|
作者 张祥前 【本文大写字母为矢量】 很多人学习相对论，得出一个印象，相对论中光速是一个常数，就是光每秒走30万公里，称之为光速。并且，当光源相对于我们观察者以速度V（V大于0）运动的时候，光仍然是每秒走30万公里，这个就是著名的相对论光速不变。 其实，相对论中光速在某些情况下可以小于每秒30万公里，某些情况下可以大于每秒30万公里，某些情况下可以为无穷大。 相对论中严格的讲，光速为一个常数，是在以下情况下： 1，当光源相对于我们静止的时候，光从光源出发，以每秒30万公里向周围空间运动，这个光速是恒定的常数。 2，当光源相对于我们观察者以速度V运动的时候，光从光源出发，相对于我们观察者以每秒30万公里向周围空间运动，这个光速也是恒定的，是一个常数。 当光源相对于我们观察者以速度V运动的时候，沿速度V方向的光速相对于我们观察者来说仍然是每秒30万公里。 但是，沿速度V方向的光速相对于光源【在我们观察者看来】是每秒30万公里减去V。 沿速度V垂直方向的光速相对于光源【在我们观察者看来】是√（每秒30万公里的平方减去V的平方）。 相对于我们观察者，两个外星飞碟以光速相对飞行，对于我们观察者来说，两个外星飞碟相对之间的速度是每秒60万公里。 相对论中什么情况下光速可以为无穷大？ 设想一个外星飞碟相对于我们观察者以光速运动，飞碟内部的外星人打开一个手电，发出的光在外星人看来是每秒30万公里。 但是，在我们观察者看来，这个外星人手电发出的光速度可以是无穷大，严格的讲是可以趋向无穷大，无穷大和趋向无穷大是有区别的。 在物理上，零和趋向于零也是有区别的，比如，我们在地球上上抛一个石头，由于地球重力的作用，石头的速度逐渐的减少，最后变成了零，然后又开始以自由落体的形式下落。这个过程中石头的加速度一直是恒定的，从数学上讲，速度为零，我们将速度对时间求导数，得到的加速度也是零，这里似乎出现了矛盾，但是，我们把速度为零改为速度趋向于零，这个矛盾就可以消除。 上面说到的外星人飞碟以光速相对于我们运动的时候，外星人飞碟内部光的速度为什么相对于我们观察者可以趋向于无穷大？ 因为，外星人飞碟一旦相对于我们观察者以光速运动，飞碟内部的沿运动方向的空间长度相对于我们观察者为零。 无论什么东西，以一个恒定的速度从a点向b点运动，a,b两点之间的距离越小，所需要的时间就越短，当a,b之间的距离趋向于零，运动就是不需要时间了，一旦运动不需要时间，我们也可以认为这个东西的运动速度趋向于无穷大。 外星人飞碟以光速相对于我们运动，在我们观察者看来，飞碟内部沿运动方向的空间长度趋向于零，飞碟内部的一束光和飞碟的运动方向一致，这一束光的速度在我们观察者看来可以趋向于无穷大，当然也可以说这个光速趋于零或者是不确定。 光速能不能看成矢量，相对论中没有深入讨论，按照相对论看法，光速与光源的运动速度无关，与观测者的选择无关，与时间无关，与空间位置无关，纯粹一个常数，所以，相对论倾向与认为光速不能够看成矢量，换句话，讨论光速的矢量性是没有意义的。 不过，光速作为矢量首次出现在电磁波方程中。 麦克斯韦方程指出，静止电荷在周围产生静电场，当电荷加速运动的时候可以产生在原来静电场垂直方向的加速电场和加速磁场，并且，加速电场和加速磁场、传播速度三者相互垂直，是以光速向周围空间传播，麦克斯韦方程认为这个就是电磁波。 如果认为这个电磁波传播速度光速可以为矢量C，则矢量光速C和加速电场E、加速磁场B是相互垂直，并且满足以下数学关系： B = C×E/c² 其中c是矢量光速C的数量，也可以认为c是标量光速。 统一场论【百度 统一场论5版（上）可以搜到】明确认为光速在某些情况下可以表现为矢量，和光源的运动速度有矢量函数关系。 统一场论为了区分，把矢量光速叫光速度，用粗字体C表示，C可以变化。光速速率叫光速率，用细字体c表示，c不变。沿坐标的光速度叫光速，可以变化。 统一场论这种对光速的看法，本质上不是和相对论相矛盾的，应该是相对论对光速的认识有缺陷。 统一场论对光速这些新认识和相对论本质是一回事情，我们还可以利用光速不变求出光速度C和光源速度V之间的数学关系。 设想有惯性参考系xyo和x’y’o’相互以匀速度V沿x轴正方向动，
在t = 0时刻，o点和o’点重合，一束光从光源（静止于o’点）出发。 按照相对论的看法，x’y’o’系的观测者认为，这一束光沿y’轴方向，速度为c。 在x,y,o系的观测者认为，这一束光沿y’轴方向的速度为√（c²- v²）。 统一场论的看法是，在x,y,o系的观测者认为，这一束光相对于光源的行进路线偏离y’轴一个角度B , 方向沿o’p 。沿o’p 方向的这一束光的速度看成矢量光速度C，C在y’轴上投影为 √（c²- v²） C标量光速，v是速度V的数量。 统一场论认为，光速度矢量的方向是可以变化的（模不变），随光源的运动速度V的变化而变化，二者满足于以下关系： sinB = v /c 由以上关系，我们很容易知道，光速度C【数量为c】和光源速度V【数量为v】以及它们之间的夹角A满足以下关系： cos A = v /c 由上式可以导出sin A = √（1- c²/ v²）这个实际上是相对论因子产生的原因。 |