試析邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和光速不變?cè)?/h1>
2015-08-04 05:34廖偉迅
韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào) 2015年10期
廖偉迅
（韶關(guān)學(xué)院旅游與地理學(xué)院,廣東韶關(guān)512005）
試析邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和光速不變?cè)?/p>
廖偉迅
（韶關(guān)學(xué)院旅游與地理學(xué)院,廣東韶關(guān)512005）
摘要：提出利用證偽方法去甄別光行差與邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)——?dú)v史上這兩個(gè)矛盾命題的真?zhèn)危恢赋鳆溈怂鬼f設(shè)置的邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)所假設(shè)光波與地球都相對(duì)“以太”介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)誤前提,是導(dǎo)致該實(shí)驗(yàn)失敗主要原因；而斐茲杰拉——洛倫茲提出運(yùn)動(dòng)的地球參照系可帶動(dòng)“以太”的假設(shè)從而推導(dǎo)出來(lái)的洛倫茲變換僅僅是一個(gè)將錯(cuò)就錯(cuò)為了圓說(shuō)一個(gè)偽命題的徒勞之舉；還指出愛(ài)恩斯坦在沒(méi)有定義光速之前就提出推理所不及的“光速不變?cè)怼笔怯秀３＠淼?而目的就是為了重新包裝“以太”觀點(diǎn)的斐茲杰拉——洛倫茲變換從而引出相對(duì)論的理論,但愛(ài)恩斯坦始終無(wú)法改變洛倫茲變換的“以太”觀點(diǎn)的邏輯推理過(guò)程；分析證明光速不變?cè)肀旧砭褪且粋€(gè)矛盾命題,最后嘗試定義光速.
關(guān)鍵詞：光行差；邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)；相對(duì)論；光速不變?cè)?/p>
光行差是指在同一瞬間,運(yùn)動(dòng)中的觀測(cè)者所觀測(cè)到的天體視方向與相對(duì)該天體靜止的觀測(cè)者所觀測(cè)到天體的真方向之差.
1725年布拉德雷（Brad1ey.James,1693-1762年）在試圖測(cè)量天龍座γ星的周年視差時(shí),測(cè)得該星與預(yù)期方向相反位置的偏移,他認(rèn)為這是光速和地球軌道運(yùn)動(dòng)矢量合成的效應(yīng).后來(lái)他用計(jì)算證明了這一結(jié)論,由此發(fā)現(xiàn)了光行差現(xiàn)象.
布拉德雷在（V⊕/C）的精度上證明地球繞日公轉(zhuǎn)時(shí)其相對(duì)星光（C）的運(yùn)動(dòng)（V⊕）是可測(cè)的（當(dāng)V⊕⊥C時(shí)星光真方向與視方向產(chǎn)生的光行差角約為10-4弧度即約為20″；地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的周年光行差請(qǐng)參見(jiàn)圖1）.
布拉德雷對(duì)光行差的進(jìn)一步測(cè)量研究又發(fā)現(xiàn)了地軸的章動(dòng)現(xiàn)象,并得到了世界的公認(rèn).
麥克斯韋（James C1erk Maxwe11,1831-1879）利用光的干涉原理設(shè)置了一個(gè)比“光行差”觀測(cè)精度高10 000倍的、1887年由邁克爾遜——莫雷完成的試圖測(cè)量地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),此后人們反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明在（V⊕/C）2的精度上,地球公轉(zhuǎn)時(shí)相對(duì)光線(xiàn)（C）的運(yùn)動(dòng)（V⊕）的光行差角是不可測(cè)的.?
圖1 布拉德雷發(fā)現(xiàn)的光行差
1 科學(xué)史上兩個(gè)相互抵牾實(shí)驗(yàn)證偽的提出
對(duì)于同一自然現(xiàn)象,一個(gè)能夠在低精度的實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的結(jié)果,卻在另一個(gè)更高精度的實(shí)驗(yàn)中無(wú)法檢測(cè).顯然這兩個(gè)觀測(cè)結(jié)果是相互矛盾的［1］,兩者當(dāng)中必有一個(gè)是偽命題.
如果麥克斯韋設(shè)計(jì)的高精度實(shí)驗(yàn)的科學(xué)依據(jù)是正確的,那么低精度的布拉德雷光行差測(cè)量結(jié)果是不可信的；反之,如果可以證明布拉德雷光行差測(cè)量結(jié)果是科學(xué)正確的,也就反證了麥克斯韋設(shè)計(jì)的高精度實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)有科學(xué)錯(cuò)誤.
這種證偽之所以必要,不僅是關(guān)涉光行差的問(wèn)題,更是關(guān)乎到近代物理的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題.
邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)是愛(ài)恩斯坦的“光速不變?cè)怼钡囊鲆罁?jù)；而利用“以太”觀點(diǎn)解析“零”結(jié)果實(shí)驗(yàn)的斐茲杰拉-洛倫茲變換卻又是相對(duì)論的理論基礎(chǔ).
所以,很有必要重新審慎地研判科學(xué)史上這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的互相抵牾結(jié)論的真?zhèn)?以辨明正誤.關(guān)于光行差現(xiàn)象,幾乎所有的天文教科書(shū)都沒(méi)提及這一觀測(cè)結(jié)果的測(cè)定原理,為此筆者曾對(duì)光行差的測(cè)定作了專(zhuān)門(mén)研究［2］.
2 光行差測(cè)定的歷史事件的研判
2.1天文照相法不能測(cè)定光行差
關(guān)于光行差測(cè)定的原理,筆者曾問(wèn)及很多天文專(zhuān)家,幾乎都認(rèn)為光行差可以通過(guò)天文照相的方法測(cè)定.這大概是人們認(rèn)為恒星的周年視差不到一個(gè)角秒,都可以用天文照相的方法測(cè)出（見(jiàn)圖2）,而光行差最大值可達(dá)20.5″,必定可用同樣方法測(cè)定.
但這種認(rèn)知有兩個(gè)基本的常識(shí)錯(cuò)誤∶其一,照相術(shù)是在1725年布拉德雷測(cè)定光行差之后的一百多年后才出現(xiàn)的.其二,縱使布拉德雷當(dāng)年掌握了現(xiàn)代照相術(shù),光行差還是不可能通過(guò)天文照相的方法來(lái)測(cè)定的.因?yàn)橹苣旯庑胁畹拇笮≈皇桥c星光方向和地球公轉(zhuǎn)速度方向的夾角有關(guān) （當(dāng)兩者相互垂直時(shí)有最大值20.495 52″；該參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)歷元為2000年）,也就是說(shuō)同一方向恒星光行差的大小完全一致,由此產(chǎn)生的恒星視位移全部相同與恒星的遠(yuǎn)近沒(méi)有關(guān)系,不存在類(lèi)似周年視差那樣有一個(gè)遙遠(yuǎn)而相對(duì)靜止的星空參考背景.這是光行差與周年視差檢測(cè)方法最主要的區(qū)別之一.所以不可能像測(cè)量周年視差那樣（參見(jiàn)圖2）,通過(guò)兩幅時(shí)隔半年同一天區(qū)的高分辨率照片,去對(duì)比近距離的恒星相對(duì)較遙遠(yuǎn)（100 PC以上）背景恒星的視位移,去想當(dāng)然將光行差測(cè)量出來(lái).
