21世纪的牛顿力学 作者:程稳平程实平-第3部分

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等于真空中的传播速度C，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差就等于0。无论将麦克尔逊干涉仪转动多少度，干涉条纹都不应该发生移动。
　　可是，当我们在相对于地面参照系具有相对运动速度…V的某个指定参照系中来分析与地面保持静止状态的麦克尔逊干涉仪的情况时，事情就不那么简单了。

　　参看图2，在指定参照系O中，根据爱因斯坦提出的光速不变原理，光在任何方向上都句有相同的传播速度C。但是请注意，在参照系O中，麦克尔逊干涉仪将以速度V作相对运动。在纵向光路上，由于全反射镜以速度V运动，与V同方向前进的光线在穿过45度半透半反射镜后，继续前进到达全反射镜时，所经历的路程是LC　/（C…V）。同样，由于45度半透半反射镜也以速度V运动，在纵向光路上，被全反射镜反射回来的光线在到达45度半透半反射镜之时所经历的路程是LC　/（C＋V）。与此同时，在纵向光路上，由于整个干涉仪器以速度V运动，光线被45度半透半反射镜反射后，从45度半透半反射镜位置前进到全反射镜位置时，所经历的路程是LC　/。同样，由于整个干涉仪器以速度V运动，被纵向光路上的全反射镜反射回来的光线在到达45度半透半反射镜之时，所经历的路程也是LC　/。这样，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差将等于：

