光速不变与力学相对性矛盾问题
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
【关键词】光速不变； 力学相对性； 问题研究 【作者单位】乔晓光，中国电子科技集团公司第三十三研究所； 王小青，石家庄市疾病预防控制中心
相对论力学是在与牛顿力学的争论中产生的，关于二者 的分歧以及最终导致相对论公式产生，是从下面的物理学经 典模型开始的。
小车以相对于地面速度 v 向右匀速运动，车厢底部安装 有一个光源，光以速度 c 从光源向车厢顶部发射，车厢高 h， 求光分别相对于车厢参考系和相对于地面参考系往返所需 要的时间。
度 v 的合速度运动； 相对论力学认为光子应遵循光速不变原
理，无论车厢相对 于 地 面 静 止 还 是 相 对 于 地 面 匀 速 运 动 ，光
子不会受车厢速度 v 的影响，应始终保持恒定的速度 c 运动。
·46·
一、光速不变原理与相对论光程描述矛盾 在对引言中模型图 1、2 进行仔细研究后可以发现，只要 图 1 中的光程描述能够实现，那么图 2 中的光程描述就一定 能够实现。也就是说，图 1、2 中的光路描述其实等价的，这 一点并不是牛顿力学和相对论力学的真正矛盾所在，而真正 的矛盾在于图 1 中的光程描述本身。图 1 所示的光程很清晰 地显示，光子从发射伊始在水平方向上始终是随车厢一起运 动的，而要实现这 一 点，唯 一 合 理 的 解 释 就 是 承 认 光 子 具 有 惯性。 牛顿力学的计算方法较为熟知，即在承认光子具有惯性 的前提下，将光子的发射速度 c 与车厢的速度 v 合成，最后得 出结论。 相对论力学的计算方法遵循光速不变原理，即光的速度 与光源的运动速度无关，照此推理，图 1 中光子必定不会实 现在水平方向上相对于车厢静止从而沿与车厢底面垂直的 方向运动，而应在水平方向上彻底脱离车厢独自运动。即光 子在被发射的瞬 间，脱 离 了 光 源 和 小 车，并 且 此 后 不 受 任 何 外力的作用，则光子在发射瞬间后的速度应始终等于发射时 的瞬时速度 c，且方向始终竖直向上。因此，相对于车厢参考 系，光子自光源发射经传播到达小车上壁的位置不应是在爱 因斯坦模型中所描述的光源垂直向上方位处的 P 点，而应是 P 点左方的位置 P’点。如图 3 所示：
图 1 车厢参考系下的光路
图 2 地面参考系下的光路
牛顿力学认为： 如果以车厢作为参考系，如图 1 所示，光
源相对于车厢静止，设光往返时间为 t0 ，光走过的光程为 2h， 则
t0
=
2h c
如果以地面作为参考系，如图 2 所示，光源与小车同时
具有向右的速度 v，设光往返时间为 t，由于光不仅具有向上
牛顿力学的解释不遵循光速不变原理，但在相同的参考 系下对光子却给出了相同的动量描述，反而遵循力学相对性 原理； 相对论力学遵循光速不变原理，但在相同的参考系下 对光子却给出了不同的动量描述，反而不遵循力学相对性原 理。因此，光速不 变 原 理 与 力 学 相 对 性 原 理 是 相 互 矛 盾 的 。 此为矛盾之二。
光速不变与力学相对性矛盾问题研究
□乔晓光 王小青
【摘 要】牛顿力学与相对论力学对动力学规律持有不同的观点。经研究计算发现，支撑相对论力学的光速不变原理和力学相 对性原理之间存在深刻的矛盾，并且企图验证光速不变原理的迈克尔逊 － 莫雷实验存在严重的计算错误，说明相对 论力学无论从理论上还是实验上都是不成立的。如果相对论属于系统理论错误，那么产生于上世纪初期以其为基础 的近代量子理论同样会因为失去理论基础而遭遇危机和挑战。
为 p1 = Mv + mv，图 2 中光子水平方向的速度为 v，则 p2 = Mv + mv，满足 p1 = p2 ； 在垂直方向上，左图中合动量 p1 ＇ = mc，而
图 2 中由于 V = c，则其垂直方向的分量为 槡c2 － v2 ，因此合 动量 p＇= m 槡c2 － v2 ，不满足 p1 ＇= 时光的合速度应为
槡c2 + v2 ，根据勾股定理得：
（
vt 2
）
2
+ h2
=（
Vt 2
）
