为线性的常数比例关系，即表明该物体进行的直线运动与作为运动过程比较用的“参考运动”都属于运动状态保持相对或绝对恒定的惯性运动。人们只要引入一个换算比例系数，就可以直接用该物体进行的直线运动替换先前选定的“参考运动”而成为比较其它相对运动的“参考运动”。故此，人们可以用物体在空间的瞬态位置移动量（简称“位移”）与所对应的时刻变更量（简称“时间”）之比值（简称“速度”）来表示被观察物体处于何种相对运动状态中。“速度”不变，表明被观察物体进行的是状态恒定的惯性运动；而“速度”改变，则表明被观察物体相对处于状态正在变化着的非惯性运动状态中。 既然“时间”乃是在大自然运动物体世界中，人为选择出来作为对物体运动过程进行对比分析的标准参照运动，脱离运动本身去找寻所谓的“时间物理量”，也就等于是在追寻哲学上所说的“自在之物”了。 五、重新认识力概念 物理学是研究自然物质世界中的实际现象的学问，它最基本要求就是所作的理论分析必须能够进行直接或间接的实验检验。因此，我们在空间给定的参照系必须要有确定其实际存在的保证物体。如果我们在空间任意给定的参照系本身都没有保持其存在的前提条件，我们就不可能用力学实验来测定某个物体在这个虚构的参照系中真实受到的作用力是什么状况。非但如此，如果在空间给定的参照系本身的运动状态还会随着被观察物体的运动状态改变而发生变化，我们也不能用力学实验准确地测定出相对于该参照系处于非静止状态中的运动物体在该参照系中的真实受力状况。为了保证力学实验能够准确地测定出相对于该参照系处于非静止状态中的运动物体在该参照系中的真实受力情况，就必须要求被观察物体的运动无论发生什么变化，给定参照系本身的运动状态都不应受其影响。现代系统运动力学告诉大家，建立在系统质心上的参照系可以满足被观察物体的运动无论发生什么变化，给定参照系本身的运动状态都不会受其影响的要求。 与此同时，量子物理学已经告诉人们，力是物体间进行的能量交换过程，它显然是与参照系无关的作用过程。为了区别起见，我们把物体间实际进行着的能量交换过程称为真实力，而把物体相对于某个系统质心参照系所测定的作用力称为示值力。由于能量守衡定律与参照系无关，反应物体间进行的能量交换过程特点的牛顿第三定律必然也是与给定参照系无关的一般力学定律。所以，人们可以按照独立作用原理通过实验的方式，先将两个物体间存在的真实力与两物体间的相对距离以及运动状态等相关的函数关系确定出来，然后再把它们作为已知条件来使用。然而每个物体在包括它在内的各个指定物体系统的质心参照系中可以表现出不同的示值受力，只有在给定的参照系属于惯性参照系之时，用实验测定的示值作用力才与系统内物体间实际进行着的相互作用力等同，我们也才可以用实验方式建立起真实力与物体间的相对距离以及运动状态之间的对应关系。理论和实验都证明建立在完整物体系统质心上的参照系属于惯性参照系，人们可以根据系统运动力学对实际物体的运动规律作出正确的数学分析，并用实验手段进行检验。 为了定量的描述物体的运动规律，人们必须在选定的参照物上建立起适当的可用于分析应用的“坐标系”。物质世界具有的运动不灭永恒惯性在人们能够进行实验检测过程中实际表现出来的相对稳定性，乃是保证人们能够可以正确的进行数学分析的条件。而构成自然物质的基本粒子在微观领域出现的“测不准”和在高速运动时发生的“测不了”现象，则从理论上给出了系统运动力学在现实物质世界中受到的应用极限。大家知道，数学是从现实中抽象出来的专门研究数量变化逻辑规律的学问。当人们把笛卡尔坐标系当成现实的实际空间之时，也就意味着现实空间必须是理想化的绝对空间。所以，当人们把建立在理想化的坐标系中推演得出的结果都认为是能够发生在现实自然世界中的现象之时，也就是在干着自己欺骗自己的事情了。 