因为文中有很多图形公式无法贴出，要看带图形公式的原文，请单击：

http://yebo.nease.net/000001-321.htm>

第二十一节 两个超光速试验

光的速度到底是变还是不变呢？狭义相对论中的光速不变原理把光速问题绝对化了，任何绝对化的观点都是不对的。

光速变与不变得具体问题具体分析，如果光能被带动，光速就是变的。如果光不能被带动，它的速度就是不变的。这两种情况都是存在的。在绝大多数情况下光不能被带动，或者说它的带动可忽略不计。那么它的速度就是基本不变的。例如火车和汽车就不能带动以太。但在极少数情况下，光是能被带动的，光速就是可变的。例如，电流的周围，大的星体周围，斐索流水试验和Sagnac实验等。

超光速现象早就发现了，只是人们为了迎合光速不变原理，作了故意歪曲事实的错误解释罢了。

只有既能解释光速为什么在一般情况下不变，为什么在特殊情况下又可以变化的道理，才是全面地看问题，才能使人信服。

一、斐索流水试验

历史上，最早描述运动介质中光速理论是菲涅耳(Fresnel)的以太牵引理论。他将以太中的光速与弹性媒质中的声速做类比，假设介质中的光速与弹性体以太密度的平方根成正比，并由此得到光在运动介质中的传播速度是

u=u¢+fv

其中f称为菲涅耳牵引系数；n是介质的折射率；u¢是静止介质中的光速；v是介质在以太中的速度；u是光在运动介质中传播的绝对速度。

    上式不难理解，如果介质的运动速度是v，光被介质牵连的速度就是fv,因此，按照伽利略速度合成原理，光在运动介质中传播的绝对速度u等到于静止介质中的光速u¢与光在介质中牵连速度fv的矢量和。

从这里，我们可以看到，光速是可以超过的。

尽管我们认为以太不能被带散，只能被带旋。那是指离开电荷或介质较远处，在电荷和介质的表面是可以带散以太的，这种带动只是部分带动。

为了检验曳引效应，斐索让光束如上图所示通过流水管，这样，一束光总是沿水流方向传播，而另一束光总是逆着水流方向传播，如果A管和B管的长度各为l，水的折射率为n，水速为v，则得到顺着水流方向和逆着水流方向的光速分别是 与 。因此，两束光经过水管所引起的时间差是

当 时,上式可近似为

这个时间差所对应的光程差是 。光程差改变时，干涉条纹随之移动。光程差每改变一个波长l，干涉图样就移动一个条纹。因此，在水流方向反转过程中，望远镜里观测到干涉条纹移动的条数

在斐索实验中，各参数的值为：

l =1.487米

n =1.33

    l = 5.26´10^-7米(黄光)

v =7.059米/秒

         DN =0.46条纹米/秒

将这些数值代入(26)式，得f的观测值

                       f_­观≈0.48

而根据费涅耳公式 计算所得的f值

                      f_计≈0.44

因此，理论值和试验观测值是吻合的，斐索的实验证实了菲涅耳部分曳引理论。也就是说：当水流动时，能部分地带动以太同其一起运动。

   狭义相对论利用在斐索流水试验中光的相速度与群速度大小相等、方向相同的结论和相关的推导后也得到

的式子，只不过其中的f₁一个色散项而已。

二、塞格纳克(Sagnac)实验

 
  
 
  
   
   
图二   Sagnac实验
   
 
1911年，Sagnac发明了一种可以旋转的环形干涉仪，将一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上发生干涉现象。狭义相对论问世后隔了六年，即1911年，第一次受到了实验的挑战。塞格纳克(Sagnac)在那年发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合。两束光通过的路程都等于环路的周长，如果它们的速度都为c，那么它们在环路中的渡越时间就应当相等，似乎不应当有干涉条纹的移动，但实际观测到的情况是有干涉条纹的位移，条纹移动数正比于干涉仪的角速度与环路所围面积之积。这种效应能用经典理论来解释，用狭义相对论似乎解释不通，因而曾使光速不变原理遭到非难。

    (一)、经典理论对塞格纳克(Sagnac)效应的解释

    为简单起见，我们不妨假定该环路是半径为R的圆，并假定干涉仪是作顺时针方向的定轴转动，角速度为ω。可以肯定的是：这两束光在实验室参考系中的速度都应当为c，环路本身的线速度应为ωR。从转动的参考系中看，如果伽里略的速度合成原理仍然成立，那么顺时针方向和逆时针方向的两束光的速度就应当分别为

        v¢＝c－ωR，     v²＝c＋ωR。             (1)

环的周长为L＝2πR，因而两束光在环中的渡越时间分别为

        t¢＝2πR／v¢，  t²＝2πR／v²。              (2)

两者的时差为Dt＝t¢ - t²＝4πωR2/c2(1-ω2R2／c2)，

略去二级小量，得

       Dt≈4πωR2／c2 。                          (3)

环路包围的面积是S＝πR2，因而上式可改写成

        t≈4ωS／c2 。                            (4)

单色光的周期为t＝l/c，因而与上述时差对应的条纹移动数目是

        DN＝Dt／t＝4ωS／cλ。                    (5)