2
将 V = 槡c2 + v2 的平方根代入求解得：
t
=
2h c
即： t = t0 相对论力学认为： 如果以车厢作为参考系，如图 1 所示，
光源相对于车厢静止，设光往返时间为 t0 ，光走过的光程为
2
+ h2
=（
ct 2
）
2，
解得：
t = 2h
槡 c
1
－
v2 c2
即：
t=
t0
槡 c
1
－
v2 c2
牛顿的解释与爱因斯坦的解释之间唯一的不同就在于
当车厢由相对于地面静止变为相对于地面匀速运动之后光
速的变化情况。牛顿力学认为光子未被激发时是随车厢一
起运动的，当被激发后，由于惯性，当以激发速度 c 与车厢速
于 V = 槡c2 + v2 ，则其水平方向的分量为 v，因此合动量 p2 =
Mv + mv，满足 p1 = p2 ； 在垂直方向上，图 1 中由于小车没有垂
直速度，所以合动量 p1 ＇= mc，图 2 中 V = 槡c2 + v2 ，则其垂直
方向的分量为 c，因此合动量 p2 ＇= mc，满足 p1 ＇= p2 ＇。 按照相对论力学的解释： 在水平方向上，图 1 中合动量
2h，则
t0
=
2h c
如果以地面作为参考系，如图 2 所示，车厢虽然具有向 右的速度 v，由于有光速不变原理，因此光的传播速度不会因 为车厢速度的改变而改变，这样光速仍为 c。而光程却发生
槡 槡 了变化，由 2h 变为 2
（
vt 2
）
2
+ h2 ，即 2
（
vt 2
）
2
+ h2
= ct，
则（
vt 2
）
三、迈克尔逊———莫雷实验的计算错误 矛盾斗争到这 里，从 各 自 的 纰 漏 来 看，双 方 已 经 处 于 不 平等的地位： 牛顿力学的纰漏很直接———不符合迈克尔逊 － 莫雷实验所验证了的“光速不变原理”； 但相对论力学的纰漏 却很致命———虽然符合迈克尔逊 － 莫雷实验所验证了的“光 速不变原理”，但其结论却与自身前提相矛盾。 由此看来，迈克尔逊 － 莫雷实验是引发上述矛盾的根本 原因，这种矛盾迫使我们不得不做出一个推测： 迈克尔逊 － 莫雷实验本身存在问题，它的实验过程是不科学的。 基于这一推测，我们来重新审视迈克尔逊 － 莫雷实验。 实验的装置如图 4 所示：
相对论力学是在与牛顿力学的争论中产生的，关于二者 的分歧以及最终导致相对论公式产生，是从下面的物理学经 典模型开始的。
小车以相对于地面速度 v 向右匀速运动，车厢底部安装 有一个光源，光以速度 c 从光源向车厢顶部发射，车厢高 h， 求光分别相对于车厢参考系和相对于地面参考系往返所需 要的时间。
度 v 的合速度运动； 相对论力学认为光子应遵循光速不变原
理，无论车厢相对 于 地 面 静 止 还 是 相 对 于 地 面 匀 速 运 动 ，光
子不会受车厢速度 v 的影响，应始终保持恒定的速度 c 运动。
·46·
一、光速不变原理与相对论光程描述矛盾 在对引言中模型图 1、2 进行仔细研究后可以发现，只要 图 1 中的光程描述能够实现，那么图 2 中的光程描述就一定 能够实现。也就是说，图 1、2 中的光路描述其实等价的，这 一点并不是牛顿力学和相对论力学的真正矛盾所在，而真正 的矛盾在于图 1 中的光程描述本身。图 1 所示的光程很清晰 地显示，光子从发射伊始在水平方向上始终是随车厢一起运 动的，而要实现这 一 点，唯 一 合 理 的 解 释 就 是 承 认 光 子 具 有 惯性。 牛顿力学的计算方法较为熟知，即在承认光子具有惯性 的前提下，将光子的发射速度 c 与车厢的速度 v 合成，最后得 出结论。 相对论力学的计算方法遵循光速不变原理，即光的速度 与光源的运动速度无关，照此推理，图 1 中光子必定不会实 现在水平方向上相对于车厢静止从而沿与车厢底面垂直的 方向运动，而应在水平方向上彻底脱离车厢独自运动。即光 子在被发射的瞬 间，脱 离 了 光 源 和 小 车，并 且 此 后 不 受 任 何 外力的作用，则光子在发射瞬间后的速度应始终等于发射时 的瞬时速度 c，且方向始终竖直向上。因此，相对于车厢参考 系，光子自光源发射经传播到达小车上壁的位置不应是在爱 因斯坦模型中所描述的光源垂直向上方位处的 P 点，而应是 P 点左方的位置 P’点。如图 3 所示：