可見(jiàn),光行差是根本無(wú)法效仿恒星周年視差這種天文照相方法測(cè)定的.
圖2 恒星周年視差的照相測(cè)定
2.2布拉德雷關(guān)于光行差測(cè)定的自述
布拉德雷在寫(xiě)給哈雷信件（1728年曾發(fā)表于Phi1osoPhica1Transactions）中有關(guān)于光行差發(fā)現(xiàn)過(guò)程的敘述.梳理其中關(guān)鍵要點(diǎn)結(jié)合圖3所示,大致可以表達(dá)為［3］∶①布拉德雷在企圖測(cè)定恒星周年視差位移時(shí),發(fā)現(xiàn)天龍座γ星（實(shí)際為天龍座α星,是其助手拜伊爾標(biāo)記錯(cuò)了）在上中天時(shí)其天頂距（Zγ）有時(shí)偏南有時(shí)偏北；②通過(guò)測(cè)定該星上中天時(shí)的天頂距（Zγ）,可以推算出該星的赤緯（δγ）,布拉德雷一年內(nèi)對(duì)該星的赤緯作70次以上的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)δγ值有系統(tǒng)性的周年變化,變幅40″左右（即相對(duì)δγ的平均值,偏南或偏北±20″左右的變化）；③布拉德雷發(fā)現(xiàn)δγ南北偏差的最大值大致出現(xiàn)在太陽(yáng)位于春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)的季節(jié)（即三月份該星上中天時(shí),地球的運(yùn)動(dòng)方向大致指向當(dāng)?shù)啬宵c(diǎn)S時(shí),其赤緯坐標(biāo)偏南的角度最大,約為-20″；當(dāng)九月份該星上中天時(shí),地球的運(yùn)動(dòng)方向大致指向當(dāng)?shù)乇秉c(diǎn)N時(shí),其赤緯坐標(biāo)偏北的角度最大,約為＋20″）；④同時(shí)布拉德雷還利用與天龍座γ星的赤緯大致相同而赤經(jīng)相差180°一顆對(duì)稱(chēng)暗星作對(duì)比觀測(cè),排除了天龍座γ星這種周期性視位移是章動(dòng)所致；同時(shí)觀測(cè)表明天龍座γ星的赤緯變化比這顆對(duì)稱(chēng)暗星赤緯變化約大2倍,經(jīng)計(jì)算他發(fā)現(xiàn)它們赤緯變化的最大值與其黃緯的正弦相關(guān).⑤布拉德雷還發(fā)現(xiàn)天龍座γ星赤緯坐標(biāo)的偏移方向恰恰與預(yù)期的周年視差的偏移方向相反,斷定這不是恒星周年視差位移……
圖3 光行差的測(cè)定原理
2.3問(wèn)題的分析
在研讀分析上述問(wèn)題時(shí)必須注意∶太陽(yáng)在天球上周年視運(yùn)動(dòng)的向點(diǎn),恰好與地球在軌道上周年真運(yùn)動(dòng)向點(diǎn)的方向相反.比如三月份春分時(shí)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)的向點(diǎn)是北半天球的夏至點(diǎn),此時(shí)地球公轉(zhuǎn)真運(yùn)動(dòng)的向點(diǎn)則是南半天球的冬至點(diǎn)（冬至點(diǎn)赤經(jīng)α＝18 h）,而天龍座γ星的赤經(jīng)與之非常接近（αγ＝17 h 56m 36.4 s現(xiàn)今值）,當(dāng)天龍座γ星上中天時(shí)冬至點(diǎn)（地球運(yùn)動(dòng)的向點(diǎn)）也很接近天子午線(xiàn),此時(shí)冬至點(diǎn)（向點(diǎn)）僅僅比倫敦的南點(diǎn)S高了大約15°緯距（見(jiàn)圖3）.
布拉德雷選擇了赤緯值（δγ＝51°29＇）與格林威治天文臺(tái)緯度（φ＝51°28＇38″）大致相等的天龍座γ星,這樣其上中天時(shí)正好在天頂（Z）附近,星光垂直進(jìn)入大氣層,故無(wú)需作蒙氣差修正以保證測(cè)量的精確度（蒙氣差約為0.006″）.
但這種方法只能測(cè)定地球短周期運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光行差,比如∶地球自轉(zhuǎn)的周日光行差0.3″（赤道處）、地球公轉(zhuǎn)的周年光行差20.5″；而長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)的光行差,比如∶地球跟隨太陽(yáng)本動(dòng)的光行差13″、地球跟隨太陽(yáng)繞銀河系自轉(zhuǎn)的光行差170″以及利用微波背景輻射測(cè)出的指向獅子座369 km/s地球絕對(duì)運(yùn)動(dòng)［4-6］的光行差達(dá)253.9″,都不能用此法測(cè)定,而只能從理論導(dǎo)出.
2.4 布拉德雷的觀測(cè)結(jié)論是真命題
綜上所述∶根據(jù)當(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)精度,結(jié)合布拉德雷信件敘述的要點(diǎn)和筆者復(fù)原圖示的原理以及太陽(yáng)位置與地球運(yùn)動(dòng)空間方向關(guān)系的研判——無(wú)疑低精度測(cè)量地球相對(duì)星光周年運(yùn)動(dòng)的光行差現(xiàn)象,是一個(gè)可信的歷史事實(shí),是真命題,其測(cè)量方法是科學(xué)正確的.這就預(yù)示了麥克斯韋設(shè)計(jì)的高精度實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)有科學(xué)錯(cuò)誤.
3 邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)失敗的原因及其歷史解釋的研判
3.1麥克斯韋設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的依據(jù)
麥克斯韋是最早預(yù)言電磁波的存在并提出電磁波理論的物理學(xué)家.他認(rèn)為光波也是一種電磁波,并說(shuō)∶“光本身乃是以波的形式在電磁場(chǎng)中按電磁規(guī)律傳播的一種電磁振動(dòng).”他將電、磁、光理論進(jìn)行了整合,并從理論上推導(dǎo)出光速常數(shù)C.只是在那個(gè)年代人們對(duì)電磁波的理解還是擺脫不了機(jī)械波的影響,認(rèn)為電磁波包括光波都必須借助一種叫“以太”介質(zhì)方可以傳播,且“以太”是絕對(duì)靜止并萬(wàn)物滲透的,空間里的所有天體、物體都相對(duì)其運(yùn)動(dòng).在這樣的歷史背景下,麥克斯韋在設(shè)置這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)光的傳播作了一個(gè)約定∶光在“以太”介質(zhì)的傳播速度為一常數(shù)C,C值與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān).然后他設(shè)計(jì)了兩個(gè)相互垂直的光路,利用光波的干涉原理去檢測(cè)順地球運(yùn)動(dòng)方向與垂直地球運(yùn)動(dòng)方向兩路光波的光程差Δ（他預(yù)期垂直光路上有光行差角,導(dǎo)致兩路光的行程有差異,按照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)可在光的波長(zhǎng)量級(jí)檢測(cè)到這種光程差異）從而證實(shí)地球相對(duì)“以太”的運(yùn)動(dòng)（參見(jiàn)圖4）.根據(jù)實(shí)驗(yàn)單色光的波長(zhǎng)λ、兩光路的分別臂長(zhǎng)L以及地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)“以太”的速度V⊕可以預(yù)期應(yīng)該觀測(cè)到干涉條紋的變化（精度為
圖4 邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)
1887年首先由美國(guó)人邁克爾遜-莫雷完成這個(gè)試圖測(cè)量檢驗(yàn)地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),但是觀測(cè)不到麥克斯韋預(yù)期的結(jié)果.此后科學(xué)家多次重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn),直到1964年觀測(cè)的地球軌道速度的上限值沒(méi)有超過(guò)實(shí)際值（V⊕）的千分之一［1］.
