|
七、运动光学和牛顿时空观
1、 在上节中,运动光学已经把迈克尔逊—莫雷实验的零效应现象,剖析的清清楚楚。把迈克尔逊—莫雷实验,从为爱因斯坦狭义相对论的建立开辟了道路的基础实验的地位上拉了下来,而成为一个选错了检测方法的一个特定的失败实验。由此,原来因该实验的“否定结果”而被爱因斯坦狭义相对论所扬弃的绝对静止参考系,也应该被恢复。并且,牛顿时空观,同样应该从几乎被完全否定的边沿,恢复至“比较辨证地绝对时空观与相对时空观相统一、相结合的时空观”(见本书第1页第19行)值得尊崇的位置上来。这是物理学工作者和科学史工作者应该努力做到的事情,这也是笔者在本节需要尽心尽力阐发的主要内容和任务。
关于运动光学中的光在真空介质中的传播原理的几点思考。
让我们从运动光学中的光在真空介质中的传播原理,即光的初始扰动具有两重性的
原理谈起吧!原理有三条,核心在第三条,第三条是:
光波在真空介质中,从初始扰动起,就不再受光源运动的影响,而以速度 C 开始自己独立的传播过程。
这一句话,包括推论有四层含意。
第一层含义是:
光波是从初始扰动开始的,在初始扰动前是属于光源的运动,受光源运动的影响,从初始扰动起才是光的独立传播过程,所以光的初始扰动是受光源运动影响的结束。
第二层含义是:
在初始扰动以前是光源的运动,光源走到哪里,初始扰动也就发生在哪里,光的初始扰动不可能脱离光源而存在。但是,一旦出现了光的初始扰动,从初始扰动起就以速度 c 开始光的独立传播过程。
第三层含义是:
光的初始扰动具有特殊性。它的特殊性就是光的初始扰动具有两重性,即光的初始扰动是光源运动影响的结束。此时光源的运动速度是 V1 ,同时光的初始扰动又是以光速 c 传播的开始。往后从初始扰动起,就是以速度 c 独立的光波传播的过程。在这个独立传播过程中,有光波振动波长λ和光波振动周期 T 以及光波传播速度 c ,三者的关系为:

第四层含义是从数学关系得出的光源对光波传播影响的推论,这是运动光学特有的,也是符合多普勒效应实际的一层含义。
( 1 )、关于光源对光波的传播有无影响,这在爱因斯坦时空观中,认为光源对光波的传播毫无影响。但是,运动光学提出的光在真空介质中的传播原理的第三条中,就确定了光源对光波的传播有一定的影响,并且将光源对光波传播的影响界定在光的初始扰动的出现点上。由此我们设;
在光源顺于光波传播方向运动,并以光源为参考系时,光波的波长,记为: 
相应的光波振动的周期,记为:。 
我们知道,两个相邻的初始扰动的距离,就是光波波长,这时,
(参看图 2 ,见表 1 )
同时,我们知道以光源为参考系时,光波的振动周期仍是 T ,所以,
(参看图 2 ,见表 1 )
这样我们可以得出,光源顺于光源传播方向运动,且以光源为参考系时,光波传播速度是:
(甲)(参看图 2 ,见表 1 )
上式中光源与光波传播方向相同时,光速并没有因光源的速度 V 而增加速度,反而在以光源为参考系时光的传播速度减少了 V1 (光源的速度),这当然不是属于伽利略变换(因为按伽利略变换在这种情况下,应该是速度的惯性相加。而(甲)式是属于光学范畴的运动光学变换应当得到的结果。也是符合麦克斯韦电磁理论的,因为运动光学坚持了光在真空介质中的传播速度是恒值 C 。
( 2 )、在光源逆于光波传播方向运动,并以光源为参考系时,光波的波长,记为:, 相应的光波振动一个周期,记为: 。
两个相邻的初始扰动的距离,就是光波波长。光源的运动,对光波传播的影响正好到光波的初始扰动。这时,
(参看图 2 ,见表 1 )
同时,我们知道以光源为参考系时,光波的振动周期仍是 T ,所以,
(参看图 2 ,见表 1 )
这样,我们可以得出,当光源逆于光波传播方向运动,且以光源为参考系时,光波传播速度是:
(参看图 2 ,见表 1 )
从上面情况也可看出,光源对光的传播速度的影响与力学中的伽利略变换不同,当两个运动速度方向相反时,在伽利略变换中是两个惯性速度相减的,而在这里不同的是一个属于惯性速度,另一个是电磁波传播速度,所以,在这里不是相减,而是 C+V ,这不是说伽利略变换不对,仅仅是说明,伽利略变换是属于力学范畴的运算,运动光学是光学范畴的运算。两者都属于牛顿时空观范围的运算,只是一个属于力学范畴,另一个属于光学范畴罢了,即便是原来迈克尔逊-莫雷实验的计算前半段,关于实验光路中的光在平行于地球运动方向的时间差的计算,也是与运动光学的计算相一致的。
( 3 )、从上面( 1 ),( 2 )两点中分别讨论了光源在顺于或逆于光波传播方向运动时,并以光源为参考系时对光波传播的影响,其表现分别是 C-V1 ,或 C+ V1 ,现在我们可设想当光源在真空介质中静止时,即光源运动速度 V1= 0 时以光源为参考时,光波的传播速度就是:
(乙)(参看图 2 ,见表 1 )
(乙)式说的是以光源为参考系(符号C右下角“1”表示以光源为参考系)可是光源在真空介质中静止(符号C的左下角go表示光源在真空介质中静止),这也就是在实际上是以真空介质为参考系时的情况,即:
(丙)(参看图2,见表1)
(乙)、(丙)两式在实际上指的是一种情形,只是表现形式的变迁而已。
2、 关于绝对静止参考系的确立和绝对空间的认识问题。
先看运动光学对迈克尔逊—莫雷实验“零效应”现象的剖析过程(以下简称:“现象的剖析过程”)中所记录的第(一)至第(六)个标识吧!