图 1 车厢参考系下的光路
图 2 地面参考系下的光路
牛顿力学认为： 如果以车厢作为参考系，如图 1 所示，光
源相对于车厢静止，设光往返时间为 t0 ，光走过的光程为 2h， 则
t0
=
2h c
如果以地面作为参考系，如图 2 所示，光源与小车同时
具有向右的速度 v，设光往返时间为 t，由于光不仅具有向上
牛顿力学的解释不遵循光速不变原理，但在相同的参考 系下对光子却给出了相同的动量描述，反而遵循力学相对性 原理； 相对论力学遵循光速不变原理，但在相同的参考系下 对光子却给出了不同的动量描述，反而不遵循力学相对性原 理。因此，光速不 变 原 理 与 力 学 相 对 性 原 理 是 相 互 矛 盾 的 。 此为矛盾之二。
光速不变与力学相对性矛盾问题研究
□乔晓光 王小青
【摘 要】牛顿力学与相对论力学对动力学规律持有不同的观点。经研究计算发现，支撑相对论力学的光速不变原理和力学相 对性原理之间存在深刻的矛盾，并且企图验证光速不变原理的迈克尔逊 － 莫雷实验存在严重的计算错误，说明相对 论力学无论从理论上还是实验上都是不成立的。如果相对论属于系统理论错误，那么产生于上世纪初期以其为基础 的近代量子理论同样会因为失去理论基础而遭遇危机和挑战。
为 p1 = Mv + mv，图 2 中光子水平方向的速度为 v，则 p2 = Mv + mv，满足 p1 = p2 ； 在垂直方向上，左图中合动量 p1 ＇ = mc，而
图 2 中由于 V = c，则其垂直方向的分量为 槡c2 － v2 ，因此合 动量 p＇= m 槡c2 － v2 ，不满足 p1 ＇= 时光的合速度应为
槡c2 + v2 ，根据勾股定理得：
（
vt 2
）
2
+ h2
=（
Vt 2
）
2
将 V = 槡c2 + v2 的平方根代入求解得：
t
=
2h c
即： t = t0 相对论力学认为： 如果以车厢作为参考系，如图 1 所示，
光源相对于车厢静止，设光往返时间为 t0 ，光走过的光程为
2
+ h2
=（
ct 2
）
2，
解得：
t = 2h
槡 c
1
－
v2 c2
即：
t=
t0
槡 c
1
－
v2 c2
牛顿的解释与爱因斯坦的解释之间唯一的不同就在于
当车厢由相对于地面静止变为相对于地面匀速运动之后光
速的变化情况。牛顿力学认为光子未被激发时是随车厢一
起运动的，当被激发后，由于惯性，当以激发速度 c 与车厢速
于 V = 槡c2 + v2 ，则其水平方向的分量为 v，因此合动量 p2 =
Mv + mv，满足 p1 = p2 ； 在垂直方向上，图 1 中由于小车没有垂
直速度，所以合动量 p1 ＇= mc，图 2 中 V = 槡c2 + v2 ，则其垂直
方向的分量为 c，因此合动量 p2 ＇= mc，满足 p1 ＇= p2 ＇。 按照相对论力学的解释： 在水平方向上，图 1 中合动量
2h，则
t0
=
2h c
如果以地面作为参考系，如图 2 所示，车厢虽然具有向 右的速度 v，由于有光速不变原理，因此光的传播速度不会因 为车厢速度的改变而改变，这样光速仍为 c。而光程却发生
槡 槡 了变化，由 2h 变为 2
（
vt 2
）
2
+ h2 ，即 2
（
vt 2
）
2
+ h2
= ct，
则（
vt 2
）
三、迈克尔逊———莫雷实验的计算错误 矛盾斗争到这 里，从 各 自 的 纰 漏 来 看，双 方 已 经 处 于 不 平等的地位： 牛顿力学的纰漏很直接———不符合迈克尔逊 － 莫雷实验所验证了的“光速不变原理”； 但相对论力学的纰漏 却很致命———虽然符合迈克尔逊 － 莫雷实验所验证了的“光 速不变原理”，但其结论却与自身前提相矛盾。 由此看来，迈克尔逊 － 莫雷实验是引发上述矛盾的根本 原因，这种矛盾迫使我们不得不做出一个推测： 迈克尔逊 － 莫雷实验本身存在问题，它的实验过程是不科学的。 基于这一推测，我们来重新审视迈克尔逊 － 莫雷实验。 实验的装置如图 4 所示：