圖5 在大氣介質(zhì)內(nèi)測(cè)光行差
圖6 恒星光行差的大氣折射偏角
3.2實(shí)驗(yàn)失敗的原因
麥克斯韋假設(shè)“以太”存在的理論前提是錯(cuò)誤的,在地球大氣介質(zhì)內(nèi)部做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)際上能檢測(cè)出來(lái)的只是大氣介質(zhì)光速C＇,而實(shí)驗(yàn)室的大氣介質(zhì)是相對(duì)地球參照系是靜止的,因此C＇就是地球參照系的相對(duì)速度.要想從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中分離出麥克斯韋預(yù)期所謂的“以太”光速C以及地球相對(duì)“以太”的軌道速度V⊕是根本不可能的,更不可能觀測(cè)到它們（C與V⊕）在垂直光路所產(chǎn)生的光行差角（約20″參見(jiàn)圖4）.而均勻的介質(zhì)光速是各向同性的,在這兩個(gè)相互垂直的光路中就不會(huì)出現(xiàn)麥克斯韋預(yù)期的光程差.
麥克斯韋所犯的錯(cuò)誤就類(lèi)似圖5的A示意的情形一樣：在大氣介質(zhì)內(nèi)部用相對(duì)地球靜止的光源去測(cè)定地球參照系公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光行差是不可能的（用角秒精度量級(jí)的經(jīng)緯儀很容易證實(shí)）.因?yàn)榇藭r(shí)光源與望遠(yuǎn)鏡兩者都是相對(duì)地球參照系靜止的,大氣介質(zhì)光速C＇也是相對(duì)地球參照系的速度,根本不可能通過(guò)大氣介質(zhì)光速C＇測(cè)定地球參照系自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（參見(jiàn)圖5的B∶沒(méi)有光行差角,無(wú)法根據(jù)C＇推算出V⊕）.
這正如坐在勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的列車(chē)上,可以通過(guò)窗戶(hù)觀察車(chē)廂外傾斜的雨滴軌跡去感知列車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如同圖1或圖6的狀態(tài)）,而不能通過(guò)在車(chē)廂里面下降的水滴去感知列車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如同圖5的B狀態(tài)）的道理是相同的.
至于有人質(zhì)疑∶在圖1中,用非地球參照系的真空恒星光速去測(cè)量光行差時(shí),星光被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)前也會(huì)進(jìn)入大氣介質(zhì)從而被參與公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的大氣介質(zhì)所曳帶,最終成大氣介質(zhì)光速C＇,這與圖5的B是有何區(qū)別呢？筆者認(rèn)為∶正如圖6所示,在繞日公轉(zhuǎn)的地球參照系中,星光在進(jìn)入大氣前其視方向已經(jīng)相對(duì)真方向發(fā)生大約20″的偏角.進(jìn)入大氣后因星光減速（減速就是真空光速C轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿饨橘|(zhì)光速C＇的標(biāo)志）進(jìn)而發(fā)生折射現(xiàn)象,但對(duì)于偏離天頂20″的恒星入射光線(xiàn)其蒙氣差產(chǎn)生的折射偏角是完全可以忽略的極微小量（約為0.005″參見(jiàn)圖6）.
圖4的實(shí)驗(yàn)之所以失敗,是因?yàn)榈厍騾⒄障祹?dòng)了大氣介質(zhì),導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)大氣內(nèi)部相對(duì)地球靜止的光源的大氣介質(zhì)光速C＇去測(cè)量地球參照系自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).
3.3零結(jié)果實(shí)驗(yàn)歷史解釋的研判
斐茲杰拉-洛倫茲,用參照系帶動(dòng)“以太”的觀點(diǎn)去解釋了邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn).他們只是在麥克斯韋的基礎(chǔ)上將錯(cuò)就錯(cuò)增加了一條約定∶①光在“以太”介質(zhì)的傳播速度為一常數(shù)C,C值與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)（麥克斯韋的原約定）.②運(yùn)動(dòng)的參照系可帶動(dòng)“以太”,因此相對(duì)任何運(yùn)動(dòng)的參照系光速仍然為常數(shù)C（斐茲杰拉和洛倫茲提出的補(bǔ)充約定）.
于是在這兩個(gè)約定的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出斐茲杰拉-洛倫茲變換.從而得出運(yùn)動(dòng)的參照系會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生長(zhǎng)度收縮的假說(shuō)∶即在相對(duì)K系靜止且長(zhǎng)度為L(zhǎng)的物體,其相對(duì)K系以速度V運(yùn)動(dòng)后（即在K＇系中）順著運(yùn)動(dòng)方向上長(zhǎng)度收縮為,因而抵消了麥克斯韋期望的光程差Δ（因?yàn)辂溈怂鬼f的“以太”觀點(diǎn)認(rèn)為∶垂直地球運(yùn)動(dòng)方向上的單程光程恰好就是于是這兩個(gè)方向的光程差Δ＝0）.洛倫茲變換的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程是沒(méi)問(wèn)題的,有問(wèn)題的只是推導(dǎo)前提的兩個(gè)約定是完全虛構(gòu)的.
這個(gè)對(duì)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)解析的結(jié)論預(yù)示∶地球繞日公轉(zhuǎn)的相對(duì)速度無(wú)法測(cè)定,絕對(duì)速度更無(wú)法測(cè)定.顯然這個(gè)長(zhǎng)度收縮的假說(shuō)是在“以太”觀點(diǎn)的兩個(gè)錯(cuò)誤假設(shè)前提下推導(dǎo)出來(lái)的,是否值得取信？
問(wèn)題是一個(gè)能夠用地球參照系的大氣介質(zhì)光速C＇各向同性很簡(jiǎn)約地解釋清楚的零結(jié)果實(shí)驗(yàn),為何非要用一個(gè)“以太”觀點(diǎn)的長(zhǎng)度收縮假說(shuō)去解釋不可？這在邏輯上是講不通的.
歷史上人們最終擯棄了“以太”學(xué)說(shuō),而愛(ài)恩斯坦利用推理所不及的“光速不變?cè)怼敝匦玛U釋了斐茲杰拉-洛倫茲變換的前提對(duì)“以太”介質(zhì)的兩個(gè)約定,卻沒(méi)有改變整個(gè)“以太”觀點(diǎn)的邏輯推理過(guò)程（如圖4所示在大氣介質(zhì)內(nèi)部做這個(gè)實(shí)驗(yàn),同樣不能分離出真空光速C和地球在真空中的公轉(zhuǎn)速度V⊕）,他進(jìn)而引出了相對(duì)論的理論讓人們相信了這個(gè)“運(yùn)動(dòng)方向長(zhǎng)度收縮”的假設(shè).
