《光速不变假设的理论和实验支持》

《光速不变假设的理论和实验支持》

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光速不变假设是狭义相对论和广义相对论的最基本前提之一，也是反对相对论者和支持相对论者的热点话题之一。因为光速不变原理至今还是一个有待证实的假说，本文围绕着这个假设，讨论光速不变假设在理论和实验上得到的支持。

爱因斯坦年月发表在德国《物理学年鉴》上的那篇著名的相对论论文《论动体的电动力学》，提到光速问题的话[]：

“光在空虚空间里总是以一确定的速度传播着，这速度同发射体的运动状态无关。”

“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们定义如下：

. 物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系。

. 任何光线在‘静止的’坐标系中都是以确定的速度运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”

根据这篇论文和现代物理学进展，可以了解到：

光速不变假设是指：光在真空中的速度是恒定的，它不依赖于发光物体的运动速度。而光速不变原理是指：真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。光速不变原理和光速不变假设有所区别，它是结合相对性原理和光速不变假设的一种表述。

一、光速不变假设产生的时代背景

爱因斯坦在他１６岁时的中学时代，就产生了一个“追光”思想实验，即如果他以光速去追赶一束光，会是什么情形呢？后来，爱因斯坦认为这种情形是一个悖论，他描述为：如果他以速度Ｃ（真空中的光速）追随一条光线，那么他就应该看到，这样一条光线虽然在空间里振荡，却象一条停滞不前的电磁场。可是，无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，这样的事情都不可能发生。只要时间或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在人们的潜意识里，那么任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试，都注定要失败[]。

这是一个逻辑思考，并不牵涉许多其它高深概念。这个悖论并不是想了解真实的光是如何运动的，而是思考：假设光速运动时，既要符合牛顿力学（被认为是与我们的经验事实或感知相近的力学理论），又要符合电磁力学的观点。

牛顿力学理论认为空间和时间（或同时性）是绝对的，“观察”是瞬间的，观察者和被观察者对同一事件的发生都有着一个绝对的同时；任何相同相向速度的运动

物体，它们之间的关系就是相对静止的。那么，在牛顿力学理论的概念下，与光速一样速度运动的人就会同时“看到”停滞不前的光；但根据麦克斯韦的电磁场理论，光是一种电磁波，光速是以连续不间断的电磁波形式在电磁场中传递；也就是在任何情况下，电磁场（波）是连续的，而不能是静止的，电磁波一旦产生，就以有限速度的恒定值光速传播。这就是说，要么光静止，要么以光速运动，不能同时存在，牛顿力学和电磁力学在这个悖论上产生矛盾。

从这个逻辑思考中，比较牛顿力学和电磁力学的观点，基于电动力学的精度超过牛顿力学几个数量级，有理由认为电磁力学对光速的解释会更加合理些，更能够真实的反映客观世界。爱因斯坦基于他描述的悖论的思考，放弃了牛顿力学中时间或同时性的绝对性，选取电磁力学光速传播观点，即“光在空虚空间里总是以一确定的速度传播着，这速度同发射体的运动状态无关。”

再回头来看看那个悖论，由于有了光速与光源运动无关的认可以及没有绝对同时性的要求，光一旦发出，都可以看到光了，是“动”光，而不是“静”光了，这样就可以合理解释那个悖论了。

二、对牛顿力学理论的再认识

牛顿力学认为力是瞬间作用的，即无限的；电磁力学认为电磁力是有限的，即受光速限制；电磁力是宇宙的四个基本作用力之一，为什么它会不遵守牛顿力学原则？因此，作为力学基础的牛顿力学受到挑战。

牛顿力学起源于人们的实际观察或测量经验，实际观察或测量的速度相对于光速来讲，都是比较慢的情形；另一方面，牛顿力学又以公理的形式认为时间和空间都是绝对的（对各个参照系都相同）；对于观察或测定的运动对象，其观察或测定所需的时间也是默认瞬间的或绝对同时的（或者是用无穷大速度测量）。然而，当用光速运动来思维（因为实际检验做不到）牛顿力学的应用时，就会发现如前面所提到的思维悖论。根本原因就在于：对于观察或测定的运动对象（或研究对象），其观察或测定所需的时间对一个观察者来讲，不能再认为（或默认为）是瞬间的或绝对同时的了，由于运动对象（或研究对象）的速度是如此之快，对观察或测定过程本身所需的时间已经明显表现出来了，不能再忽略不计，换言之，牛顿力学以无限快的观察速度替代了真正的观察速度光速，绝对同时在这种高速运动的力学分析中受到质疑。

三、光速不变假设在理论上得到的支持

光是一种人类眼睛可以见的电磁波波长（可见光）。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱。光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。

１、电磁力学理论的支持

法拉第证明了变化的磁场可以产生感生电动势，麦克斯韦证明了变化的电场可以产生磁场，而感生电动势是可以产生变化的电场的。麦克斯韦在《论物理学的力线》中，预见了电磁波的存在，即空间某处产生了变化电场，在周围空间就要产生变化磁场，这个变化磁场又要在较远的空间产生新的变化电场，接着又要在更远的空间产生新的变化磁场，这样变化继续下去。这种变化的电场和磁场交替产生、由近及远、以有限的速度在空间内传播的过程，称为电磁波。至于电磁波（或电磁辐射）是如何“形成和运动”的，涉及到在量子层次，简单地说就是带电粒子会从某个本征量子态跃迁至另外一个本征量子态，因而产生电磁辐射[]。电磁波已经得到广泛实验证实，而只有处于可见光频域以内的电磁波，才是可以被人们看到的光。由于电磁波（或电磁场）总是随着时间变化的，可以认为它是一种绝对的传播运动。从麦克斯韦方程组，能解出“电磁波速在真空中不变，而且数值恒等于光速”，这为光速不变假设提供了一个最可靠的理论基础。

如果麦克斯韦方程正确，而且满足相对性原理，那么可以证明光速不变是正确的，但在爱因斯坦提出狭义相对论的时候还不知道麦克斯韦方程是否正确，于是才把光速不变作为基本假设。在量子力学中可以看到，如果光子的静止质量为零那么光速不变是正确的，而光子作为电磁力的媒介子，其静止质量为零直接导致了库仑定律的平方反比率，只要验证库仑定律是否严格遵循平方反比率，就可以间接验证光速不变是否正确只有库仑定律严格遵循平方反比率，才会由静电学上的高斯定理，该定理有一推论是一带电空心导体球壳内部各点场强处处为零。因此验证光速不变的关键就是验证这一推论，这是可以拿电压表去测的（若场强处处为零则电压处处相等）。根据最近公布的实验结果，光子的静止质量最大上限为……，一共个，这个结果足以保证光速不变的正确性[]。

值得一提的是，基于时间的考量，在电动力学里，由于电磁波传播于真空的速度是有限的，观测者探测到电磁波的时间，是不同于这电磁波发射的时间，称为推迟时间（ )。推迟时间的概念意味着电磁波的传播不是瞬时的。电磁波从发射位置传播到终点位置，需要一段传播期间，称为时间延迟。与日常生活的速度来比，电磁波传播的速度相当快。因此，对于小尺寸系统，这时间延迟，通常很难被注意到。例如，从开启电灯泡到这电灯泡的光波抵达到观测者的双眼，所经过的时间延迟，只有几兆分之一秒。但是，对于大尺寸系统，像太阳照射阳光到地球，时间延迟大约为分钟，比较能够被观测到。

２、量子力学的理论支持

（１）光子的特点