Physics 版 (精华区)

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标  题: 白话相对论[3](转寄)(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年11月23日16:24:07 星期五), 转信

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发信人: xkz (ice), 信区: Physics
标  题: 白话相对论[3]
发信站: 武汉白云黄鹤站 (2001年06月01日15:32:43 星期五), 站内信件


光的悲剧
光的传播并不是瞬时的
　　
　　我们已经讨论了运动的相对性以及可能有无数个惯性系的存在，在这些惯性系里，
物体运动的规律都是相同的。但是，还有另外一种运动，乍看起来同我们建立的原理是
矛盾的。这就是光的传播。
　　
　　光的传播速度是每秒30万公里，这一巨大的速度对于我们来说是难以想象的。这是
因为我们通常熟悉的速度要比光速小得多，他们之间的差异非常悬殊。例如，在我们知
道的与之有关的物体运动中，地球绕太阳旋转的速度是很大的，但尽管如此，地球旋转
的速度也只不过是每秒30公里而已。
光速可以改变吗？
　　
　　光传播的巨大速度，其本身也不是什么奇特的现象，但令人惊奇的是光速的永恒不
变性。
　　
　　我们能够人为地加大或者减低一个物体的运动速度，甚至可以增减枪弹的射速。我
们只需要在子弹前方，放置一个沙箱，子弹传破沙箱后，其速度就会减低。
　　
　　光传播的情况就不同了。让我们在一束光线通过的途中，放置一个玻璃盘子。因为
光通过玻璃的速度，要比在真空中传播的速度小。按常理说，这样一来，这束光传播的
速度就会降低，但是，光线通过玻璃以后，它又恢复每秒30万公里的速度。
　　
　　子弹的速度主要由于枪内的构造和弹药的特性来决定。而对于光来说，不管是什么
光源，光的速度总是相同的、不变的。
　　
　　由此我们知道，光在真空中的传播有其非常重要的特性，即光速不可能加大或者减
小。
运动的相对性原理会被动摇吗？
　　
　　光在真空中的传播特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾。
　　
　　设想有一列以每秒24万公里飞驰的火车，我们乘上这列火车的第一节车厢，在最后
一节车厢里同时打开一盏电灯。这时测量电灯光从车厢一端向另一端传播所需要的时间
，我们很容易推断出一种“奇特”的现象。
　　
　　相对于每秒24万公里的火车来说，光看起来仅以每秒30万-24万=6万公里的速度传播
。这似乎是光必须追赶第一节车厢。如果，位置相反，我们在火车的第一节车厢安置一
盏电灯，并测量出光到达尾节车厢所需的时间，这是的速度就是24万+30万=54万公里。