标识(一)N0=2L/λ=37288135.59
标识(二)d0=2L= N0λ
标识(三)Δd=2L-2L = N0λ- N0λ=0
标识(四)N0 = (2L / c) / T= t0 / T = 37288135.59;(请注意!标识(四)与标识(一)中的N0 数值相同)。
标识(五)t0 = N0·T
标识(六)Δt = N0T-N0T = 0
这(一)至(六)标识,说明了在绝对静止参考系(V1 = 0)的环境下,进行迈克尔逊-莫雷实验时,将得到零结果,无论是光波传播光程差Δd,或是光信号传播时间差Δt,都是“零结果”。因此爱因斯坦相对论根据迈克尔逊-莫雷实验否定绝对静止参考系的存在是没有任何数学、物理、哲学和逻辑上的理由的。标识(四)的N0 和标识(一)的N0 在数值上的相等,说明C=λ/T 的内在联系。
但是,绝对静止参考系的具体概念是什么?应该怎样理解和把握?按照运动光学理论,认为“以真空介质为参考系”就是“绝对静止参考系”的真实体现。宇宙间存在的真空介质,从本质上说,正是经典物理学家追求的“以太”介质,不过真空介质的概念更明确和客观,也更为通俗而已。
空间和真空介质有如下含义:
真空的定义:真空是纯粹空间的体现,纯粹空间就是没有任何物质填充的空间。空间的性质:
(1)、一个没有壁厚的被抽成真空的、密封的箱子在A处。箱子的真空部分就体现了A处的空间。如果箱子由A处移到B处,箱子内的真空部分就体现了B处的空间.这一过程,就是一个真空置换过程。真空置换过程,也可称为:空间无物置换过程。
(2)、任何物体在空间移动,都包含着真空置换过程,不过在这里,真空置换过程被物体的移动所掩盖而已。空间无物置换过程,不但可以透过密封容器自由进行,而且对于坚实的物体内部也可以自由进行。
(3)、空间可以被物质充斥和“抽空”,物质可以在空间运动和变化。但是空间本身则没有运动和变化,即空间无物可运动和变化,空间可以被引力场、磁场、电场所占据。但空间本身不可能发生弯曲,即空间无物可被弯曲,各种能量场的作用,无非是影响物质在空间的运动、变化、这种作用是能量作用于物质的结果,决不能把这种运动变化、改变或弯曲,归结为空间本身的运动、变化、改变或弯曲。
(4)推论1 ,空间有无限多的、相连续的“点”,各点的位置都是亘古不变的。
推论2 ,由于空间点数是无限的,空间范围无限,物体在空间始终处于运动状态。因此,一个“物体点”从来与今后都不会在同一个“空间点”上通过两次。
推论3 ,所有空间的点,除了周围的环境随时随地变化而不同外,空间所有的任意一点,在其本质特性上,与其余各点是毫无二致的。
(5)真空有电介质的作用,对此,我们可以把“真空”称作“真空介质”。前人曾有“以太”介质的设想,并导致了一些混乱,其实“真空介质”本身足以体现“以太”
介质的各种优点,而避免了“以太”说的缺点,因此,我们以“真空介质”说取代“以太”介质说。
上面5点是运动光学中重要的基本概念,也是对牛顿绝对空间的通俗解释的一部分。
3、绝对运动与绝对静止坐标系。
爱因斯坦在1920年4月4日给莫里斯。索洛文(Maurice Solovine)的信里(见爱因斯坦文集117页)写过:“。。。。。。如果光以太真的存在,并且以刚体的形成充满整个空间,而所有运动都应该以它为参照系,那末我们就可以说有“绝对运动。。。。。。”
在这里,爱因斯坦提出了可以说有“绝对运动”的条件。
爱因斯坦不愧为二十世纪伟大的科学家,他提出的“光以太”的四个必备条件,正好符合真空介质所具备的条件。
现在,我们已经有了运动光学,有了运动光学对迈克尔逊-莫雷实验的“零效应”现象的新的解释,使它不再成为否定“绝对运动”的实验基础。
其次,我们有“真空介质”说(见上文),它取代了“光以太”说,而真空介质正好满足爱因斯坦对“光以太”提出的必要条件。
那末,真空介质怎样满足爱因斯坦对“光以太”介质提出的条件呢?请看下面真空介质四条特性吧!
真空介质的四条特性:
(1) 真空介质是宇宙空间客观存在的一种电介质。(真空介质在这里满足了爱因斯坦提出的“真的存在”的介质的条件)。
(2) 真空介质具有至刚、至柔、无限、无极(均匀)的特点。
它无物可以被弯曲,又无物可以产生任何改变,这也就是真空介质的至刚特点。(真空介质在这里满足了爱因斯坦提出的“刚体的形式”的条件)
真空介质可以容纳任何物质和物体,又可以被容于任何物质和物体;它可以通过任何密封而通畅无阻,又可以进入任何坚实致密的物体(或物质)无所障碍。这就是真空介质的至柔特点。(真空介质不但具有刚体的特点,还自然具备至柔的特点。至刚至柔融为一体者,唯有真空介质)。
真空介质充满整个空间,在无物的空间被真空介质所充满,而在有物的空间,也包容着本来就有的真空介质。只不过物质的存在掩盖了真空介质的存在罢了,它无所不在。
这就是真空介质的无限特点。(真空介质在这里满足了爱因斯坦对“光以太”提出的“充满整个空间”的条件)。
真空介质,各向同性,无所集,无所散,无以密,无以疏。这就是真空介质的无极(均匀)的特点。(真空介质,不但“充满整个空间”而且自然地各向同性,均匀)。