4 愛(ài)恩斯坦的“光速不變?cè)怼贝嬉?/h2>
4.1“光速不變?cè)怼钡拇_切涵義
愛(ài)恩斯坦的“光速不變?cè)怼睂?shí)際上是用“真空”替換了“以太”概念的斐茲杰拉-洛倫茲變換的兩個(gè)約定前提的另種說(shuō)法,于是“光速不變?cè)怼钡募俣ㄍ瑯泳哂幸韵聝芍睾x［7］（否則無(wú)法推導(dǎo)出斐茲杰拉-洛倫茲變換來(lái)）∶①光在真空中的傳播速度為常量C,C值與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為原理①）.②相對(duì)于任何運(yùn)動(dòng)的慣性參照系,真空光速仍為常量C（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為原理②）.
圖7 光速不變?cè)淼膬?nèi)部矛盾
有悖常理的是,愛(ài)恩斯坦在沒(méi)有定義光速之前就提出“光速不變?cè)怼?然而根據(jù)“光速不變?cè)怼焙x的上述兩重性,他是根本無(wú)法定義光速的.比如,原理①表明∶真空光速C就是相對(duì)靜止空間的絕對(duì)速度——因?yàn)闊o(wú)論光源如何運(yùn)動(dòng)其速度都沒(méi)法迭加到光速C上,所以運(yùn)動(dòng)的光源在某瞬間發(fā)出的光脈沖,其波前的速度必定是以發(fā)出光脈沖瞬間光源的瞬心為中心作球面擴(kuò)散的絕對(duì)速度；但原理②卻明確否定絕對(duì)速度的存在——無(wú)論慣性參照系以什么速度運(yùn)動(dòng),真空光速C都是該參照系的相對(duì)速度.光速究竟是絕對(duì)速度抑或相對(duì)速度——莫衷一是.
4.2“光速不變?cè)怼笔敲苊}
現(xiàn)在首先假定愛(ài)因斯坦的“光速不變?cè)怼笔钦_的.那么如圖7所示∶假設(shè)K＇系相對(duì)靜止的K系作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),在K＇系坐標(biāo)原點(diǎn)O＇上固定一個(gè)光源S,當(dāng)兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)O與O＇重合的瞬間,K＇系的光源S發(fā)出一個(gè)光脈沖.于是按照原理①∶由于C值與光源S運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),光脈沖應(yīng)該按絕對(duì)速度C在K系以O(shè)點(diǎn)（光源發(fā)出光脈沖瞬間的瞬心）為圓心作球面擴(kuò)散；但按照原理②∶光脈沖應(yīng)該按相對(duì)速度C在K＇系以O(shè)＇點(diǎn)為圓心作球面擴(kuò)散,此時(shí)在K＇系C值與光源S的運(yùn)動(dòng)相關(guān).這樣在K＇系就發(fā)生了與原理①矛盾沖突的事件.從而證明原理①與原理②不相容.
這是因?yàn)椤迷恝倜鞔_否定了光源運(yùn)動(dòng)速度對(duì)于光速的可迭加性；但原理②卻又賦以參照系其運(yùn)動(dòng)速度對(duì)于光速的可迭加性；所以一旦將運(yùn)動(dòng)的光源視為參照系就不可避免發(fā)生原理①與原理②矛盾沖突.可見(jiàn)“光速不變?cè)怼焙x的兩重性本身就是一個(gè)矛盾命題.
顯然這種矛盾就是利用“以太”觀點(diǎn)的兩個(gè)錯(cuò)誤假設(shè)前提推導(dǎo)出斐茲杰拉-洛倫茲變換時(shí)所產(chǎn)生的.
問(wèn)題在于,如果沒(méi)有這兩個(gè)以太觀點(diǎn)的假設(shè)前提又推導(dǎo)不出洛倫茲變換,為此愛(ài)恩斯坦只能相信“以太”或許是存在的.1920年愛(ài)恩斯坦在題為《以太和相對(duì)性原理》的演講中說(shuō)∶“根據(jù)廣義相對(duì)論,空間沒(méi)有以太是不可思議的.實(shí)在的,在這種（空虛的）空間中,不但光不能傳播,而且量桿和時(shí)鐘也不可能存在,因此也就沒(méi)有物理意義上的空間—時(shí)間間隔……因此,在這種意義上說(shuō),以太是存在的.［1,8］”
電磁波是物質(zhì)的,在某瞬時(shí)其波前的光子所到達(dá)的空間應(yīng)該是唯一的,不可能在圖7那兩個(gè)人為設(shè)定的參照系中同處兩地.可見(jiàn),愛(ài)恩斯坦的“光速不變?cè)怼贝嬖趩?wèn)題,是一個(gè)視乎沒(méi)有“以太”字眼卻基于以太觀念的假定.
5 嘗試定義光速
筆者認(rèn)為能夠影響光速的不是光源,不是“以太”,更不是人為設(shè)置的參照系.而應(yīng)該是能使光減速的介質(zhì)系統(tǒng),或是能使光拐彎的引力場(chǎng)系統(tǒng),以及能使光譜線(xiàn)分裂（塞曼效應(yīng)）的磁場(chǎng)系統(tǒng),即能夠曳帶光和電磁波的任何受力系統(tǒng).
5.1光速的定義
在上述的前提條件下,對(duì)光速可作如下定義.
定義1光在真空中不受力的情況下,其傳播速度為一常量C,C值與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),C是相對(duì)靜止空間的絕對(duì)速度.
定義2在光的受力系統(tǒng)的慣性參照系中,光速是受力系統(tǒng)的相對(duì)速度,在真空的引力場(chǎng)系統(tǒng)或磁場(chǎng)系統(tǒng)中,光的相對(duì)速度為一常量C＇.
所謂光的受力系統(tǒng)指的是引力場(chǎng)、磁場(chǎng)或介質(zhì)系統(tǒng)等慣性參照系.在真空中C與C＇的量值相同,只不過(guò)前者是絕對(duì)速度,而后者則是相對(duì)速度.在介質(zhì)系統(tǒng)中光的相對(duì)速度為（C＇/n）,其中n為介質(zhì)相對(duì)真空的折射率.
圖8 背景輻射溫差距平在天球上的余弦分布
圖9 太陽(yáng)系絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向與速度
5.2光速定義的闡釋
從定義1可知∶C是一種理想狀態(tài)，在沒(méi)有引力場(chǎng)或零磁場(chǎng)真空里的光源發(fā)出的光波的速度就是絕對(duì)速度C（但這種無(wú)引力場(chǎng)或零磁場(chǎng)的空間幾乎不存在）；或者當(dāng)宇宙只有一顆處于勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的恒星時(shí),且星光越來(lái)越遠(yuǎn)離恒星的引力場(chǎng)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)C＇逐漸趨近于絕對(duì)速度C（顯然這種情況也不存在）.