总起来说，在经典牛顿力学中，人们并不注意每一个给定的物理量都必须要追查它的来源，随便假定一个物体受到了某个作用力作用，就要求解答出该物体相对于某个指定的参照系所具有的运动规律。这种把研究对象孤立起来进行分析的方式，导致了牛顿力学必然会被一知半解者引入歧途之中。人们在21世纪初的接受到的系统运动力学，已经从根本上纠正了经典牛顿力学之中存在的错误。它十分清楚地告诉大家，必须从整个群体物质系统来观察分析物体间所进行的相对运动，其中的每一个物体受到其它物体给以的作用都必须是客观存在的事实。人们不可以凭空捏造出与客观规律相抵触的莫须有物理量来制造并不存在的事端。人们在进行理论上的分析时，一定要注意它的可适用范围条件。一旦超出了能够正确适用的上下限范围条件，所进行的数学分析就将失去意义。这个要点即是物理学与数学之间的分水岭。 六、正确理解相对性原理 （注释：本文用“**1/2”表示开平方） 按照伽利略提出的相对性变换原理，人们通过实验检验手段，只要找到了一个实际存在的可以应用力学定律对被观察物体的运动规律进行分析研究的惯性参照系，凡是建立在相对于该参照系作匀速直线运动的实际物体上或实际不存在的假想物体上的参照系，都可以应用牛顿第二定律对同一个被观察物体的运动规律进行定量的数学分析。因此，人们不可能发现真正驻定的相对于绝对空间处于静止状态的参照系。但同时也必须看到，只要对加速度再求一次导数，人们就能够得出另外一个新的力学定律：作用力的变化率等于被作用物体的质量乘上该物体的加速度变化率。这个新力学定律对彼此保持做相对匀加速运动的参照系具有完全相同的数学表达式子，人们当然也可以将它理解为对相互保持作匀加速运动的参照系也成立的另外一个相对不变性原理。但除非是这么做能够对人们的研究工作带来某种有使用价值的内容，否则那就仅仅不过是在玩玩没有实际意义的数学游戏而已了。 事实上，相对性变换原理并不是自然界中的物质运动必须遵循的基本规律。譬如：相对性变换原理对能量守恒定律就不成立。能量守恒定律是自然界中最基本的运动规律，无论人们是否建立起了物理学理论，它都不会受到影响。一个物体实际具有多少能量，不会因为人们在空间选择了不同的参照系来做观察基准而发生改变！人们在空间选择的各个参照系，有的可能正确反映出被观察物体实际具有的可进行交换的动能值，但更多的情况是不能够正确反映出被观察物体实际具有的可进行交换的动能值。 严格地说，伽利略相对性变换原理对动量守恒定律在数学上也已经不再保持成立。大家知道，对于速率不等的每一个惯性参照系，被观察物体系统的动量总和在该物体系统未受到外部作用力作用时将对应保持为不同数值的常数。如果这种描述也算是符合相对性变换原理的话，人们完全可以如法炮制，将牛顿第二定律改成另外一种描述方式：即任意每个物体相对于理想的匀加速参照系具有的加速度乘以该物体质量与作用在该物体上的力之差恒等于某个常数。我们不需要引入莫须有的假想“引力场”，就已经完成了爱因斯坦建立的广义相对论所要实现的期望目标。然而，进行这种描述上的改变并没有解决任何实质性问题，人们只是把无法寻找理想的惯性参照系这个难题，变成了无法寻找理想的匀加速参照系难题！其实，理想的匀加速参照系和理想的惯性参照系都不是应用牛顿力学定律的必要条件。 在涉及到光的干涉现象时，大家知道，由相干光束产生的干涉景象在实际空间中都有自己对应的分布状况，不管人们是否借用光线接受屏去进行观察，干涉条纹在空间的分布位置都已经确定。换句话说，相对于其它与麦克尔逊干涉仪不保持静止状态的任何参照系，在麦克尔逊干涉仪器光线接受屏上呈现出来的干涉条纹都不是处于静止状态中的“不移动空间线”。人们在与干涉仪器不保持静止状态的运动参照系中，用矢量合成法则变换出来的相对于该运动参照系的光速计算得出的两路相干光之间出现的光程差，与建立在地面静止点上的参照系中用相对于该静止参照系的光速计算得出的光程差已不再保持相等。