我给出了光的另一个参考原则。

对相对性原则的进一步思考

一、光的参考原则

袁树广

说起光的参考原则，我们能够想到的应该有两个：一、光媒质以太，二、爱因斯坦的光速不变原理（也可以笼统地说是爱因斯坦的相对论）。这似乎也是目前物理学中仅有的两个光的参考原则。光媒质以太是在爱因斯坦相对论之前出现的，要谈论光的参考原则就应该先谈论光媒质以太。对于光媒质以太我并不是很清楚，不过我查了一些资料并简单的整理了一下，我便给出了下面的概述。

自从19世纪初光的波动说复活，光媒质以太就成了物理学家关注的焦点之一。当然，现代的人们对于以太似乎没有那么关注了。在当时，菲涅耳和斯托克斯对于以太有着不同的看法。菲涅耳认为：地球是由多孔的物质组成的，以太在其中运动几乎不会受到阻碍；地球表面的空气的折射率接近于1 ，说明地球表面的空气不能或是只能极轻微地影响以太的运动状态，我们可以把地球表面的以太看成是静止的。斯托克斯认为菲涅耳以一切物体对于以太来讲都是透明的为基础建立起来的理论是不能被容许的。他认为：在地球表面以太与地球的运动速度相同，地球可以完全地拽引以太；在远离地球表面足够高的地方，可以认为以太是静止的。事实上，人们普遍接受的是菲涅耳的以太观点，因为菲涅耳的静止以太说能够很好的解释光行差现象。

按照静止以太说的观点，由于地球的公转速度为30千米每秒，地球的表面应该存在"以太风"。为此，迈克尔孙和莫雷在后来做了在物理学史上具有重要意义的迈克尔孙-莫雷实验。根据理论计算，实验中干涉条纹的移动量应该是0.37，而实际的测量值还不足0.01。迈克尔孙和莫雷认为：地球和以太之间存在着相对运动的话，这个相对速度可能不足地球公转速度的六十分之一，肯定不足四十分之一。他们在实验报告中说："似乎有理由确信，即使在地球和以太之间存在着相对运动，它必定是很小的，小到足以完全驳倒菲涅耳的光行差解释。"事实上当时的人们并没有认为该实验是具有判决性的，迈克尔孙本人也不认为自己的实验结果有什么重要的意义。应该肯定的是这一实验结果引发了物理学界新的思考，而物理学界对于以太的处理方式似乎可以说是不了了之。

爱因斯坦在给达文波特的信中说："在我本人的思想发展中，迈克尔孙的结果并没有引起很大的反响。" 爱因斯坦认为：真空中光的传播定律必须由一个能与相对性原理一致的较为复杂的原则取代；这是因为相对性原理自然而简单并且在人们的思想中具有很大的说服力；但是，理论物理学的发展说明了我们不该遵循这一途径。他认为新的理论应该与电动力学的理论协调起来。于是，他较深入的分析了时间和空间的物理概念，让人们看到相对性原理和光的传播定律（真空中光速恒定定律）没有丝毫的抵触之处。这样他完成了他的狭义相对论，光也就有了新的参考原则。对于爱因斯坦的光的参考原则我就不做分析了，我的看法早在前面的分析中说明了。

爱因斯坦在他的《狭义与广义相对论浅说》中说："在物理学中几乎没有比真空中光的传播定律更简单的定律了。学校里的每个儿童都知道，或者相信他知道，光在真空中沿直线以速度c=300，000千米每秒传播。无论如何我们非常精确地知道，这个速度对于所有各色光线都是一样的。因为如果不是这样，则当一颗恒星为其邻近的黑暗星体所掩食时，其各色光线的最小发射值就不会同时被看到。荷兰天文学家德西特根据对双星的观察，也以相似的理由指出，光的传播速度不能依赖于发光物体的运动速度。"按照麦克斯韦的理论，电磁波是横波，在真空中的传播速度是c=1/()，这是一个常数。在数值上，这个速度c的大小与已测得的光速的大小吻合得相当好。麦克斯韦得出的结论是：光是一种电磁波，c也就是光在真空中的传播速度。这也是现代物理学界普遍接受的结论。由此看来，光速在真空中应该是非常稳定的，而且光在真空中的传播速度应该相对于空间中某些物质具有的某些属性是恒定的。

谈论到了这里还要进一步讨论这个问题的话，得出的进一步的结论的可靠性将会大减，所以我本不应该继续讨论这个问题了。可是，我知道没有多少物理学的基础理论工作人员能够绝对肯定的说自己的研究结果不是物理学史上的一个过程，所以我觉得我在这里对光的参考原则做进一步的假设也不是不可以的事情。下面是我对光的参考原则的进一步的分析。

麦克斯韦的理论告诉我们光速在真空中或是介质中具有相应的恒定性。这是说光在真空中或是在介质中都是以一个确定不变的速度传播，这个速度的数值会随着介质的变化而变化。由前面我对爱因斯坦相对论的分析得到的冲突可以看出，光速恒定对于任意的物体来讲是无效的。而一些观测到的数据（如迈克尔孙-莫雷实验）告诉我们，光速恒定对于任意的物体来讲又具有一定的有效性。这看起来似乎有冲突在里面，这倒不是十分重要的事情；重要的是新的光的参考原则要解决这些问题，当然其中也包括这个看似冲突的冲突。

要想解决上面的问题，我不认为这是一件简单的事情。在探求新的光的参考原则之前，我们不妨看一看宏观物体的参考原则。在宏观上，我们说一个物体A相对于另一个物体B在以速度v运动时，我们的立足点是物体A是静止的，我们要进一步说明的是物体B的运动状态，我们也可以反过来以物体B的运动状态为立足点。这是一条简单合理的参考原则，我们在没有比较充分的理由说明它不合理之前，我们是不应该提出一个与这一原则有冲突的光的参考原则的。在我看来，爱因斯坦相对论的提出表现出了与这句话中的观点的不一致。在上面，我们除了可以看出新的光的参考原则不应该和宏观上的参考原则冲突之外，我不知道大家有没有发现别的什么。在我看来：无论是以物体A还是以物体B为立足点，立足点都是物体的一种运动状态；被描述的物体不管它的运动速度如何，我们要描述的也是它的运动状态。这样看来，我们是在以物体的运动状态为标准来描述物体的运动状态的。我们为什么不对光也这么做呢？这样做的话，光的参考原则就与宏观上的参考原则具有完全相同的形式，它们之间也就不会有冲突了。

我们知道光是一种电磁波，电磁波的本质就是电磁场，那么我们可以假设光速相对于电磁场是恒定的。这样光的参考基础就有了，这个参考原则承认了光速的恒定性。由于参考基础是单一的电磁场，那么光速恒定对于任意的物体来讲就是无效的了。光速恒定对于任意的物体来讲具有一定的有效性，则说明电磁场与物体之间还有一定的关系，而不是说这个问题无法解决。由此看来，这样的一种选择是具有一定的可行性的。所以，我认为光的参考基准应该是电磁场。

袁树广，qingguke@163.com

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袁树广