從定義2可知∶在現(xiàn)實(shí)宇宙里恒星發(fā)出的光線(xiàn)隨著傳播距離增大,光速C＇逐漸成為更高級(jí)別的天體引力系統(tǒng)的相對(duì)速度（這樣雙星系統(tǒng)也不會(huì)出現(xiàn)“魅星”［1］現(xiàn)象）,當(dāng)天體系統(tǒng)越大時(shí)系統(tǒng)的平均速度越接近于零——即系統(tǒng)趨于絕對(duì)靜止［4］,進(jìn)而導(dǎo)致光速C＇逐漸趨近于C成為絕對(duì)速度.
因此,經(jīng)過(guò)非常遙遠(yuǎn)距離（非可視空間）傳播過(guò)來(lái)的3K微波背景輻射的波速,就是相對(duì)巨大靜止天體系統(tǒng)的絕對(duì)速度C.
于是∶美國(guó)人利用U2型飛機(jī)、COBE衛(wèi)星、WMAP衛(wèi)星,探測(cè)到非可視空間3K背景輻射強(qiáng)度平滑處理后的溫差距平 （溫差距平極值約為±0.003 5K±0.000 6K）呈“天空大余弦”（The great Cosine in the Sky［6］參見(jiàn)圖8）分布,就是太陽(yáng)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)［4-6］在3K微波背景輻射穿行時(shí)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)所致.運(yùn)動(dòng)向點(diǎn)（獅子座）的微波背景輻射的頻率較高溫度較高；運(yùn)動(dòng)背點(diǎn)（寶瓶座）的微波背景輻射的頻率較低溫度低（參見(jiàn)圖9）.
從定義2可2知∶在邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)中,人們能檢測(cè)到的大氣介質(zhì)光速,只是地球參照系的介質(zhì)系統(tǒng)相對(duì)速度（C＇/n）,無(wú)法由此獲取參照系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).
6 結(jié)語(yǔ)
光行差的實(shí)質(zhì)恰恰就是∶光速和地球相對(duì)速度的矢量合成導(dǎo)致光的方向和速度發(fā)生了變化所引起的.因?yàn)楣饩€(xiàn)相對(duì)地球的速度發(fā)生了變化,從而否定了光速不變的假設(shè).所以光行差是否定相對(duì)論“光速不變?cè)怼钡闹苯幼C據(jù).
筆者認(rèn)為∶相對(duì)論不應(yīng)該出自一個(gè)基于“以太”觀點(diǎn)而設(shè)計(jì)的失敗實(shí)驗(yàn),以及基于一個(gè)“以太”觀點(diǎn)錯(cuò)誤假設(shè)前提的解析.
本文僅僅只是不認(rèn)同“光速不變?cè)怼奔捌浣^對(duì)速度不可測(cè)量的觀點(diǎn),并嘗試定義光速,以期對(duì)相對(duì)論中的瑕疵給出科學(xué)合理的說(shuō)法,并非全盤(pán)否定相對(duì)論.
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（責(zé)任編輯∶邵曉軍）
中圖分類(lèi)號(hào)：P353.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1007-5348（2015）10-0030-06
［收稿日期］2015-05-21
［作者簡(jiǎn)介］廖偉迅（1953-）,男,廣東陽(yáng)江人,韶關(guān)學(xué)院旅游與地理學(xué)院副教授；研究方向∶自然地理學(xué)、GIS、GPS等.
Analysls of the M lchelson-M orley ExPerlment and the Permanent PrlnclPle of Llght Veloclty of the Theory of Relatlvlty
LIAOWei-xun
（Schoo1 of Tourism and GeograPhy,Shaoguan University,Shaoguan 512005,Guangdong,China）
Abstract:Fa1sifiedmethod is used to identify aberration of 1ight and Miche1son-Mor1ey exPeriment——the two contradictory ProPosition in the history,to come uPwith a wrong Premise that resu1ts in the fai1ure of the exPeriment.It is in vain for Fiji＇s Gera1d-Lorenz to Put forward thatmovement of the earth＇s frame of reference wi11 1ead to″e(cuò)ther″hyPothesiswhich derived from Lorentz transformation because it is just a fa1se ProPosition.It is a1so Perverse for A1bert Einstein to Point out″Permanent PrinciP1e of 1ight ve1ocity″before defining the sPeed of 1ight.And his PurPose is to rePackage the Fiji＇s Gera1d-Lorenz viewPoint″e(cuò)ther″which 1eads to the theory of re1ativity.However,A1bert Einstein sti11cannot change the 1ogica1 reasoning Process of Lorentz transformation of ″e(cuò)ther″.Ana1ysis shows that the Permanent PrinciP1e of 1ight ve1ocity itse1f is a contradiction ProPosition.Fina11y itattemPts to define the sPeed of 1ight.
Key words:aberration；Miche1son-mor1ey exPeriment；the theory of re1ativity；the sPeed of 1ight constant PrinciP1e
廖偉迅
（韶關(guān)學(xué)院旅游與地理學(xué)院,廣東韶關(guān)512005）
試析邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和光速不變?cè)?/p>
廖偉迅
（韶關(guān)學(xué)院旅游與地理學(xué)院,廣東韶關(guān)512005）
摘要：提出利用證偽方法去甄別光行差與邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)——?dú)v史上這兩個(gè)矛盾命題的真?zhèn)危恢赋鳆溈怂鬼f設(shè)置的邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)所假設(shè)光波與地球都相對(duì)“以太”介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)誤前提,是導(dǎo)致該實(shí)驗(yàn)失敗主要原因；而斐茲杰拉——洛倫茲提出運(yùn)動(dòng)的地球參照系可帶動(dòng)“以太”的假設(shè)從而推導(dǎo)出來(lái)的洛倫茲變換僅僅是一個(gè)將錯(cuò)就錯(cuò)為了圓說(shuō)一個(gè)偽命題的徒勞之舉；還指出愛(ài)恩斯坦在沒(méi)有定義光速之前就提出推理所不及的“光速不變?cè)怼笔怯秀３＠淼?而目的就是為了重新包裝“以太”觀點(diǎn)的斐茲杰拉——洛倫茲變換從而引出相對(duì)論的理論,但愛(ài)恩斯坦始終無(wú)法改變洛倫茲變換的“以太”觀點(diǎn)的邏輯推理過(guò)程；分析證明光速不變?cè)肀旧砭褪且粋€(gè)矛盾命題,最后嘗試定義光速.
關(guān)鍵詞：光行差；邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)；相對(duì)論；光速不變?cè)?/p>
光行差是指在同一瞬間,運(yùn)動(dòng)中的觀測(cè)者所觀測(cè)到的天體視方向與相對(duì)該天體靜止的觀測(cè)者所觀測(cè)到天體的真方向之差.
1725年布拉德雷（Brad1ey.James,1693-1762年）在試圖測(cè)量天龍座γ星的周年視差時(shí),測(cè)得該星與預(yù)期方向相反位置的偏移,他認(rèn)為這是光速和地球軌道運(yùn)動(dòng)矢量合成的效應(yīng).后來(lái)他用計(jì)算證明了這一結(jié)論,由此發(fā)現(xiàn)了光行差現(xiàn)象.
