韋永驍

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

關鍵詞：空間 媒質(zhì) 光速不變 相對論 光

相對論提出一個重要論斷：無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常數(shù)，簡稱光速不變原理。目前，光被當成粒子看待，而這個“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，應該還原光的本質(zhì)屬性-波動性，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，同時需要承認波的傳播必定需要媒質(zhì)，否則難以解釋波速恒定的問題。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。為簡化計算，只考慮一維空間（以下同），設觀察者不動，如光源朝觀察者運動，光波頻率發(fā)生藍移，光速不受光源影響，如光源背觀察者運動，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)被實驗證實了的事實。

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

t1=（L-vt1）/c

即 t1=L/（c+v）

設波尾傳播到觀察者所經(jīng)歷的時間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、觀察者背光源運動的時候，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動，光速是否會變呢？設光源速率為v，隨動的空間媒質(zhì)長度為La，光源位于空間媒質(zhì)的尾部，當光源開始發(fā)射光波時，光源與觀察者之間的間距為L。下面計算光需要多久才能傳到觀察者，光穿過隨動空間媒質(zhì)所需要的時間為：

ta=La/c

波前離開隨動空間媒質(zhì)，到達觀察者的時間為：

t1=（L-vta）/c

即：t1=（L-vLa/c）/c

總時間t=ta+ t1=（L+ La -vLa/c）/c

從上式看出，運動的光源如果挾帶一段空間媒質(zhì)一起運動，則光傳輸?shù)接^察者的時間就會改變，對于觀察者來說，等效于光速不恒定，原因是隨動的媒質(zhì)裹挾著光前行，光的實際速率達到c+v。要保持光速不變性，運動物體絕不能帶動空間媒質(zhì)一起運動。伽利略在講述性慣性參照系的時候，拿一個勻速直線運動的密閉空間（船）作為例子，由于物質(zhì)不能帶動空間媒質(zhì)一起運動，無法構成一個密閉空間，無法構成伽利略心目中的船。

回顧狹義相對論的實驗基礎邁克爾遜-莫雷實驗。設真空中有兩個點A和B，B在前、A在后以同樣的速度v在空間媒質(zhì)中勻速直線運動，兩點的間距為d，點A放置光源，點B放置反射鏡，容易算出點A發(fā)出的光經(jīng)點B反射后回到點A所需時間t為：

上式表明，這種情況下，時間t變大了，似乎光速變小了，這與邁克爾遜-莫雷實驗的結果不符，為此，洛倫茲推出了著名的洛倫茲變換，提出尺縮效應和時鐘延緩效應。將上式改寫為：

則（1）式變成

如把D和T當成隨點A移動的觀察者測得的間距和時間，則他測到的光速保持不變。這就能夠解釋邁克爾遜-莫雷實驗的結果。（2）式要求，相對于空間媒質(zhì)運動的物體，其上的觀察者測量到物體在運動方向上的長度會變大（尺縮效應），從物理角度看，在介質(zhì)中運動的物體，在空間阻力（慣性力）和推力的共同作用下，其長度會縮短;（3）式要求，隨物體運動的觀察者測量到的時間變短（時鐘延緩效應），可以理解為構成物質(zhì)的基本粒子在高速運動時在空間阻力和推力的作用下，結構發(fā)生壓縮，導致固有運動周期發(fā)生改變，與之為基礎的計時工具發(fā)生改變。

但愛因斯坦不滿足于此，提出不需要以太這種假設，任何慣性參照系都是平權的，在任何一個慣性參照系的觀察者看來，其他有相對運動的慣性參照系都有尺縮效應和時鐘延緩效應。狹義相對論對人們的時空觀進行了一次革命，但也引發(fā)了一系列悖論，比如孿生子佯謬，狹義相對論對此無法自圓其說，沒有自洽性。愛因斯坦后來提出廣義相對論，認為空間可以影響物質(zhì)，空間扭曲可以影響光的傳播方向，這個論點已被使實驗證實。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)的運動，那么空間就必須被當成物質(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論的種種矛盾。

有了“空間媒質(zhì)”這個物質(zhì)基礎，我們再來看看怎么解釋孿生子佯謬。假設地球相對于空間媒質(zhì)的速率較小，宇宙飛船相對于空間媒質(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于空間媒質(zhì)的速率大，時鐘延緩效應大，顯得比較年輕，而留在地球上的那位由于相對于空間媒質(zhì)的速率較小，時鐘延緩效應小，顯得比較老。如果地球相當于空間媒質(zhì)的速率較大，結果就是留在地球上的那位顯得年輕些。

空間媒質(zhì)說雖然解釋了孿生子佯謬，但同時也說明相對于空間媒質(zhì)的速率不同的慣性參照系確實并不平權。事實上，廣義相對論已經(jīng)得出結論，質(zhì)量分布不同的參照系由于空間扭曲不同，光和其他粒子的運動規(guī)律就會不同。要求兩個慣性參照系平權，除非這兩個慣性參照系（及其鄰近區(qū)域）的質(zhì)量分布完全一致或者沒有任何質(zhì)量存在。所以說，廣義相對論從內(nèi)容上看，更象“絕對論”。