(3)、真空介质是任何运动唯一可以参照,而且必须参照的绝对静止参考系。因为
在宇宙间只有真空介质,才是绝对静止的介质。任何一种物质的介质,都是有运动的。即任何其他的物质介质,都具有不可避免的运动。这是唯物辩证法和辩证唯物论的常识告诉我们的。(真空介质在这里满足了爱因斯坦对“光以太”提出的“所有运动都应该以它为参照系”的条件)。
(4)、麦克斯韦的电磁场理论证明:电磁波包括光波,在真空介质中的传播速度是光速c。即光在真空介质中以恒值c的速度传播。这一事实说明了真空介质作为一种介质,它的稳定性是可信赖的,这一事实也说明真空介质作为绝对静止参考系是能经锝起光波传播的检验的。
以上关于真空介质实际性质的分析,表明真空介质能够满足爱因斯坦提出的“可以有绝对运动”的关于“光以太”应具备的条件。而且最重要的是,对迈克尔逊-莫雷实验已经被运动光学理论剖析的清清楚楚,得出了符合经典物理学的解释,这样我们就没有以迈克尔逊-莫雷实验为根据的理由,再坚持不承认绝对静止参考系,不承认绝对运动了。按照一个科学家对待客观事物应有的态度来说,假如爱因斯坦在当时能够掌握我们现在所了解的情况,我们可以想象他会同意绝对运动和绝对静止参考系的客观存在的。绝对静止参考系是人们对相对静止参考系的一种科学抽象,而真空介质是绝对静止参考系在物理学上的一种真实体现。
4、关于迈克尔逊-莫雷实验原来的计算中,在光的传播方向垂直于地球运动方向时的计算中出现错误的问题。
在迈克尔逊-莫雷实验原来的计算中,当计算到光的传播方向与地球运动方向相垂直时,采用了类似于光行差的计算方式。但却是违反了光行差规律的错误的计算。下面让我们先通俗地谈一谈有关光行差的问题。
“假设有一个摩托车驾驶员,开快车朝A方向奔驰(图7)。这时,天还在下雨,雨滴垂直(假定无风)落下,如果这时候刹车不动,则B点落下的雨滴应该掉在他头上;可是,它正在前进,所以见到雨滴都落在他背后去了。只有处在前面D、E的雨滴,才先后落在他身上。也就是说:驾驶员走到C时见到向他身上落的雨滴是来自DC方向,并不是BC的垂直方向。这里面就有一个角度差。

图7:在摩托车上观察雨滴下落的方向的情况
地球,绕太阳作公转运动,地面上观测者就好比为驾驶员,以每秒约30公里(地球轨道速度)前进;而雨滴好比星光,由于地球有公转,见到恒星的光不是顺着BC、DF射来,而是顺着DC、EF照下来。这个角度θ就叫做光行差。它使恒星的方向,出现在原来方向的前面”(摘自《天文爱好者》1965年5期2页) …- - - 这说明光行差是指在光源静止(星光实际方向并没有发生变化),只是接收器沿着垂直于光波传播方向有运动时,出现的一种现象,使得光的传播方向出现角度θ(即光行差)的变化。可能是这个原因,使得在迈克尔逊-莫雷实验在计算光的传播方向垂直于地球运动方向时,采用了如下的计算:设DF=L.(见图7),CF=V2t,则DC=ct=L’=√L2+V22t2、 这个L’=√L2+V22t2,就是迈克尔逊-莫雷实验原来对OM 2光程的错误的计算。当然这一错误计算,并未影响计算的时间差的特性,与迈克尔逊-莫雷实验选错检测方法的错误相比较,是次要的。但是,这一计算恰恰不符合迈克尔逊-莫雷实验光路中光波传播的实际情况.那么,在迈克尔逊-莫雷实验的光路中,它的光源与接收器是同步运动的,在光源与接收器同步运动的情况下,接收器垂直于光波传播方向运动时,光源也在按相同的方向运动,因V1 - V2 = 0,所以,在实际上光行差等于0。这就是在上节中的标识(七)得到OM2及M2O总光程是d0 = N0λ=2L的道理。也是标识(八)得到OM2即返程M2O的总的传播时间t0=N0T=2L/c的道理。由于在迈克尔逊干涉仪中光在垂直于地球运动方向传播时的光行差(即θ)等于零。使得干涉仪中垂直臂的往返总光程和光在往返总光程和中的传播时间分别成为:“不变的光程d0=2L”和“不变的传播时间t0=2L/c”。这就是说,原来的迈克尔逊-莫雷实验计算出来的,光在垂直于地球运动方向的,光在往返总光程中的传播时间 是错误的。 ………- 5、在光的传播方向与地球运动方向相平行,光源与接收器同步运动以接收器为参考系时:波动光的传播速度总是C(=λ / T) - - 光子光(信号光)的传播速度总是C±V。
在以接收器为参考系时的波动光,不单光源与接收器同步运动时,光速总是C.即便是光源运动与接收器的运动不同步,甚至相反时,我们从表1中也可看出,波动光的光速也是C.,这是因为虽然在光波波长λ和光振动周期T,出现变动,但λ和Т的变动规