　　
　　于是在一列运动的火车上看起来，光传播的方向不同，其速度也不相同。而在一列
静止的火车上，光传播的方向不同，速度却是相同的。
　　
　　子弹运动的情况完全不同。假如在运动的火车上大强，不管子弹运动的方向同火车
运动的方向相同还是相反，相对于火车子弹的速度总是不变的。
　　
　　事实是这样的：子弹的速度是由枪的射速决定的，而光的速度却并不会因为灯泡的
运动情况而改变。
　　
　　由此我们似乎可以得出这样的结论：光的传播速度同运动的相对性原理相矛盾。相
对于运动的或静止的车厢，子弹的射速都是相同的。而在一列以每秒24万公里的速度飞
驰的火车上，光传播的方向同火车运动方向相同时，光的速度是在静止火车上的1/5。而
当光传播的方向同火车运动方向相反时，光的速度是在静止火车上的1.8倍。
　　
　　这同我们在上一期所介绍的相对性原理是完全不同的。
由实验做出决定
　　
　　面对这一矛盾怎么办呢？在提出这一情况的看法和意见之前，先让我们考虑下面的
这样一个情况：光的传播同运动的相对性之间的矛盾完全是来自人们的主管臆造。必须
承认，这一主观臆造在某种情况下，还是很有说服力的。但是，如果我们仅仅相信主观
推断，就会成为那些试图从脑袋里生成自然规律的古代哲学家。按照这样的方法去解释
世界，有朝一日，客观世界将成为一个面目全非的东西。
　　
　　实验是一切物理理论的最高鉴定者。因而我们不应把自己束缚在空泛的议论与想象
之中，因而必须投入到实验的实践中去。实验将会表明，在这种情况下，光实际是如何
传播的。
　　
　　我们的实验将因为这样的事实变得比较方便：我们自己生活的地球就是一个运动的
物体。地球绕着太阳转，它的运动不是直线的，因而相对于任何惯性系，它不可能处于
恒久的静止状态。
　　
　　与一个参照系相对而言，地球在二月是静止不动的。但到了七月，地球又肯定是处
于运动之中了。这是因为地球绕太阳旋转的方向改变了。实际上，我们在地球上研究光
的传播，是在一个以每秒30公里的速度运动着的物体上进行的，这一条件对我们的研究
起着不可忽视的影响。
　　
　　前面我们讨论过光在以列运动中的火车上传播的情形。那么我们的地球是否和这一
运动中的火车一样呢？我们曾设想，那列火车作匀速直线运动，而地球却是沿着圆形轨
道运动的。尽管如此，我们还是可以把地球看作是做匀速直线运动。从观察的的观点考
虑，这其中存在误差，但这一误差是极其微小的，甚至小得很难观测出来。
　　
　　既然我们把地球比作火车，我们自然会想到：光在地球上的传播情形应该和光在火
车上的传播情形相同，即光沿不同的方向传播，其速度不同。
相对论被证实
　　
　　1881年，美国实验物理学家A·麦克尔逊作了关于上述问题的实验。A·麦克尔逊以
高度的准确性测量了光沿着不同方向传播的速度数值。为了探测预想中的微小差别，A·
麦克尔逊使用了非常精确的实验设备，他的实验精确性很高，他测量出来的速度差别比
预想中的差别要小得多。
　　
　　A·麦克尔逊的实验，以后在不同的条件下又作过多次。他的实验得到了出乎预料的
结果。在一个运动着的参照系里，光的传播情形同我们在前面推想的恰恰相反。A·麦克
尔逊发现，在地球上，光向任何方向传播，其速度都时相同的、不变的。在这一意义上
，光的传播使我们联想到子弹的飞行。前面我们曾经设想，在一列运动中的火车上，子
弹运动同火车的运动无关。同车厢相对而言，子弹向任何方向运动，其前进速度是相同
的。
　　
　　于是，A·麦克尔逊的实验证明：同我们的推想恰恰相反，光的传播同运动的相对性
原理并不矛盾，而是完全符合运动的相对性原理。这也就是说，我们在前面“运动的相
对性原理会被动摇吗”一节中所作的推理是完全错误的。
为什么犯错误？
　　
　　我们已经摆脱了光传播的规律同相对性原理之间令人不快的矛盾。当然，这种矛盾
是由于我们错误的推想而造成的，而不是真正存在着矛盾。为什么会犯这样的错误呢？

　　
　　从1881年到1905年，几乎经历了四分之一世纪，物理学家们为了这个问题绞尽脑汁
。但是他们对这一问题的一切解释，都不可避免的导致理论与实践之间的新的矛盾。在
相继出现的各种解释中，一切无视A·麦克尔逊实验所取得的意想不到的结果，而坚持与
其持相反观点的，都将归于失败。
　　
　　现在，不妨让我们总结一下。
　　
　　A·麦克尔逊的实验进一步证实，运动的相对性原理不仅适用于一般物体的运动，而
且也是用于光的传播，因而也适用于一切自然现象。
　　
　　我们已经注意到，速度的相对性直接源于运动的相对性这一理论。相对于运动中的
不同参照系的物体，其运动速度不同。但是，每秒30万公里的光速，在任何参照系里都
是相同的，因此光速是绝对的，而不是相对的。（未完待续）
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