布拉德雷在（V⊕/C）的精度上證明地球繞日公轉(zhuǎn)時(shí)其相對(duì)星光（C）的運(yùn)動(dòng)（V⊕）是可測(cè)的（當(dāng)V⊕⊥C時(shí)星光真方向與視方向產(chǎn)生的光行差角約為10-4弧度即約為20″；地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的周年光行差請(qǐng)參見(jiàn)圖1）.
布拉德雷對(duì)光行差的進(jìn)一步測(cè)量研究又發(fā)現(xiàn)了地軸的章動(dòng)現(xiàn)象,并得到了世界的公認(rèn).
麥克斯韋（James C1erk Maxwe11,1831-1879）利用光的干涉原理設(shè)置了一個(gè)比“光行差”觀測(cè)精度高10 000倍的、1887年由邁克爾遜——莫雷完成的試圖測(cè)量地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),此后人們反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明在（V⊕/C）2的精度上,地球公轉(zhuǎn)時(shí)相對(duì)光線(xiàn)（C）的運(yùn)動(dòng)（V⊕）的光行差角是不可測(cè)的.?
圖1 布拉德雷發(fā)現(xiàn)的光行差
1 科學(xué)史上兩個(gè)相互抵牾實(shí)驗(yàn)證偽的提出
對(duì)于同一自然現(xiàn)象,一個(gè)能夠在低精度的實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的結(jié)果,卻在另一個(gè)更高精度的實(shí)驗(yàn)中無(wú)法檢測(cè).顯然這兩個(gè)觀測(cè)結(jié)果是相互矛盾的［1］,兩者當(dāng)中必有一個(gè)是偽命題.
如果麥克斯韋設(shè)計(jì)的高精度實(shí)驗(yàn)的科學(xué)依據(jù)是正確的,那么低精度的布拉德雷光行差測(cè)量結(jié)果是不可信的；反之,如果可以證明布拉德雷光行差測(cè)量結(jié)果是科學(xué)正確的,也就反證了麥克斯韋設(shè)計(jì)的高精度實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)有科學(xué)錯(cuò)誤.
這種證偽之所以必要,不僅是關(guān)涉光行差的問(wèn)題,更是關(guān)乎到近代物理的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題.
邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)是愛(ài)恩斯坦的“光速不變?cè)怼钡囊鲆罁?jù)；而利用“以太”觀點(diǎn)解析“零”結(jié)果實(shí)驗(yàn)的斐茲杰拉-洛倫茲變換卻又是相對(duì)論的理論基礎(chǔ).
所以,很有必要重新審慎地研判科學(xué)史上這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的互相抵牾結(jié)論的真?zhèn)?以辨明正誤.關(guān)于光行差現(xiàn)象,幾乎所有的天文教科書(shū)都沒(méi)提及這一觀測(cè)結(jié)果的測(cè)定原理,為此筆者曾對(duì)光行差的測(cè)定作了專(zhuān)門(mén)研究［2］.
2 光行差測(cè)定的歷史事件的研判
2.1天文照相法不能測(cè)定光行差
關(guān)于光行差測(cè)定的原理,筆者曾問(wèn)及很多天文專(zhuān)家,幾乎都認(rèn)為光行差可以通過(guò)天文照相的方法測(cè)定.這大概是人們認(rèn)為恒星的周年視差不到一個(gè)角秒,都可以用天文照相的方法測(cè)出（見(jiàn)圖2）,而光行差最大值可達(dá)20.5″,必定可用同樣方法測(cè)定.
但這種認(rèn)知有兩個(gè)基本的常識(shí)錯(cuò)誤∶其一,照相術(shù)是在1725年布拉德雷測(cè)定光行差之后的一百多年后才出現(xiàn)的.其二,縱使布拉德雷當(dāng)年掌握了現(xiàn)代照相術(shù),光行差還是不可能通過(guò)天文照相的方法來(lái)測(cè)定的.因?yàn)橹苣旯庑胁畹拇笮≈皇桥c星光方向和地球公轉(zhuǎn)速度方向的夾角有關(guān) （當(dāng)兩者相互垂直時(shí)有最大值20.495 52″；該參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)歷元為2000年）,也就是說(shuō)同一方向恒星光行差的大小完全一致,由此產(chǎn)生的恒星視位移全部相同與恒星的遠(yuǎn)近沒(méi)有關(guān)系,不存在類(lèi)似周年視差那樣有一個(gè)遙遠(yuǎn)而相對(duì)靜止的星空參考背景.這是光行差與周年視差檢測(cè)方法最主要的區(qū)別之一.所以不可能像測(cè)量周年視差那樣（參見(jiàn)圖2）,通過(guò)兩幅時(shí)隔半年同一天區(qū)的高分辨率照片,去對(duì)比近距離的恒星相對(duì)較遙遠(yuǎn)（100 PC以上）背景恒星的視位移,去想當(dāng)然將光行差測(cè)量出來(lái).
可見(jiàn),光行差是根本無(wú)法效仿恒星周年視差這種天文照相方法測(cè)定的.
圖2 恒星周年視差的照相測(cè)定
2.2布拉德雷關(guān)于光行差測(cè)定的自述
布拉德雷在寫(xiě)給哈雷信件（1728年曾發(fā)表于Phi1osoPhica1Transactions）中有關(guān)于光行差發(fā)現(xiàn)過(guò)程的敘述.梳理其中關(guān)鍵要點(diǎn)結(jié)合圖3所示,大致可以表達(dá)為［3］∶①布拉德雷在企圖測(cè)定恒星周年視差位移時(shí),發(fā)現(xiàn)天龍座γ星（實(shí)際為天龍座α星,是其助手拜伊爾標(biāo)記錯(cuò)了）在上中天時(shí)其天頂距（Zγ）有時(shí)偏南有時(shí)偏北；②通過(guò)測(cè)定該星上中天時(shí)的天頂距（Zγ）,可以推算出該星的赤緯（δγ）,布拉德雷一年內(nèi)對(duì)該星的赤緯作70次以上的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)δγ值有系統(tǒng)性的周年變化,變幅40″左右（即相對(duì)δγ的平均值,偏南或偏北±20″左右的變化）；③布拉德雷發(fā)現(xiàn)δγ南北偏差的最大值大致出現(xiàn)在太陽(yáng)位于春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)的季節(jié)（即三月份該星上中天時(shí),地球的運(yùn)動(dòng)方向大致指向當(dāng)?shù)啬宵c(diǎn)S時(shí),其赤緯坐標(biāo)偏南的角度最大,約為-20″；當(dāng)九月份該星上中天時(shí),地球的運(yùn)動(dòng)方向大致指向當(dāng)?shù)乇秉c(diǎn)N時(shí),其赤緯坐標(biāo)偏北的角度最大,約為＋20″）；④同時(shí)布拉德雷還利用與天龍座γ星的赤緯大致相同而赤經(jīng)相差180°一顆對(duì)稱(chēng)暗星作對(duì)比觀測(cè),排除了天龍座γ星這種周期性視位移是章動(dòng)所致；同時(shí)觀測(cè)表明天龍座γ星的赤緯變化比這顆對(duì)稱(chēng)暗星赤緯變化約大2倍,經(jīng)計(jì)算他發(fā)現(xiàn)它們赤緯變化的最大值與其黃緯的正弦相關(guān).⑤布拉德雷還發(fā)現(xiàn)天龍座γ星赤緯坐標(biāo)的偏移方向恰恰與預(yù)期的周年視差的偏移方向相反,斷定這不是恒星周年視差位移……
圖3 光行差的測(cè)定原理
2.3問(wèn)題的分析
在研讀分析上述問(wèn)題時(shí)必須注意∶太陽(yáng)在天球上周年視運(yùn)動(dòng)的向點(diǎn),恰好與地球在軌道上周年真運(yùn)動(dòng)向點(diǎn)的方向相反.比如三月份春分時(shí)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)的向點(diǎn)是北半天球的夏至點(diǎn),此時(shí)地球公轉(zhuǎn)真運(yùn)動(dòng)的向點(diǎn)則是南半天球的冬至點(diǎn)（冬至點(diǎn)赤經(jīng)α＝18 h）,而天龍座γ星的赤經(jīng)與之非常接近（αγ＝17 h 56m 36.4 s現(xiàn)今值）,當(dāng)天龍座γ星上中天時(shí)冬至點(diǎn)（地球運(yùn)動(dòng)的向點(diǎn)）也很接近天子午線(xiàn),此時(shí)冬至點(diǎn)（向點(diǎn)）僅僅比倫敦的南點(diǎn)S高了大約15°緯距（見(jiàn)圖3）.