由于在19世纪末人们还没有发明出激光器，人们在那时做光学干涉实验，两束相干光的光程差不能相差太大，著名的麦克尔逊干涉仪也就只能设计成两条臂长相等的光路。 接着再看一下质速关系式子的情况，我们根据牛顿第二定律和质能换算关系E ＝ KM 可以推导出： M2＝ M1 [（1-V1×V1/K）/（1-V2×V2/K）] 其中K ＝ CC ，特解为： M ＝ m [1/（1-V×V/K）] 按照约定，物体在运动速度为零时的质量m称为静质量，而物体在运动速度V不为零时具有的瞬态质量M称为动质量。在彼此互相保持作匀速运动的任意两个惯性参照系中，质速关系式子应该如何进行应用？举例来说，在地面测量出两个静止质量完全相等的物体A与B，将它们加速后，分别以相同的恒定速率V朝相反方向运动，相对于分别建立在这两物体上的惯性参照系来看，处于相对静止状态中的A物体或B物体与相对于地面参照系处于运动状态中的B物体或A物体，它们实际具有的质量究竟是一样大，还是谁更大一些？计算发现，当把与地面保持静止的惯性参照系改到相对于地面具有速度V的参照系上后，A 、B两个物体具有的动能E′＝(1/2)m[(2V)×(2V)] ＝ 2mVV,已经比在地面参照系中计算出来的数值E＝ (1/2)mVV＋ (1/2)mVV ＝ mVV 大了一倍。而地球相对于建立在A物体或B物体上的参照系将会计算出更加巨大的动能来！这些多出来的能量显然与能量守恒定律不符合。而根据质能换算关系E ＝ KM ＝ CCM ，如果在计算过程中产生出了莫须有的新增能量，也就必然会产生出莫须有的新增质量来。由此可见，质速关系式子的正确应用，必须要有一个能够可靠地确定出物体的静止质量的参照系作为基准。经典意义上的伽利略相对不变性原理在这里已经完全失效。 到目前为止，人们对相对性原理的认识实际上出现了3种不同的理解：第一种要求在进行坐标变换时数学公式的表达形式保持不变；第二种是要求在不同坐标系中使用本参照系中的物理量进行计算时应具有完全相同的数学表达形式；第三种只要求物理学的定律在叙述上保持相同。牛顿第二定律符合第一种理解意义上的相对不变性原理。机械能守恒定律符合第二种理解意义上的相对性原理。牛顿第一定律和动量守恒定律符合第三种理解意义上的相对性原理。如果把光波在真空中传播时保持波长不变，并依据它来判定相干光之间的位相差相对于不同参照系也保持相同的话，似乎也可以使光波的干涉现象符合第三种理解意义上的相对性原理。从理论上讲，人们完全可以人为的自己定义相对性原理，但必须把具体的意思表达准确。只要做到了这一点，人们在相对性原理上产生的种种分晳就不难求得一致了。 七、对迈克尔逊干涉实验的重新分析 （注释：本文用“**1/2”表示开平方） 在19世纪80年代之前，人们对光的认识完全有别于其它物体的运动。人们以为在宇宙空间充满着一种称之为“以太”的特殊粒子，这种“以太”粒子与物质粒子之间没有任何相互作用，因而不会阻碍物质的运动。“以太”粒子与绝对空间保持着绝对静止的状态，光线就在这种“以太”海中以恒定不变的速度进行传播。牛顿设想的理想惯性参照系，也就是相对于“以太”海处于禁止状态或作匀速直线运动的坐标系。 1881年，麦克尔逊专门设计了一个被后人命名为“麦克尔逊干涉实验”的光学实验来检验这个假说是否正确。根据矢量合成法则， 如果光线确实是在与绝对空间保持绝对静止状态的“以太”海中以恒定不变的速度进行传播，在相对于“以太”海以速度V运动的地面参照系中，光线在纵向光路前进的速度等于[（CC-VV）**1/2]，在横向光路上向右前进的速度为C－V，经镜面反射后返回向左前进的速度为C＋V。