　　于是，要想在相对于地面参照系具有相对运动速度…V或V的指定参照系中分析与地面保持静止状态的麦克尔逊干涉实验时，也能够计算出两束相干光之间的时间差为0　，就只能假设在横向光路上，麦克尔逊干涉仪的臂长将按照的比例缩短。显而易见，只要将麦克尔逊干涉仪的纵、横向光路改成不等长的光路，人们就不能给出一个可以准确确定出来的缩短比例系数。爱因斯坦提出的光速不变原理同样面临着与洛仑兹提出的分子〃收缩假说〃一样的问题。
　　不仅如此，根据光速不变原理，光在真空中的传播速度与接受者的运动状态无关，光在遭到镜面等物体反射时，反射光在非实物真空中的传播速度仍然等于入射光在非实物真空中的传播速度，但反射光的波长和频率会随着镜面相对于非实物真空中的光传播媒介物质所作的相对运动进行改变。经过纵向光路出来的光线频率已由于45°半透半反射镜相对于指定参照系以速度V运动而发生了相应地改变，同时经过横向光路出来的光线也因为全反射镜和45°半透半反射镜相对于指定参照系以速度V运动，其频率先后发生了两次相应地改变，只是两次频率的改变正好相反，最后到达光接受屏处的频率与入射光频率保持相同。这样，从纵向光路出来的光束与从横向光路出来的光束将在频率上会有所不同，它们在发生干涉时将产生〃拍频〃，干涉条纹应该出现时明时暗的交替变化。当V值取的比较小时，这种明暗交替的变化应表现得很明显；而当V值取的很大时，两束光线已经不能产生干涉，在光接受屏上看到的应该是均匀的明亮光斑。人们在实验中从来没有看到过这种根本不可能发生的情况！
　　其实，人们只要将与绝对空间保持静止状态的〃以太〃海改成可以与地面保持作任意匀速运动的〃真空〃海，光线在与绝对空间保持静止状态的〃以太〃海中以恒定不变的速度进行传播，就变成了光相对于不受实际条件限制的任何一个惯性参照系都具有完全相同的真空传播速度。新的假设虽然能够把与干涉仪器保持静止状态的地面参照系中出现的光程差计算困难消除掉，但是它却引来了更严重的恶果。那就是替代〃以太〃构成真空的〃非实物粒子〃是比〃以太〃粒子更让人们难以理解的特殊物质，它怎么可能同时与任意两个相互作匀速直线运动的坐标系都处于静止状态呢？如果确有其事，在与光速有关的物体相对运动观察中，人们就将得出违背数学基本规则的速度叠加计算式子：
　　C　＝　C　－　V1　＝　C　＋　V1　＝　C　－　V2　＝　C　＋　V2　＝　…　
　　宇宙空间并不存在完全没有物质的绝对真空。人们以往所说的真空，实际上指的是只存在不构成实物的基本粒子的空间。光既能在构成实物的空间中传播，也能在不构成实物的基本粒子的空间中传播。光在物质媒介中的传播速度，将由分布在宇宙自然界中的光传播媒介物质所决定。人们可以设想在由非实物粒子构成的空间中，光源向任何方向发出的光线相对于光源周围的非实物传播媒介物质都具有完全相同的传播速度。无论是相对于建立在地球表面上好用的惯性参照系，还是相对于建立在太阳或其它星球表面上好用的惯性参照系，光相对于这其中的任何一个惯性参照系都具有完全相同的传播速度。光在非实物空间中的传播速度既与光源的运动状态无关，也与接受者的运动状态无关。
　　对安置在地面上与地面保持静止的麦克尔逊干涉仪来说，由于在地球表面空间中的所有存在物质都要受到地球万有引力的作用和惯性定律的制约，干涉仪周围空间中的非实物粒子都相对地面处于静止状态中，人们根据光在真空中传播时其速度永远等于某个常量的理由，完全能够解释麦克尔逊干涉仪在地面上转动方位后干涉条纹不会发生移动的事实。但是这个解释理由充分得过了头。人们在麦克尔逊干涉实验中，把其中一个相干光走过的光路改成玻璃或水等可传播光线的实物介质，另一个相干光走过的光路仍然为非实物粒子的真空，无论人们在水平面上把麦克尔逊干涉仪转动到哪一个方位，都不会从光线接受屏上看到干涉条纹有任何移动。人们显然不能据此推断说：光在真空及其它可传播光线的实物介质中都是相同的速度。
　　实验证明，光在不同传播媒介中的运动速度不同，本质上是光在不同传播媒介物质中传播时具有不相同的波长。好似人在好走的路上行走时迈出的步子会大一点，在难走的路上行走时迈出的步子会小一点。但只要走过的路线及其起始、终止位置已经确定，不管人在行走时的速度是快是慢，他所走过的路程都完全相同。由于光在均匀的每一种传播媒介物质中传播时所具有的每个波长都恒定相等，光在确定的空间路线经过后，它需要〃迈出〃的波长〃步子〃数值，就已经由具体经过的几何路程及其在传播媒介物质中所特有的波长长度完全决定了。人们可以在麦克尔逊干涉仪器的45°半反半透镜与互相垂直的全反射镜位置各安装上1个滑轮，分别用两根完全一样的黑白相间的链条沿着〃麦克尔逊干涉实验〃中两条相干光线经过的光路拉起来。在这里，黑色链子用以表示光波的负半波长，白色链子用以表示光波的正半波长，每个黑色链子与每个白色链子的大小完全相同。当人们以快慢不同的速率同时拉动汇合在一起出来的两根链条时，都会看到汇合在一起出来的两根链条上黑白链子之间挫开的位置变化永远保持着完全相同的距离，它们只与两根链条沿着两条相干光线经过的光路长度有关，而与运动速度无关。按照波动理论，两条相干光束所产生的干涉条纹只与它们之间的位相差有关，两条相干光束走过的光程差保持不变，也就等同于它们之间的位相差没有发生变化，〃麦克尔逊干涉实验〃除了否定光是在绝对静止的〃以太〃海中以恒定不变的速度进行传播外，只是证明了光在真空中传播时其波长保持不改变。
　　正是由于光在真空中传播时其波长保持不变，而且这是与参照系的运动状况无关，显然可以在任意参照系中直接传递应用的事实。人们在20世纪后期，已改成采用光在真空中传播时的波长来作为长度计量的基准。
　　有人提出，可以把麦克尔逊干涉仪看成一个系统，在运动系中看这个系统的质量增加了，因而作为系统一部分的光子的能量也应该增加，从而使光子的波长也按洛仑兹收缩缩短。如果这种见解属实，就意味着干涉条纹之间的间隔也要发生相应变化。然而实际情况是，干涉条纹没有发生移动，干涉条纹之间的间隔也没有发生变化。此外，采用扬氏双缝干涉实验，可以更加简单明了的证明不存在这种波长会按洛仑兹收缩系数缩短的推测。
　　从原理上讲，真正的光速不变，只有在只使用同一个光源发出的光线在空间传播呈现出来的波长和振动周期同步定义长度与时间的单位标准，并永远将其作为长度与时间的计量基准时，该光源发出的光线相对于任何参照系测量出来的相对运动速度才是一个由定义造成的比例常数。
　　人们在做光学干涉实验时，从同一个光波分解出来的两束相干光已经分别扮演了担任长度计量基准与时间计量基准的角色，人们当然也就不能通过所做的光学干涉实验，发现光在传播过程中相对于不同运动速度的参照系是否发生了相对速度上的改变。所以，人们得出光在真空中的传播速度相同，与光源的运动状态无关的结论，其判断根据是人们在对天体的观察中发现所有星体的光行差都相等，并不是来源于在实验室中所做的光学干涉实验。鉴于人们不可能在任何场合中或任何情况下，都只用惟一的一个发光光源发出的光波同时既作为空间长度的计量基准，又作为标准时间的计量基准，人们根据定义得到的〃光速不变原理〃在实际的研究工作中没有使用价值。它反而到是提醒人们，在对物理世界中的物体相对运动作理论上的研究探讨时，一定要注意防止由于人为给予的某种规定所导致的误会理解。