律相同,在计算光速时,波动光光速等于λ/Т=C。所以光速仍然是C。结果,在这里我们追根求源,将会找到:每个光波波前在真空介质中的传播速度是恒总值C。真空介质又是绝对静止参考系,所以,在真空介质中以恒定速度传播的,每个光波波前就组成了一个恒速流动的载体。在这个恒速的载体上运载的不同波长的光波。不管光源如何运动,留下的波动光必需顺应这个载体的速度。同样不管接收器的运动如何,它在这个载体上,接收下来的光波(波长的变化可膸接收器的运动速度不同而变化)。但是作为波动光的光速只能是该流动载体所固有的速度。这就是运动光学对以接收器为参考系时波动光光速不变的本质解释。真空介质是绝对静止参考系,是所有运动“都应该以他为参考系”才是真正的根源。 ……- - 这样以来,我们可以说在以接收器为参考系时,波动光“光速不变”是以绝对静止 坐标系的存在为前提的,而在绝对静止参考系存在的条件下,光子光(即单个光波波前或信号光)的光速随接收器的运动而变化,就成了不可避免的事实和规律。这样在两种光速同时存在的条件下,光速不变自然成为有条件的,而不是无条件的。因此,光速不变“原理”是不符合事实,不能成立的。这些事实和我们在前面由数学分析得出的运动光学规律(见表1),是相呼应的,向协调一致的。所以,爱氏相对论根据光速不变原理扬弃了绝对静止参考系,它的主要实验依据是对迈克尔逊-莫雷实验”零效应”现象的错误的理解。因而是无任何事实根据,虚无缥缈的错误理论,必须被推翻,必定能推翻,而且现在已经被运动光学理论从根本上推翻了。
传统的迈克尔逊-莫雷实验,其含义:
上面包含百年历史形成的具有传统方法的实验即:迈克尔逊-莫雷实验装置加上实验操作方法再加上波动光的检测方法,这三者统统地加起来,构成一个失败的检验地球绝对运动速度的实验。这个实验是人类历史上在百年中“造成的”。并由于这一失败实验,所产生的负面影响,极大的破坏了人类对真理的正确理解 ,特别是在物理界受到的影响最大最深刻。由于地球的绝对运动速度被认为无法测量,使人们最先怀疑的便是物理学中最需要逻辑思维、辨证思维、最难理解的绝对静止坐标系。最根本的还是对牛顿时空观的怀疑。由此,产生爱因斯坦的狭义相对论。所以说“迈克尔逊-莫雷实验的否定结果为爱因斯坦的狭义相对论开辟了道路”,就是这样产生的。事实上,牛顿时空观在物理上占有坚实的理论基础。如果牛顿时空观不被怀疑,是不会允许爱因斯坦相对论存在的。也就是说牛顿时空观严谨坚实,在牛顿时空观存在的情况下,爱因斯坦相对论是没有立足之余地的。只有在一个错误的、失败的物理实验,错误的将地球的绝对运动速度判定为不可测量时,在对绝对运动的描述错误的认为不确定,不可知时,才给不符合逻辑的错误理论造成了可乘之机。加之这一错误的存在,事实上达百年之久。因此,爱因斯坦相对论存在了近一个世纪。科学技术是第一生产力,在物理学科上存在了错误,必然使人们
的理性认识上产生偏差,所以在哲学上也就产生偏差。牛顿时空观在物理学中占统治地位时,产生了辩证唯物主义、历史唯物主义和唯物辩证法。这些是马克思主义的哲学基础。这些哲学观点,都是来源于对自然界的科学认识的。换句话说,科学界、哲学界的认识是一致的、是相结合,而且是相互支持的。一方出了问题,必然影响另一方。肖引同志在其文章《牛顿的绝对时空观与相对时空观》的内容提要中提到牛顿时空观在自然辩证法和哲学教学中长期以来被误解。肖引同志在这里提出了在哲学界对科学界发生的事件产生的不协调的状况。事实上这是物理界在一个错误的实验的错误结论(地球的绝对运动速度不可能测量)的影响下,使得基础物理理论发生了不应出现的变革,这种变革还一直持续了一个世纪,而且,爱因斯坦相对论还成为基础物理理论的“最高水平”。这种状况不可能不影响到哲学界。因此,在这种情况之下自然辩证法、哲学原理在教学上的困难处境是可想而知的。这种错误的来源在于一个“传统的选错了检测方法的错误实验”即迈克尔逊-莫雷实验的错误。对此,哲学界由于学科不同对物理事件不可能躬亲,物理界又百年来无人真正解释清楚,无人纠正这一错误。致使出现肖引同志在无力扭转物理基础理论错误的情况下,提出希望能够变通的缓解矛盾的方案,这当然是肖引同志的善良愿望(从改善自然辩证法和哲学原理的教学与研究出发)。但是,在物理界,没有澄清关于“迈克尔逊-莫雷实验”的真相的时候,要想在哲学上加以折衷、变通。那物理界也是不能通过的。在这种情况下,林德宏、冷护基二位同志的文章(《科学技术辩证法》1995年第3期56~58页和59~63页上发表的《牛顿提出了相对时空观吗?》和《牛顿时空观与爱因斯坦相对论》两篇文章),这两篇文章都是在承认“迈克尔逊-莫雷实验”没有任何错误的情况下,物理学理论应该有的发展方向。林德宏同志从哲学的角度出发,首先指出,这里出现的争论,源于物理界的历史史实。在物理界实验史实未能改变的情况下,牛顿时空观只能是绝对时空观。换句话说,就是在爱因斯坦相对论赖于迈克尔逊-莫雷实验的错误结论而存在的条件下,牛顿时空观只能属于“绝对时空观的范畴”。否则,“科学史的一些章节就要重写”。即迈克尔逊-莫雷实验所得的结论就要被否定爱因斯坦相对论就要被推翻。现在看来事实不幸被林德宏同志所言中,运动光学就是首先从理论上否定了迈克尔逊-莫雷实验的正确性,使爱因斯坦相对论从理论上失去了实验依据,当然运动光学还要指导实践实验测出地球的绝对运动速度。人们会问既然迈克尔逊-莫雷实验选错了检测方法,为什么一百年来都没有被发现,是什么道理。这里面有什么奥妙?逻辑上是否犯了错误?