这样，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差将等于： ΔT＝ 2L/[(CC-VV)**1/2]－ [ L/(C+V)+L/(C-V)] ＝{2L/ [(CC-VV)**1/2] }{ 1 － C/[(CC-VV)**1/2]} 当人们在水平地面上把麦克尔逊干涉仪转动90度时，先前的纵向光路和横向光路正好对调，麦克尔逊干涉仪在转动90度的前后两种状态下，两束相干光在互相垂直的光路上走过的时间之差刚好相反，总差值为2倍的ΔT。这样，人们从光线接受屏上就应该看到由传播方向互相垂直的两路相干光所形成的干涉条纹将发生移动，但实验的结果是没有发现干涉条纹有任何移动。同物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子与绝对空间保持着绝对静止状态的假说本来已经很牵强，原先以为光线是在这种“以太”海中以恒定不变的速度进行传播的设想又遭到了实验的否定，人们只能判定：在宇宙空间并不存在与物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子。 对于这个结论，19世纪末的物理学家并不是马上都能够接受。洛仑兹在当时就提出了一个物质分子力“收缩假说”，他认为在横向光路上，由于克尔逊干涉仪以速度V相对于“以太”海运动，物体在这个方向上将发生分子力收缩，克尔逊干涉仪的横向臂长将按照1 ：[（1-VV/CC）**1/2]的比例缩短。于是，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差修正为0。 这样，麦克尔逊干涉仪在转动90度的过程中，干涉条纹不发生移动的现象似乎就得到了理论上的解释。 显然，洛仑兹提出的分子“收缩假说”在原理上难以成立。彭加勒当时就批评说这种做法不自然。人们只要将麦克尔逊干涉仪的纵、横向光路改成不等长的光路，洛仑兹提出的分子“收缩假说”就不能在横向臂长上给出一个可以准确确定出来的缩短比例系数。特别要提请注意的是：我们让麦克尔逊干涉仪的横向臂长固定，只是改变其纵向臂长，也要引起横向臂长收缩系数变化，这是在道理上难以说得过去的事情。 如何解释麦克尔逊干涉实验，在经过多种尝试努力之后，爱因斯坦提出了一个新的假设认为：在所有相互作匀速直线运动的坐标系中，光在真空中的传播速度都完全相同。确实，按照爱因斯坦提出的这个“光速不变原理”假说，很容易在地面参照系中将克尔逊干涉实验结果解释掉。即在与麦克尔逊干涉仪处于静止状态的地面参照系中，根据爱因斯坦提出的光速不变原理，光在纵向光路和横向光路上的传播速度都相同，等于真空中的传播速度C，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差就等于0。无论将麦克尔逊干涉仪转动多少度，干涉条纹都不应该发生移动。可是，当我们在相对于地面参照系具有相对运动速度-V的某个指定参照系中来分析与地面保持静止状态的麦克尔逊干涉仪的情况时，事情就不那么简单了。 根据爱因斯坦提出的光速不变原理，光在任何方向上都句有相同的传播速度C。但是请注意，在运动参照系中，麦克尔逊干涉仪将以速度V作相对运动。在纵向光路上，由于全反射镜以速度V运动，与V同方向前进的光线在穿过45度半透半反射镜后，继续前进到达全反射镜时，所经历的路程是LC /（C-V）。同样，由于45度半透半反射镜也以速度V运动，在纵向光路上，被全反射镜反射回来的光线在到达45度半透半反射镜之时所经历的路程是LC /（C+V）。与此同时，在纵向光路上，由于整个干涉仪器以速度V运动，光线被45度半透半反射镜反射后，从45度半透半反射镜位置前进到全反射镜位置时，所经历的路程是LC/[（CC-VV）**1/2]。同样，由于整个干涉仪器以速度V运动，被纵向光路上的全反射镜反射回来的光线在到达45度半透半反射镜之时，所经历的路程也是LC/[（CC-VV）**1/2]。