三、怎样解释光的多普勒效应

　　光具有波粒二象性，光波是光子在通过光传播媒介物质时所表现出来的宏观特征。人们以往所说的真空，仅仅指的是没有电子、质子、中子等构成实物的基本粒子的空间。在现实自然界中，除了存在着构成实物的基本粒子外，还存在着许多不构成实物的基本粒子。由于光波属于〃几率波〃，人们根据电磁波数学方程推导得出的公式，只是正确地描述了光子在实际的运动过程中能够到达空间每个位置的几率是多大。而导致光子在实际的运动过程中能到达空间每个位置的几率，不仅与光源所发出的光子振动频率有关，同时还与实际空间的具体构造、传播媒介物质有关。光既能在构成实物的基本粒子的某些空间中传播，也能在不构成实物的基本粒子的空间中传播。光在物质媒介中的传播速度，将由分布在宇宙自然界中的光传播媒介物质所决定。
　　从原理上讲，光子还可以在没有任何物质媒介的绝对真空中运动前进，从光源发出的光子还未进入到光传播媒介物质中之前，光子的运动速度仍然要遵守速度合成法则。所以，当光源相对于理想惯性参照系进行相对运动时，它向任何方向发出的光子在进入周围的媒介物质中后，虽然都表现为完全相同的传播速度，但光源朝不同空间方向上发出的光子会伴随着光源的运动增加或减少动能，它们的振动频率就将发生相应的改变。请注意，牛顿第二定律已经不适用于对高速的光子运动进行分析。人们不能继续使用牛顿第二定律分析光子的运动规律，同时也不能用根据牛顿第二定律推导得出的质速关系式计算光子在速度小于C时对应的质量是多少。譬如，光在水和玻璃等光传播媒介中的传播速度都小于光在空气中的传播速度，但光子在不同的光传播媒介中传播时并没有改变过振动频率，它说明光子具有的能量并不只是由光子在前进方向的动能所构成。人们从光子具有振动和前进两个方面的运动特性，可以知道光子具有的能量应该由振动方向的能量与前进方向的动能两部分所构成。
　　我们先考虑一下光源相对于理想惯性参照系处于静止状态，周围空间为绝对真空的情况。此时，光源发出的光子，其振动频率ν与发射光子的物体给予它的能量E之间存在着关系　E＝hν。同时，光子在离开发射光子的电子时具有电子绕原子核转动和自身旋转所共同形成的切向线速度C　。根据质能换算关系可得出光子具有的能量为　E　＝　MC2　＝　hν，光子的质量为　M　＝　hν/　C2。由于光子具有的能量由振动方面的能量L　与前进方面的动能E′　两部分所构成，因此有　L　＋　E′＝　E　。显然，光子在振动方面的能量与在前进方面的动能之间不一定是1比1的关系。但是在光源相对于理想惯性参照系处于静止状态，周围空间为绝对真空的情况下，光子在振动方面与前进方面所分配到的能量似乎应该表现为均分状况，即：L　＝　E′＝　MC2/2　。根据质量为m的物质以速度u前进具有的动能正比于　mu2