首先,在检测方法上其错误是很隐秘的,逻辑上也是犯有错误的,是在现象的因果关系上没看清楚而犯的“前后即因果”的逻辑错误。关于详细情况,待我们看了下面的对“现象的剖析过程”的标识后,再作较为详尽的探讨。
在上节中的标识(十八)t = n1·T及
标识(十九)t’=n1·T 两式中
在n1及n1’中(C – V2)及(C – V2)是计算中出现光信号传播时间差的两个关键因子。标识(二十)N1 = n1 + n1’
标识(二十一)t1 = N1 ·T = 37288135.97 · T
t1是光信号(单个光波波前)在OM2及其返程M2O光路传播的时间,它和标准光路(垂直光路OM2、M2O传播时间t0 =37288135.59 ·T)的时间差是:
标识(二十二)Δt = t1 – t0 = N1 · T – N0·T=0.38·T
即:0.38个光振动周期,换算成时间单位是:
标识(二十三)Δt =0.38·T=0.38×1.97fs=0.74fs(飞秒)
这个Δt =0.74fs(飞秒)≈0.7飞秒是一个非常小的时间差,是很难测量的时间数量,这在现在也是非常不易测出的,在当时更是难以测出。
幸好,如果在波动光的情况下,“当时间差的改变量是光振动的一个周期T时,就引起一条干涉带的移动”这样一来,好象这道很精细的时间差的检测难题已经不算什么难题。因为迈克耳逊干涉仪光路本身就是以干涉带条纹的变化来检测光程差的变化的,现在,只是改变一下被测项目,由检测光程差变为检测时间差。想来这是轻车熟路,不会发生什么问题的。谁知问题恰恰出现在这里。实验结果硬是不发生明显地、可信地干涉条纹的变动,而是出现“零效应”。这本来说明迈克尔逊光波干涉光路是用来比较两条光路间是否出现光程差?出现了多少光程差?现在两路光程中的两个反射镜的相对位置没有变化,就是仪器光路中根本不存在光程差。现在仪器反应出“零结果”,这只能说明仪器的反应是正确的、是如实地反映了它应当反映的事实。我们设想假如迈克尔逊-莫雷实验真的也随着地球的运动而反映出地球的绝对运动速度的影响的话,那迈克尔逊干涉仪器还能作为一种充分可靠的光学干涉仪器使用吗?所以,迈克尔逊-莫雷实验的“零效应”的出现,只能得出唯一的结论,即:传统的迈克尔逊-莫雷实验,是一个选错检测方法的,检测地球绝对运动速度的错误的失败的实验。正确的测量地球绝对运动速度的物理实验应当是,用直接检测时间差的方法进行的实验。看来,前面的一句话:“当时间差的改变量是光振动的一个周期T时,就引起一条干涉带的移动” 是错误的。这句话的错误在于用错了地方,用在波动光时是正确的,用在光子光和信号光时就成错误的了。原来在迈克尔逊-莫雷实验中的时间差是按照单个光波波前(即按照光子光)计算出的时间差是光信号在光路中出现的时间差。这样的时间差与光振动的周期T没有固定的因果关系,只与地球的绝对运动速度存在着因果关系。因此,上面那句话用到这里是错误的。下面请看看标识(二十四)、(二十五)、(二十六)和(二十七)这四个标识,说明了按光子光计算光程时,所得光程差仍是零(Δd = 0)。 38
6、在迈克尔逊干涉仪光路中,光程差就是光程差没有绝对和相对分;时间差就是时间差,不能用光程差来替代时间差.
标识(二十四)
(二十四)式说明在OM1 的正行程方向的光程仍然等于L,虽然n1>N0/2,但是,在光源顺于光波传播方向运动、以光源为参考系时的光波波长 与 两者相乘时,在分子 分母上的(C – V1)和(C – V2) (光源和接收器同步运动V1 = V2),两者的作用刚好相抵消。因此,正向光程是L,
标识(二十五) d’= MO = n1’·( ) = L
(二十五)式说明在M1O返行程的光程仍然等于L,虽然n1’<N0/2 ,但是,在光源逆于光波传播方向运动、以光源为参考系时的光波波长 与 两者相乘时 ,在分子,分母上的(C + V2)和(C + V2)(光源和接收器同步运动, 两者的作用刚好相抵消,因此反向光程也是L。
标识(二十六)d1 = d +d ’= L + L = 2L
(二十六)式说明OM1 、M1 O正、返两行程总光程仍是2L,没有变化,
标识(二十七)Δd = d – d = 2L – 2L = 0
(二十七)式说明,按光子光计算时,虽然产生时间差, 但是在计算光程差时仍然等于零。这就说明用光波干涉条纹变化来检验,应当得到零结果。因为干涉条的变化只能反映光程差的变化,而不能反映时间差的变化。
从这里我们看到光源运动产生的变化对光的传播是有影响的。
在标识(二十)中,N1 = n1 + n1’ = 37288135.97正是N1·T=t1 使得时间差有了0.38T39
的改变。【见标识(二十二)Δt = t1 – t0=0.38·T】如果“当时间差的改变量是光振动的一个周期T时,就引起一条干涉带的移动”这句话是正确的,那么就要引起相当0.38条干涉带的移动。可是在标识(二十六)、(二十七)计算出来的都是光程差等于零。这是因为时间差是由地球的绝对运动速度引起的,而光程差要由反射镜M1 、M2的相对位移才能发生,在实验过程中M1 、M2的位置绝对应当不发生位移的事故,才算实验操作正常。到这里,我们已经用数学分析的方法搞清楚了,也证明了传统的错误的迈克尔逊-莫雷实验,作为测量地球绝对运动速度的实验已被证明是无效。
至此,已经完全证明了传统的错误的迈克尔逊-莫雷实验只能得到零结果,这个零结果所反映的客观事实是,在实验过程中没有光程差出现,即:表明两个反射镜没有相对位移。如果反射镜的位置有相对位移,肯定出现干涉条纹发生的变动。这零结果并不是反映出在实验过程中没有出现光信号传播时间差,也不是反映地球没有绝对运动和绝对运动速度,更不是反映了地球的绝对运动速度不可能测量。这是一个非常浅显的道理。既然道理这样浅显,为什么一直延续一个世纪没有解释清楚?这因为虽然经典物理包含着运动光学的理论基础,但作为运动光学还没有被发展起来,所以,对迈克尔逊-莫雷实验的“零效应”现象,无人能够像运动光学一样剖析得清清楚楚;在迈克尔逊-莫雷实验中隐藏着的糊涂观念未被清除;再加上在逻辑方面犯了对现象的因果关系尚不清楚时,很容易犯的一种错误,即:"前后即因果"的逻辑错误。
先说在迈克尔逊=莫雷实验中存在的糊涂观念吧!
“当时间差的改变量是光振动的一个周期T时,就引起一条干涉带的移动”
上面一句话是一句错误的话,因而是一句糊涂的话。为了说明问题,请大家看下面两句正确的话:
第一句正确的话是:
"当M1或M2平移λ/2 的距离时,视场中就有一个条纹移动"
第二句正确的话是
"计算越过视场中的条纹数目Δn ,就可以算出M2移动的距离Δd ,
Δd =Δn·(λ/2) "。
这是互为因果的两句话。这两句话已被迈克尔逊光波干涉仪的测量实际活动证实了千百万次。
我们仔细推敲这两句话,还应包含以下一句话,即:
"当M1或M2都不平移(或平移距离为零)时,就没有条纹的移动"。
传统的迈克尔逊-莫雷实验,恰恰是做了这一句话的实验.因此,我们可以说通过迈克尔逊-莫雷实验,证明上面的一句话是正确无误的.