该式虽是用圆形环路导出的，但对任意形状的环路都适用。

    公式(5)与实验相符，但推导时使用的顺钟向的光速v¢ 小于c，逆钟向的光速v²大于c，这就违背了狭义相对论中的光速不变原理。因此，当年人们曾利用塞格纳克效应来否定狭义相对论，认为光速不变原理不正确。因此，塞格纳克(Sagnac)试验的结果再次表明，在一定的条件下，光速是可以被超过的。

    因为以太虽不能被带散，但可以被带旋，Sagnac发明的这种可以旋转的环形干涉仪，就是以太能被带旋的典型案例之一。

(二)、狭义相对论对塞格纳克(Sagnac)效应的解释

据狭义相对论，真空中任何一个惯性系内，光速都是常数c，而设干涉仪转动的角速度为ω，半径为R。在本实验中，相对于干涉仪来说，光源是分光镜所分出的两束光，也就是可以把分光镜看作光源，而分光镜本身也是干涉仪的一部分，所以我们不必考虑光源情况。

先以实验室为参考系，如果设想这种光源在静止时所发射的光波的波长为λ，那么在干涉仪转动起来之后就应当在顺钟向和逆钟向分别出现蓝移和红移，根据狭义相对论提供的多普勒红移公式，蓝移和红移后的波长应当分别为

        λ₁＝λ[(c-ωR)/(c+ωR)] ^1/2              (1)

        λ₂＝λ[(c+ωR)/(c-ωR)] ^1/2              (2)

这两个波长都是用实验室参考系中的尺测量的。如果设想有个观测者跟着干涉仪一道转动，他所测得的两个值分别为λ'和λ"，那么，利用狭义相对论中的长度变换公式就可以知道

        λ'＝λ₁/(1-ω²R²/c²)^1/2                    (3)

            λ"＝λ₂/(1-ω²R²/c²)^1/2                   (4)

将(1)和(2)式分别代入(3)和(4)式，得

        λ'＝λ/(1+ωR/c)                              (5)

            λ"＝λ/(1-ωR/c)                              (6)

 两束光通过的路程都是L=2πR，因而它们在环中的完全波的个数分为

        N'＝L/λ'＝2πR(1+ωR/c)/λ                  (7)

            N"＝L/λ"＝2πR(1-ωR/c)/λ                  (8)

此二式相减，并利用S＝πR^2，就得到干涉条纹的移动数：

        △N＝N'-N"＝4ωS/cλ                       (9)

这里要注意到，我们没有考虑在旋转的参考系中，存在着惯性离心力场和柯里奥利力场。根据等效原理，惯性离心力场等效于引力场，而狭义相对论并没有考虑到引力场，这似乎应当用广义相对论来处理。其实在Sagnac实验中并没有必要考虑这种力的影响，这是因为惯性离心力是保守力，对于同一个环路中的方向相反的两束光有相同的影响，不会影响干涉条纹的数目；同时，直接感受干涉条纹的"观测者"并不是实验员，而是记录干涉条纹的仪器，所以顺钟向和逆钟向光束的传播速度都应为c。

Sagnac效应有重要的实际应用，比如激光陀螺仪，其名为陀螺仪，实则并无任何机械陀螺部分，只是表明这种仪器与惯性陀螺仪的功能上有相似之处罢了。激光陀螺仪实际上就是上述关于Sagnac实验解释的逆应用，也就是通过观测干涉位移来计算旋转角速度。

三、综合分析

我们看到，用经典力学理论和相对论都可以解释斐索流水试验和Sagnac试验，它们得到的公式完全一样。到底那一个是正确的，需要用马赫的“经济思维原则”——用最少量的思维对经验事实作最完善的陈述来判断。因为经济思维原则、简单、对称、统一、简约性和经济性就是物理学之美。从某种意义上讲，它们是评价物理学理论的最高标准。

爱因斯坦本人也是坚持简单和经济原则的。1926年春天，海森堡在同爱因斯坦的一次长谈中涉及到了简单性、美和真理的美学标准诸问题。爱因斯坦问海森堡：为什么在这么多关键问题还完全没有解决时，能够对自己的理论具有那么大的信心？海森堡答道：“正像你一样，我相信自然规律的简单性具有一种客观的特征，它并非只是思维经济的结果。”许多与爱因斯坦共同工作过的物理学家在谈到简单性问题时，都会满怀尊敬提及爱因斯坦对客观存在简单性的深刻理解与深厚信仰。爱因斯坦对宇宙自然简单性的那种感人至深的真势感情，曾影响了整整一代的物理学家。

但是，但爱因斯坦在创立相对论的过程中违背子自己的初衷。牛顿力学和相对论比较起来，前者简单、形象、易懂和统一。后者则不然，它复杂、抽象、难懂和充满矛盾。例如，在进行时空变换时，会产生钟慢尺缩和质量随速度增大等违反常规的一系列的矛盾和佯缪。

因此，经典力学的解释更加简单合理，超光速现象是客观存在的。

-------------------------------------------------------

《辩证唯物主义的最新武器》是一本什么样的书？它：

揭示对立统一规律和辩证法的物理实质；对牛顿力学本质原理的最新发现；对电磁现象本质原理的最新发现；对天体演化本质原理的最新发现；弥补牛顿力学的严重缺陷；彻底批判爱因斯坦相对论的唯心观点；有中国时空特色和力的大统一；彻底揭示时间和空间的本质；力、电、磁、光的大统一；地壳会消亡吗？天体如何演化？

要看该书请点击：http://yebo.nease.net/000001.htm>