这样，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差将等于： ΔT ＝2LC/{C[(CC-VV)**1/2]} － {LC/[C(C+V)]＋ LC/[C(C-V)]} ＝{ 2L/ [(CC-VV)**1/2]} { 1 － C/[(CC-VV)**1/2]} 于是，要想在相对于地面参照系具有相对运动速度-V或V的运动参照系中分析与地面保持静止状态的麦克尔逊干涉实验时，也能够计算出两束相干光之间的时间差为0 ，就只能假设在横向光路上，麦克尔逊干涉仪的臂长将按照1 ：[（1-VV/CC）**1/2]的比例缩短。显而易见，只要将麦克尔逊干涉仪的纵、横向光路改成不等长的光路，人们就不能给出一个可以准确确定出来的缩短比例系数。爱因斯坦提出的光速不变原理同样面临着与洛仑兹提出的分子“收缩假说”一样的问题。 不仅如此，根据光速不变原理，光在真空中的传播速度与接受者的运动状态无关，光在遭到镜面等物体反射时，反射光在非实物真空中的传播速度仍然等于入射光在非实物真空中的传播速度，但反射光的波长和频率会随着镜面相对于非实物真空中的光传播媒介物质所作的相对运动进行改变。经过纵向光路出来的光线频率已由于45°半透半反射镜相对于指定参照系以速度V运动而发生了相应地改变，同时经过横向光路出来的光线也因为全反射镜和45°半透半反射镜相对于指定参照系以速度V运动，其频率先后发生了两次相应地改变，只是两次频率的改变正好相反，最后到达光接受屏处的频率与入射光频率保持相同。这样，从纵向光路出来的光束与从横向光路出来的光束将在频率上会有所不同，它们在发生干涉时将产生“拍频”，干涉条纹应该出现时明时暗的交替变化。当V值取的比较小时，这种明暗交替的变化应表现得很明显；而当V值取的很大时，两束光线已经不能产生干涉，在光接受屏上看到的应该是均匀的明亮光斑。人们在实验中从来没有看到过这种根本不可能发生的情况！其实，人们只要将与绝对空间保持静止状态的“以太”海改成可以与地面保持作任意匀速运动的“真空”海，光线在与绝对空间保持静止状态的“以太”海中以恒定不变的速度进行传播，就变成了光相对于不受实际条件限制的任何一个惯性参照系都具有完全相同的真空传播速度。新的假设虽然能够把与干涉仪器保持静止状态的地面参照系中出现的光程差计算困难消除掉，但是它却引来了更严重的恶果。那就是替代“以太”构成真空的“非实物粒子”是比“以太”粒子更让人们难以理解的特殊物质，它怎么可能同时与任意两个相互作匀速直线运动的坐标系都处于静止状态呢？如果确有其事，在与光速有关的物体相对运动观察中，人们就将得出违背数学基本规则的速度叠加计算式子： C ＝ C ＋ V1 ＝ C ＋ V2 ＝ …… 这显然不可能成立。 宇宙空间并不存在完全没有物质的绝对真空。光线既能在具有构成实物的基本粒子的空间中传播，也能在没有构成实物的基本粒子的空间中传播。人们以往所说的真空，实际上指的是只存在不构成实物的基本粒子的空间。光在物质媒介中的传播速度，将由分布在宇宙自然界中的光传播媒介物质所决定。人们可以设想光在没有实物粒子的空间中，光源向任何方向发出的光线相对于光源周围的非实物传播媒介物质都具有完全相同的传播速度。无论是相对于建立在地球表面某个点上好用的惯性参照系，还是相对于建立在太阳或其它星球表面某个点上好用的惯性参照系，光相对于这其中的任何一个惯性参照系都具有完全相同的真空传播速度。光在真空中的传播速度既与光源的运动状态无关，也与接受者的运动状态无关。对安置在地面上与地面保持静止的麦克尔逊干涉仪来说，由于在地球表面空间中的所有存在物质都要受到地球万有引力的作用和惯性定律的制约，干涉仪周围空间中的非实物粒子都相对地面处于静止状态中，人们根据光在真空中传播时其速度永远等于某个常量的理由，完全能够解释麦克尔逊干涉仪在地面上转动方位后干涉条纹不会发生移动的事实。