因为传统的迈克尔逊-莫雷实验的正确操作就是要平稳地转动、并确保反射镜不发生任何相对位移或平移。正符合上面一句话的意思。
问题就是这样简单。可硬是经过一个多世纪,才把道理弄明白,这是因为,这是一个物理实验,由于亲自做实验的人,也是第一个做这项实验的人,没有发觉这中间有错误。由于实际做测量实验的工作者没有发现实验中间有错误,所以他一直还认为应该出现原来计算的结果。但是,实际上没有出现.因此,他失望、困惑,他的这种困惑也感染了并没有亲自做或仅是跟著他做该实验的物理界人士。后来,出现了爱因斯坦相对论,更是认
为迈克尔逊-莫雷实验的结果,就是告诉人们世界上就没有绝对静止参考系,也没有绝对
运动,地球的绝对运动不可能被测量,因此,迈克尔逊-莫雷实验才得出零结果,不信吗?你看迈克尔逊-莫雷实验的结果不是客观实验吗?不是事实吗?科学应该尊重这个实验,爱氏时相对论是尊重这个实验,才抛开牛顿时空观,才提出同时性的定义等等。你不同意吗?我可以给你指出有迈克尔逊-莫雷实验为证。这样,事情就发展的另一个极端去了。科学家、哲学家、逻辑学家,对于二十世纪有关迈克尔逊-莫雷实验的发生发展以及其结论是需要大力考据一番的。
大凡人的正确思维、正确认识,是有逻辑思维规律,起着支配作用的。而人们的错误思维、错误认识,也是能够通过逻辑思维规律找出错误思维、错误认识犯了什么样的逻辑错误。那么,对于传统的迈克尔逊-莫雷实验(我们通过运动光学的分析,已经知道了这是一个选错了检测方法的错误实验)误以为是一个正确的实验,在这个错误过程中,到底在逻辑上犯了什么逻辑错误?
我们知道,传统的选错了检测方法的迈克尔逊-莫雷实验,得出零结果是一种现象,从逻辑上说,凡现象都有内部的因果关系.在迈克尔逊-莫雷实验得到"零结果"的因果关系是下面一句话,即:
"当反射镜M1或M2都不平移(或平移距离为零)时,就没有干涉条纹的移动"
前半句"反射镜M1或M2都不平移"是原因,后半句"没有干涉条纹的移动"是结果。这是传统的迈克尔逊-莫雷实验的零效应现象的真实因果关系。在这个因果关系中,"反射镜M1或M2都不平移"是测量地球绝对运动速度所要求的,这是没有错误的,而后半句"没有干涉条纹的移动"的出现,是前半句的自然结果。但是请注意,迈克尔逊-莫雷实验的主要用意是检验地球在空间运动的影响的。而现在得到的零结果只是两个反射镜没有平移所引出的。这不是与实验的本意相差太远了吗?这个错误从何而来?这就是选择使用原来的观察干涉条纹变动的方法,造成的方法上的错误.因为干涉法只对光程差有效,对于光信号传播时间差无效。现在地球绝对运动速度对迈克尔逊-莫雷实验所造成的影响正是产生了光信号传播时间差。
迈克尔逊-莫雷实验在科学上实际占据着的位置是测量地球在空间的绝对运动所造成的影响的实验。而实际上起作用的因果关系是反射镜M1与M2都不发生相对位移的情况,这与地球的绝对运动不发生任何关系。但是,迈克尔逊-莫雷实验事先的计算是按地球运动时将要产生的时间差,这样就出现了计算和检测方法错位的问题。这样的实验得出的结果当然不会可靠。请看图8(见42页),传统的迈克尔逊-莫雷实验逻辑系统分析及改进措施图。在图中列出了,表面现象与内部因果关系。传统迈克尔逊-莫雷实验所犯的逻辑错误在逻辑系统分析图中清楚地显示出来,它置内部因果关系于不顾,径直将表面现象的前后作为因果关系,因此犯了逻辑学上说的“前后即因果”的错误,这一错误从爱因斯坦相对论开始存在,至今已近一个世纪。当然,迈克尔逊实验,除了逻辑错误以外,还有技术错误,这里说的技术错误,就是亲身参加实验的,迈克尔逊本人及其他实验人员所犯的错误。这就是,在"当时间差的改变量是光振动的一个周期时,就引起一条干涉带的移动"。这一句话是一个技术性错误,这一错误是十分隐蔽不容易被认识的一个错误,这是因为在波动光范围内,光波波动周期T和波长 是相对应发生变化的。还有一点也是人们容易忽略的,就是迈克尔逊在计算地球运动速度对光线传播的影响时用的是单个(每个)光波波前经过光路时所需要的时间,而产生出来的时间差。这个时间差是属于光子光的。因此,这个时间差与光程差是无缘的,可是这一点常被人们忽视。
|
实验与结果
实验的性质、
分析与改进 |
实 验 名 称 与 实 际 操 作
|
实 验 进 行 后 的 表 现
|
|
传统的选错检
测方法的
迈克
尔逊莫雷
实验 |
外部表现
(表面现象) |
前 |
测量地球绝对运动速度的实验
又称迈克尔逊-莫雷实验 |
后 |
实际值与期望值不符,因此认定
地球的绝对运动不可能测量 |
|
内
部
真
实过
程 |
实验设施 |
迈克尔逊光波干涉装置 |
观察视场中,条纹越过情况
没有条纹移动
或
没有可信的条纹移动
|
|
实验的实际操作
|
1、 将实验设施安放在可以平稳转动的平台上。
2、 使实验设施转动90度180度或更多。
3、 在转动过程中,两个相互垂直的光路中的反射镜M1、M2不应有任何相互平移或相互变动。
4、 观察越过视场中的条纹数目。 |
|
每部因果关系 |
原因 |
1、M1、M2两反射镜没有任何相互平移或相互变动。(上面3条)
2、观察越过视场中的条纹数目。
(同上面第4条) |
结果 |
干涉条纹不会也没有任何移动。
|
|
改进的迈克尔逊莫雷实验
|
正确的测量地球绝对运动速度的实验 |
实验设施:仍用迈克尔逊干涉装置。
实际操作:
1、将实验设施安放在可以平稳转动的平台上。
