韋永驍

摘要：將光視為一種波，以廣義相對(duì)論的空間當(dāng)做光傳播的媒質(zhì)，分析光速不變性、尺縮效應(yīng)、時(shí)鐘延緩效應(yīng)與空間媒質(zhì)的關(guān)系，解釋相對(duì)論孿生子佯謬。

關(guān)鍵詞：空間 媒質(zhì) 光速不變 相對(duì)論 光

相對(duì)論提出一個(gè)重要論斷：無(wú)論在何種慣性參照系中觀察，光在真空中的傳播速度都是一個(gè)常數(shù)，簡(jiǎn)稱光速不變?cè)?。目前，光被?dāng)成粒子看待，而這個(gè)“粒子”一旦產(chǎn)生，就擁有恒定的速度，不需要加速或減速，這違反了粒子的基本屬性，應(yīng)該還原光的本質(zhì)屬性-波動(dòng)性，把光子看作帶有粒子性的波，頻率很高的光波粒子性明顯，可看作孤立波，同時(shí)需要承認(rèn)波的傳播必定需要媒質(zhì)，否則難以解釋波速恒定的問(wèn)題。經(jīng)典以太媒質(zhì)存在很大缺陷，不適合做光的傳播媒質(zhì)，廣義相對(duì)論提出的“空間”可以影響光的傳播，因而適合作為波的傳播媒質(zhì)，稱為空間媒質(zhì)。

下分析為何光速不變。為簡(jiǎn)化計(jì)算，只考慮一維空間（以下同），設(shè)觀察者不動(dòng)，如光源朝觀察者運(yùn)動(dòng)，光波頻率發(fā)生藍(lán)移，光速不受光源影響，如光源背觀察者運(yùn)動(dòng)，光波頻率發(fā)生紅移，光速也不受光源影響，這與聲波類似，并且已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了的事實(shí)。

考慮光源不動(dòng)，觀察者朝光源運(yùn)動(dòng)，由于光源與媒質(zhì)都不動(dòng)，光速?zèng)]有任何理由改變。設(shè)觀察者速率為v，初始發(fā)射光時(shí)觀察者與光源的間距為L(zhǎng)，光源發(fā)射光波所需的時(shí)間為t，設(shè)波包的波前傳到觀察者時(shí)經(jīng)歷的時(shí)間為t1，則波前實(shí)際傳輸?shù)木嚯x為L(zhǎng)-vt1，所以有：

t1=（L-vt1）/c

即 t1=L/（c+v）

設(shè)波尾傳播到觀察者所經(jīng)歷的時(shí)間t2為：

t2=（L-vt-vt2）/c

即 t2=（L-vt）/（c+v）

從上式看出，波尾傳播的時(shí)間小于波前，波包被壓縮，意味著光的頻率變大。同樣地，光源不動(dòng)、觀察者背光源運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，光速不變，但頻率變小。

如果光源挾帶一段空間媒質(zhì)一起朝靜止觀察者運(yùn)動(dòng)，光速是否會(huì)變呢？設(shè)光源速率為v，隨動(dòng)的空間媒質(zhì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)a，光源位于空間媒質(zhì)的尾部，當(dāng)光源開(kāi)始發(fā)射光波時(shí)，光源與觀察者之間的間距為L(zhǎng)。下面計(jì)算光需要多久才能傳到觀察者，光穿過(guò)隨動(dòng)空間媒質(zhì)所需要的時(shí)間為：

ta=La/c

波前離開(kāi)隨動(dòng)空間媒質(zhì)，到達(dá)觀察者的時(shí)間為：

t1=（L-vta）/c

即：t1=（L-vLa/c）/c

總時(shí)間t=ta+ t1=（L+ La -vLa/c）/c

從上式看出，運(yùn)動(dòng)的光源如果挾帶一段空間媒質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)，則光傳輸?shù)接^察者的時(shí)間就會(huì)改變，對(duì)于觀察者來(lái)說(shuō)，等效于光速不恒定，原因是隨動(dòng)的媒質(zhì)裹挾著光前行，光的實(shí)際速率達(dá)到c+v。要保持光速不變性，運(yùn)動(dòng)物體絕不能帶動(dòng)空間媒質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)。伽利略在講述性慣性參照系的時(shí)候，拿一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的密閉空間（船）作為例子，由于物質(zhì)不能帶動(dòng)空間媒質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)，無(wú)法構(gòu)成一個(gè)密閉空間，無(wú)法構(gòu)成伽利略心目中的船。