但是这个解释理由充分得过了头！人们在麦克尔逊干涉实验中，把其中一个相干光走过的光路改成玻璃或水等可传播光线的实物介质，另一个相干光走过的光路仍然为非实物粒子的真空，无论人们在水平地面上把麦克尔逊干涉仪转动到哪一个方位，都不会从光线接受屏上看到干涉条纹有任何移动。人们显然不能据此推断说：光在真空及其它可传播光线的实物介质中都是相同的速度。 实验证明，光在不同传播媒介中的运动速度不同，本质上是光在不同传播媒介物质中传播时具有不相同的波长。好似人在好走的路上行走时迈出的步子会大一点，在难走的路上行走时迈出的步子会小一点。但只要人走过的路线及其起始、终止位置已经确定，不管人在行走时的速度是快是慢，他所走过的路程都完全相同。由于光在均匀的每一种传播媒介物质中传播时所具有的每个波长都十分恒定相等，光在确定的空间路线经过后，它需要“迈出”的波长“步子”数值，就已经由具体经过的几何路程及其在传播媒介物质中所特有的波长长度完全决定了。人们可以在麦克尔逊干涉仪器的45°半反半透镜与互相垂直的全反射镜位置各安装上1个滑轮，分别用两根完全一样的黑白相间的链条沿着“麦克尔逊干涉实验”中两条相干光线经过的光路拉起来，在这里，黑色链子用以表示光波的负半波长，白色链子用以表示光波的正半波长，每个黑色链子与每个白色链子的大小完全相同，当人们以飞快的速率同时拉动汇合在一起出来的两根链条，或是以很缓慢的速率同时拉动汇合在一起出来的两根链条时，都会看到汇合在一起出来的两根链条上黑白链子之间挫开的位置变化永远保持着完全相同的距离，它们只与两根链条沿着两条相干光线经过的光路长度有关。按照波动理论，两条相干光束所产生的干涉条纹只与它们之间的位相差有关，两条相干光束走过的光程差保持不变，也就等同于它们之间的位相差没有发生变化，“麦克尔逊干涉实验”除了否定光是在绝对静止的“以太”海中以恒定不变的速度进行传播外，只是证明了光在真空中传播时其波长保持不改变！正是由于光在真空中传播时其波长保持不变，而且这是与参照系的运动状况无关，显然可以在任意参照系中直接传递应用的事实。人们在20世纪后期，已改成采用光在真空中传播时的波长来作为长度计量的基准。 有人提出，可以把麦克尔逊干涉仪看成一个系统，在运动系中看这个系统的质量增加了，因而作为系统一部分的光子的能量也应该增加，从而使光子的波长也按洛仑兹收缩缩短。如果这种见解属实，就意味着干涉条纹之间的间隔也要发生相应变化。然而实际情况是，干涉条纹没有发生移动，干涉条纹之间的间隔也没有发生变化。此外，采用扬氏双缝干涉实验，可以更加简单明了的证明不存在这种波长会按洛仑兹收缩系数缩短的推测。 从原理上讲，真正的“光速不变”，只有在只使用同一个光源发出的光线在空间传播呈现出来的波长和振动周期同步定义长度与时间的单位标准，并永远将其作为长度与时间的计量基准时，该光源发出的光线相对于任何参照系测量出来的相对运动速度才是一个由定义造成的比例常数。人们在做光学干涉实验时，从同一个光波分解出来的两束相干光已经分别扮演了担任长度计量基准与时间计量基准的角色，人们当然也就不能通过所做的光学干涉实验，发现光在传播过程中相对于不同运动速度的参照系是否发生了相对速度上的改变。所以，人们得出光在真空中的传播速度相同，与光源的运动状态无关的结论，其判断根据是人们在对天体的观察中发现所有星体的光行差都相等，并不是来源于在实验室中所做的光学干涉实验。鉴于人们不可能在任何场合中或任何情况下，都只用惟一的一个发光光源发出的光波同时既作为空间长度的计量基准，又作为标准时间的计量基准，人们根据定义得到的“光速不变原理”在实际的研究工作中没有使用价值。它反而到是提醒人们，在对物理世界中的物体相对运动作理论上的研究探讨时，一定要注意防止由于人为给予的某种规定所导致的误会理解。 CCXDL 2001年7月24日 |