2、使实验设施转动90度180度或更多。
3、在转动过程中,两个相互垂直的光路中的反射镜M1、M2不应有任何相互平移或相互变动。
4、检测和记录经过两条光路的光子到达终点的时间差,得到地球的绝对运动速度对实验过程的影响,从而能够算出地球绝对运动速度的数值。
|
至今尚未验证。
但是,运动光学已作出了理论上阐明,并提出进行实验验证的要求及呼吁。 |
图8。传统的迈克尔逊莫雷实验的逻辑系统分析与改进措施图
于,这一技术性错误的存在,使得“前后即因果”的逻辑错误,能够长期存在下去。笔者在写"现象的剖析过程"时写到标识(二十四)、(二十五)、(二十六)、(二十七)时,才对这一技术错误有了更加明确的认识。在此前、笔者在运动光学中仍然使用隐含上述技术错误的错误概念,即:“绝对光程差和相对光程差”。其实,在迈克尔逊干涉光
路中,光程差就是光程差没有绝对和相对之分,时间差就是时间差,不可能用光程差来替代时间差。从1998年10起运动光学就更正了这一错误的概念,从运动光学自己前进道路上的坎坷也表现出这一个技术错误的隐蔽程度。无怪乎百年来未被人们发现。
迈克尔逊-莫雷实验,。确实是一个很微小的问题,也是一个很简单的问题,但是由于一个技术上的错误,再加上一个逻辑上的错误,就由于两个错误,相互纠缠使得问题复杂化,一直持续了一个世纪才在今日由运动光学理论剖析清楚。
7、迈克尔逊-莫雷实验的零结果,这一可以称作“世纪之谜”的实验现象,被运动光学(或称客观相对论)破解之后,牛顿时空观应该恢复她原来的圣洁与辉煌。
通过对“现象的剖析过程”和本节前面各单元的“阐发”,读者公众对牛顿时空观中关于绝对空间的有关问题,例如:真空介质说取代“以太”介质说,绝对静止参考系和绝对运动等问题,都有一定程度的说明和解释。下面我们对牛顿时空观中关于时间方面的有关问题,再作一些分析吧!
牛顿在《自然哲学之数学原理》中对时间的特性作了如下的描述:“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着,而且由于其本性而在均匀地与任何其他外界事物无关的流逝着,它又可名之为延续性”;相对的、表现的和通常的时间是延续性的一种可感觉的、外部的(无论是精确的或是不相等的)通过运动来进行的量度,我们通常就用诸如小时、日、月、年等这种量度以代替真正的时间”。
牛顿这段话中,充分表述了时间的特性和本性,主要有如下四点:
(1)、时间的流逝性。时间一去不复返的流逝着。
(2)、时间的客观性。时间与外界事物无关的流逝着。
(3)、时间流逝的均匀性。时间由于其本性而在均匀的流逝着。
(4)、时间又可名之为延续性。用外部的运动来进行的量度。我们通常用诸如秒、小时、日、月、年等这种量度以代替真正的时间。
既然,牛顿时空观对时间的特性和本性表述得如此清晰和完整。那么爱因斯坦根据什么,对牛顿时空观念提出怀疑,并给出新的荒谬的变革呢?
让我们先来看一看《相对论引论》一书①33页中谈到"对一个参考系同时发生的两件事,一般地说对另一个参考系就不是同时发生的”问题时,作了如下注释:
“当然,我们关于同时性的定义在相当程度上是任意的。但是,要设计一个实验用来确定同时性不依赖于参考系是不可能的。根据迈克尔逊-莫雷实验的结果是肯定的,换句话说,如果可能确定‘以太’的运动状态,我们自然就把同时性的定义建立在和以太相连的参考系上,并且给它以绝对的意义”(参见《相对论引论》33页注1)。
这个注释,说得非常明白,为什么会对牛顿时空观的客观时间定义提出疑问?就是因为有迈克尔逊-莫雷实验的“否定结果”。
这些,当然已经成为历史事实。现在,当我们对迈克尔逊-莫雷实验的“零效应”现象的剖析过程,已经清清楚楚地证明了迈克尔逊-莫雷实验,是一个选错了检测方法的错误实验。在这种情况下,我们可以说,该书中作的注释是一个犯有错误的注释。归结起来有以下三点错误。
(1)、在逻辑上犯了“前后即因果”的错误,这就是把目的是检测地球绝对运动速
度的实验(即传统的选错检测方法的迈克尔逊-莫雷实验)作为“因”,实验后,所得结
① 《相对论引论》P·G柏格曼(Peter Gabriel bergmann)著,周奇、郝革译。人民教育出版社出版1961年12月版。本书原文经A·爱因斯坦作序。
果与预期结果不相符,就不问青红皂白地认为地球的绝对运动速度不可能测量,作为“果”
(参看本文第42页图8,传统的迈克尔逊-莫雷实验的逻辑系统分析与改进措施图)。
(2)、注释中说:“根据迈克尔逊莫雷实验的结果,我们可下结论:光的传播定律在任何惯性系中都采取相同的形式…………”这句话,在我们有了由运动光学理论对迈克尔逊-莫雷实验的“零效应”现象的剖析清楚的情况下,我们可以说:这句话在实际上是错误的。因为传统的选错检测方法的迈克尔逊-莫雷实验已被证明它是用来检测在该实验进行过程中是否出现光程差,而地球绝对运动速度对迈克尔逊莫雷实验的影响是光信号传播时间差。该实验得出的零结果,是由于实验选错了检测方法而引起的。所以注释中下的结论是错误的。
由于这一技术的、实验的理论性错误的存在,使得迈克尔逊莫雷实验,得以蒙蔽众多物理学家的眼睛,而未被发现错误达一百年之久,甚至还误认为实验使用光波检测时间差是很巧妙、很精确,是值得称道的事情呢?不信吗?还是在《相对论引论》一书中第37页倒数第四行有下面一句话:“迈克尔逊和莫雷,在他们著名的实验中,能够把准确度提高到如此的程度,以致能测量二阶效应,并且用实验证明了伽利略变换方程不够精确”。