回顧狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。設(shè)真空中有兩個(gè)點(diǎn)A和B，B在前、A在后以同樣的速度v在空間媒質(zhì)中勻速直線運(yùn)動(dòng)，兩點(diǎn)的間距為d，點(diǎn)A放置光源，點(diǎn)B放置反射鏡，容易算出點(diǎn)A發(fā)出的光經(jīng)點(diǎn)B反射后回到點(diǎn)A所需時(shí)間t為：

上式表明，這種情況下，時(shí)間t變大了，似乎光速變小了，這與邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不符，為此，洛倫茲推出了著名的洛倫茲變換，提出尺縮效應(yīng)和時(shí)鐘延緩效應(yīng)。將上式改寫(xiě)為：

則（1）式變成

如把D和T當(dāng)成隨點(diǎn)A移動(dòng)的觀察者測(cè)得的間距和時(shí)間，則他測(cè)到的光速保持不變。這就能夠解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。（2）式要求，相對(duì)于空間媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)的物體，其上的觀察者測(cè)量到物體在運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度會(huì)變大（尺縮效應(yīng)），從物理角度看，在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的物體，在空間阻力（慣性力）和推力的共同作用下，其長(zhǎng)度會(huì)縮短;（3）式要求，隨物體運(yùn)動(dòng)的觀察者測(cè)量到的時(shí)間變短（時(shí)鐘延緩效應(yīng)），可以理解為構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)在空間阻力和推力的作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生壓縮，導(dǎo)致固有運(yùn)動(dòng)周期發(fā)生改變，與之為基礎(chǔ)的計(jì)時(shí)工具發(fā)生改變。

但愛(ài)因斯坦不滿足于此，提出不需要以太這種假設(shè)，任何慣性參照系都是平權(quán)的，在任何一個(gè)慣性參照系的觀察者看來(lái)，其他有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性參照系都有尺縮效應(yīng)和時(shí)鐘延緩效應(yīng)。狹義相對(duì)論對(duì)人們的時(shí)空觀進(jìn)行了一次革命，但也引發(fā)了一系列悖論，比如孿生子佯謬，狹義相對(duì)論對(duì)此無(wú)法自圓其說(shuō)，沒(méi)有自洽性。愛(ài)因斯坦后來(lái)提出廣義相對(duì)論，認(rèn)為空間可以影響物質(zhì)，空間扭曲可以影響光的傳播方向，這個(gè)論點(diǎn)已被使實(shí)驗(yàn)證實(shí)。既然空間可以變形，可以壓縮、膨脹、扭曲，可以影響身在其中的光和其他物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，那么空間就必須被當(dāng)成物質(zhì)看待，如果不是物質(zhì)，談何變形？空間這種物質(zhì)是粒子的載體，也是光的傳播媒質(zhì)。只有將光看作波，并將空間看作光的傳播媒質(zhì)，才能夠解釋狹義相對(duì)論的種種矛盾。

有了“空間媒質(zhì)”這個(gè)物質(zhì)基礎(chǔ)，我們?cè)賮?lái)看看怎么解釋孿生子佯謬。假設(shè)地球相對(duì)于空間媒質(zhì)的速率較小，宇宙飛船相對(duì)于空間媒質(zhì)的速率較大，根據(jù)（3）式，可以立即肯定地回答，坐宇宙飛船出行的那位由于相對(duì)于空間媒質(zhì)的速率大，時(shí)鐘延緩效應(yīng)大，顯得比較年輕，而留在地球上的那位由于相對(duì)于空間媒質(zhì)的速率較小，時(shí)鐘延緩效應(yīng)小，顯得比較老。如果地球相當(dāng)于空間媒質(zhì)的速率較大，結(jié)果就是留在地球上的那位顯得年輕些。

空間媒質(zhì)說(shuō)雖然解釋了孿生子佯謬，但同時(shí)也說(shuō)明相對(duì)于空間媒質(zhì)的速率不同的慣性參照系確實(shí)并不平權(quán)。事實(shí)上，廣義相對(duì)論已經(jīng)得出結(jié)論，質(zhì)量分布不同的參照系由于空間扭曲不同，光和其他粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就會(huì)不同。要求兩個(gè)慣性參照系平權(quán)，除非這兩個(gè)慣性參照系（及其鄰近區(qū)域）的質(zhì)量分布完全一致或者沒(méi)有任何質(zhì)量存在。所以說(shuō)，廣義相對(duì)論從內(nèi)容上看，更象“絕對(duì)論”。