布拉德雷選擇了赤緯值（δγ＝51°29＇）與格林威治天文臺(tái)緯度（φ＝51°28＇38″）大致相等的天龍座γ星,這樣其上中天時(shí)正好在天頂（Z）附近,星光垂直進(jìn)入大氣層,故無(wú)需作蒙氣差修正以保證測(cè)量的精確度（蒙氣差約為0.006″）.
但這種方法只能測(cè)定地球短周期運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光行差,比如∶地球自轉(zhuǎn)的周日光行差0.3″（赤道處）、地球公轉(zhuǎn)的周年光行差20.5″；而長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)的光行差,比如∶地球跟隨太陽(yáng)本動(dòng)的光行差13″、地球跟隨太陽(yáng)繞銀河系自轉(zhuǎn)的光行差170″以及利用微波背景輻射測(cè)出的指向獅子座369 km/s地球絕對(duì)運(yùn)動(dòng)［4-6］的光行差達(dá)253.9″,都不能用此法測(cè)定,而只能從理論導(dǎo)出.
2.4 布拉德雷的觀測(cè)結(jié)論是真命題
綜上所述∶根據(jù)當(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)精度,結(jié)合布拉德雷信件敘述的要點(diǎn)和筆者復(fù)原圖示的原理以及太陽(yáng)位置與地球運(yùn)動(dòng)空間方向關(guān)系的研判——無(wú)疑低精度測(cè)量地球相對(duì)星光周年運(yùn)動(dòng)的光行差現(xiàn)象,是一個(gè)可信的歷史事實(shí),是真命題,其測(cè)量方法是科學(xué)正確的.這就預(yù)示了麥克斯韋設(shè)計(jì)的高精度實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)有科學(xué)錯(cuò)誤.
3 邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)失敗的原因及其歷史解釋的研判
3.1麥克斯韋設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的依據(jù)
麥克斯韋是最早預(yù)言電磁波的存在并提出電磁波理論的物理學(xué)家.他認(rèn)為光波也是一種電磁波,并說(shuō)∶“光本身乃是以波的形式在電磁場(chǎng)中按電磁規(guī)律傳播的一種電磁振動(dòng).”他將電、磁、光理論進(jìn)行了整合,并從理論上推導(dǎo)出光速常數(shù)C.只是在那個(gè)年代人們對(duì)電磁波的理解還是擺脫不了機(jī)械波的影響,認(rèn)為電磁波包括光波都必須借助一種叫“以太”介質(zhì)方可以傳播,且“以太”是絕對(duì)靜止并萬(wàn)物滲透的,空間里的所有天體、物體都相對(duì)其運(yùn)動(dòng).在這樣的歷史背景下,麥克斯韋在設(shè)置這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)光的傳播作了一個(gè)約定∶光在“以太”介質(zhì)的傳播速度為一常數(shù)C,C值與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān).然后他設(shè)計(jì)了兩個(gè)相互垂直的光路,利用光波的干涉原理去檢測(cè)順地球運(yùn)動(dòng)方向與垂直地球運(yùn)動(dòng)方向兩路光波的光程差Δ（他預(yù)期垂直光路上有光行差角,導(dǎo)致兩路光的行程有差異,按照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)可在光的波長(zhǎng)量級(jí)檢測(cè)到這種光程差異）從而證實(shí)地球相對(duì)“以太”的運(yùn)動(dòng)（參見(jiàn)圖4）.根據(jù)實(shí)驗(yàn)單色光的波長(zhǎng)λ、兩光路的分別臂長(zhǎng)L以及地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)“以太”的速度V⊕可以預(yù)期應(yīng)該觀測(cè)到干涉條紋的變化（精度為
圖4 邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)
1887年首先由美國(guó)人邁克爾遜-莫雷完成這個(gè)試圖測(cè)量檢驗(yàn)地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),但是觀測(cè)不到麥克斯韋預(yù)期的結(jié)果.此后科學(xué)家多次重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn),直到1964年觀測(cè)的地球軌道速度的上限值沒(méi)有超過(guò)實(shí)際值（V⊕）的千分之一［1］.
圖5 在大氣介質(zhì)內(nèi)測(cè)光行差
圖6 恒星光行差的大氣折射偏角
3.2實(shí)驗(yàn)失敗的原因
麥克斯韋假設(shè)“以太”存在的理論前提是錯(cuò)誤的,在地球大氣介質(zhì)內(nèi)部做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)際上能檢測(cè)出來(lái)的只是大氣介質(zhì)光速C＇,而實(shí)驗(yàn)室的大氣介質(zhì)是相對(duì)地球參照系是靜止的,因此C＇就是地球參照系的相對(duì)速度.要想從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中分離出麥克斯韋預(yù)期所謂的“以太”光速C以及地球相對(duì)“以太”的軌道速度V⊕是根本不可能的,更不可能觀測(cè)到它們（C與V⊕）在垂直光路所產(chǎn)生的光行差角（約20″參見(jiàn)圖4）.而均勻的介質(zhì)光速是各向同性的,在這兩個(gè)相互垂直的光路中就不會(huì)出現(xiàn)麥克斯韋預(yù)期的光程差.
麥克斯韋所犯的錯(cuò)誤就類(lèi)似圖5的A示意的情形一樣：在大氣介質(zhì)內(nèi)部用相對(duì)地球靜止的光源去測(cè)定地球參照系公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光行差是不可能的（用角秒精度量級(jí)的經(jīng)緯儀很容易證實(shí)）.因?yàn)榇藭r(shí)光源與望遠(yuǎn)鏡兩者都是相對(duì)地球參照系靜止的,大氣介質(zhì)光速C＇也是相對(duì)地球參照系的速度,根本不可能通過(guò)大氣介質(zhì)光速C＇測(cè)定地球參照系自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（參見(jiàn)圖5的B∶沒(méi)有光行差角,無(wú)法根據(jù)C＇推算出V⊕）.