这段话就说明,爱氏相对论,不但没有看出迈克尔逊-莫雷实验在选择检测方法上有错误,还认为选择干涉法检测时间差(把时间差通过波动特性转为光程差)是值得称道的,并不认为是一个技术的、实验的、理论性错误。因此,爱氏相对论在此也属于受蒙蔽者之列。
至此,我们可以看到,象迈克尔逊-莫雷实验,这样一个不大不小的物理实验,在物理实验的技术上犯了一个错误(选错检测方法)之后,物理理论又犯了一个“前后即因果”的逻辑错误,这就构成了“错误不打一处来”的复杂形态,对科学界带来了多么巨大的影响啊!从这一事例,人们应该充分重视物理实验工作,在实验工作中出现问题,将可能发生多么严重的后果?同时,也告诉自然科学工作者对于逻辑思维规律的必须充分尊重,不能违犯,违反逻辑规律迟早是要出毛病的。列宁曾说:“自然科学家就应该做一个现代的唯物主义者”(应该学习辩证唯物论,历史唯物论和唯物辩证法)“也就是说应该做一个辩证唯物主义者”。(列宁选集第四卷609页)。列宁又说:“自然科学无论如何离不了哲学结论”。(列宁选集第四卷610页)笔者在这里引用列宁的话是因为:主张爱因斯坦相对论的自然科学家都在哲学家马赫那里找到了“哲学结论”证明列宁的话成了千真万确的事实。
(3)、注释中接着又说:“如果迈克尔逊-莫雷实验的结果是肯定的,换一句话说:如果可以确定‘以太’的运动状态,我们自然就会把同时性的定义建立在和以太相连的参考系上,并且给他以绝对的意义。”
从上面这段注释看,注释者以非常相信迈克尔逊-莫雷实验的否定结果的态度,以强调前面对同时性的相对性定义的不容怀疑性。
其实,正是在这里,自觉不自觉地进行着"前后即因果"逻辑错误的实施.
可是,因为有了这段注释的文字说明,使我们的有权利说:"假如注释者当时有运动光学所揭示出来的物理知识时,就不会有人变革牛顿时空观的时间观念,即使有人提出也不会像爱氏相对论这样,蒙蔽全球物理界近百年之久"。
在爱氏相对论中对牛顿时空观的变革最有决定影响力的一个错误,是洛仑兹变换。在洛仑兹变换中最突出的是,x坐标与t坐标相互影响的变化.为便于说明起见,还是让我们举出一个理想的实例,具体用伽利略变换和洛仑兹变换分别进行计算,进行比较,分析

图9。 按伽利略变换,K系坐标示意图
如图9所示,有两个惯性系,一个为K系,一个为K’系,相互以速度v作匀速运动,取运动方向为各自的X轴和X’轴,使Ox与O’x’重合;同时使Oy与O’y’平行,Oz与
O’z’平行,当K系原点O与K’系原点O’重合的瞬时,双方对钟,使各自的时间为0,即当x=x’=0时,t=t’=0开始。为便于是计算,我们令v=(1/2)c.设当t=T时,我们计算P点、D点、E点、F点[见图9(a)],设K系为绝对静止坐标系,且在t=t’=0时,K系,K’系两原点相重合时的情况。图9(b)仍是K系坐标图,但在t=T时。特别应加以说明的是在图中一个代表在t=t=0时,从重合的原点发出一个光波波前(众多光波波前中的一个),是为P点。
从图9(b)可以看出从原点O及O’重合时,发射的光波波前,以光速c经过时间t=T=2fs(飞秒),行程ct=λ=0.6μm,与此同时K’惯性系的原点O’以速v=c/2, 经过T=2fs(飞秒)的时间,向原点O的右方移动的距离vt=0.3μm,到达O’点。在图9(b)上,P点的光波波前是由O点发射而来的,而O’点刚刚到达,由O’点发射的波前,现在只能是刚刚启程,尚未离开O’点。因此,P点的波前只有以O点发射来的波前,与O’点毫无关系,所以,在图上只有OP直线代表该光波波前的路程。恰恰洛仑兹变换是从对O’P之如何存在开始的,因而是没有事实根据的游戏而已。下面我们先按伽利略变换,将图9(b)各点在K’系中的坐标系,示于图10。
从图10,可以看出K’系坐标脉络清晰,变化有规律。

图10。按伽利略变换算出的K’系坐标示意图。
下面,我们按照洛仑兹变换公式计算出图9(b)所示各点的时空坐标列于表2。
表2。“图9(b)各点”用洛仑兹变换公式计算出K’系的时空坐标
从表2,我们可以感受到,在《相对论引论》中关于“对一个参考系同时发生的两件事,一般的说对另一个参照系就不是同时发生的”这句话的含义。按牛顿时空观,这些空间点[见图9(b)]是在某一时刻(t=T=2fs)同时发生在空间个点上的,按牛顿时空观,以伽利略变换,由K系坐标变换到K’系时(以O’为原点)坐标见图10。但是表2根据错误的洛伦兹变换公式得出的K’系坐标,就成了一个被扭曲了的时空坐标。读者公众现在都知道,这是由迈克尔逊莫雷实验的“零效应”被错误的认定为“实验结果”,所招致的恶果。对于这个被扭曲的时空坐标如何解释?因为我们已经知道他是错误的,笔者认为没有必要再去做深入地分析了吧?还是让爱氏相对论的研究者去详细的解释吧?
由前面一连串的讨论,我们看到,爱因斯坦相对论时空观,是根据一个选错了检测方法的错误实验的现象,即迈克尔逊莫雷实验的“零效应”现象。并在对现象的理解上犯了“前后即因果”的逻辑错误,从而推演出爱因斯坦相对论的谬误体系。牛顿时空观是与客观实际相一致相结合的时空观,运动光学是在牛顿时空观基础上发展起来的一门关于光学和运动,即研究光源运动和运动光源规律的一种新的光学理论,它不是否定或变革牛顿时空观,而是补充和完善经典物理学的不足,揭示爱因斯坦相对论的错误和荒谬,恢复牛顿时空观的圣洁与辉煌。 |