這正如坐在勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的列車(chē)上,可以通過(guò)窗戶(hù)觀察車(chē)廂外傾斜的雨滴軌跡去感知列車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如同圖1或圖6的狀態(tài)）,而不能通過(guò)在車(chē)廂里面下降的水滴去感知列車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如同圖5的B狀態(tài)）的道理是相同的.
至于有人質(zhì)疑∶在圖1中,用非地球參照系的真空恒星光速去測(cè)量光行差時(shí),星光被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)前也會(huì)進(jìn)入大氣介質(zhì)從而被參與公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的大氣介質(zhì)所曳帶,最終成大氣介質(zhì)光速C＇,這與圖5的B是有何區(qū)別呢？筆者認(rèn)為∶正如圖6所示,在繞日公轉(zhuǎn)的地球參照系中,星光在進(jìn)入大氣前其視方向已經(jīng)相對(duì)真方向發(fā)生大約20″的偏角.進(jìn)入大氣后因星光減速（減速就是真空光速C轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿饨橘|(zhì)光速C＇的標(biāo)志）進(jìn)而發(fā)生折射現(xiàn)象,但對(duì)于偏離天頂20″的恒星入射光線(xiàn)其蒙氣差產(chǎn)生的折射偏角是完全可以忽略的極微小量（約為0.005″參見(jiàn)圖6）.
圖4的實(shí)驗(yàn)之所以失敗,是因?yàn)榈厍騾⒄障祹?dòng)了大氣介質(zhì),導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)大氣內(nèi)部相對(duì)地球靜止的光源的大氣介質(zhì)光速C＇去測(cè)量地球參照系自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).
3.3零結(jié)果實(shí)驗(yàn)歷史解釋的研判
斐茲杰拉-洛倫茲,用參照系帶動(dòng)“以太”的觀點(diǎn)去解釋了邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn).他們只是在麥克斯韋的基礎(chǔ)上將錯(cuò)就錯(cuò)增加了一條約定∶①光在“以太”介質(zhì)的傳播速度為一常數(shù)C,C值與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)（麥克斯韋的原約定）.②運(yùn)動(dòng)的參照系可帶動(dòng)“以太”,因此相對(duì)任何運(yùn)動(dòng)的參照系光速仍然為常數(shù)C（斐茲杰拉和洛倫茲提出的補(bǔ)充約定）.
于是在這兩個(gè)約定的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出斐茲杰拉-洛倫茲變換.從而得出運(yùn)動(dòng)的參照系會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生長(zhǎng)度收縮的假說(shuō)∶即在相對(duì)K系靜止且長(zhǎng)度為L(zhǎng)的物體,其相對(duì)K系以速度V運(yùn)動(dòng)后（即在K＇系中）順著運(yùn)動(dòng)方向上長(zhǎng)度收縮為,因而抵消了麥克斯韋期望的光程差Δ（因?yàn)辂溈怂鬼f的“以太”觀點(diǎn)認(rèn)為∶垂直地球運(yùn)動(dòng)方向上的單程光程恰好就是于是這兩個(gè)方向的光程差Δ＝0）.洛倫茲變換的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程是沒(méi)問(wèn)題的,有問(wèn)題的只是推導(dǎo)前提的兩個(gè)約定是完全虛構(gòu)的.
這個(gè)對(duì)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)解析的結(jié)論預(yù)示∶地球繞日公轉(zhuǎn)的相對(duì)速度無(wú)法測(cè)定,絕對(duì)速度更無(wú)法測(cè)定.顯然這個(gè)長(zhǎng)度收縮的假說(shuō)是在“以太”觀點(diǎn)的兩個(gè)錯(cuò)誤假設(shè)前提下推導(dǎo)出來(lái)的,是否值得取信？
問(wèn)題是一個(gè)能夠用地球參照系的大氣介質(zhì)光速C＇各向同性很簡(jiǎn)約地解釋清楚的零結(jié)果實(shí)驗(yàn),為何非要用一個(gè)“以太”觀點(diǎn)的長(zhǎng)度收縮假說(shuō)去解釋不可？這在邏輯上是講不通的.
歷史上人們最終擯棄了“以太”學(xué)說(shuō),而愛(ài)恩斯坦利用推理所不及的“光速不變?cè)怼敝匦玛U釋了斐茲杰拉-洛倫茲變換的前提對(duì)“以太”介質(zhì)的兩個(gè)約定,卻沒(méi)有改變整個(gè)“以太”觀點(diǎn)的邏輯推理過(guò)程（如圖4所示在大氣介質(zhì)內(nèi)部做這個(gè)實(shí)驗(yàn),同樣不能分離出真空光速C和地球在真空中的公轉(zhuǎn)速度V⊕）,他進(jìn)而引出了相對(duì)論的理論讓人們相信了這個(gè)“運(yùn)動(dòng)方向長(zhǎng)度收縮”的假設(shè).
4 愛(ài)恩斯坦的“光速不變?cè)怼贝嬉?/h2>
4.1“光速不變?cè)怼钡拇_切涵義
愛(ài)恩斯坦的“光速不變?cè)怼睂?shí)際上是用“真空”替換了“以太”概念的斐茲杰拉-洛倫茲變換的兩個(gè)約定前提的另種說(shuō)法,于是“光速不變?cè)怼钡募俣ㄍ瑯泳哂幸韵聝芍睾x［7］（否則無(wú)法推導(dǎo)出斐茲杰拉-洛倫茲變換來(lái)）∶①光在真空中的傳播速度為常量C,C值與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為原理①）.②相對(duì)于任何運(yùn)動(dòng)的慣性參照系,真空光速仍為常量C（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為原理②）.
圖7 光速不變?cè)淼膬?nèi)部矛盾
有悖常理的是,愛(ài)恩斯坦在沒(méi)有定義光速之前就提出“光速不變?cè)怼?然而根據(jù)“光速不變?cè)怼焙x的上述兩重性,他是根本無(wú)法定義光速的.比如,原理①表明∶真空光速C就是相對(duì)靜止空間的絕對(duì)速度——因?yàn)闊o(wú)論光源如何運(yùn)動(dòng)其速度都沒(méi)法迭加到光速C上,所以運(yùn)動(dòng)的光源在某瞬間發(fā)出的光脈沖,其波前的速度必定是以發(fā)出光脈沖瞬間光源的瞬心為中心作球面擴(kuò)散的絕對(duì)速度；但原理②卻明確否定絕對(duì)速度的存在——無(wú)論慣性參照系以什么速度運(yùn)動(dòng),真空光速C都是該參照系的相對(duì)速度.光速究竟是絕對(duì)速度抑或相對(duì)速度——莫衷一是.
4.2“光速不變?cè)怼笔敲苊}
現(xiàn)在首先假定愛(ài)因斯坦的“光速不變?cè)怼笔钦_的.那么如圖7所示∶假設(shè)K＇系相對(duì)靜止的K系作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),在K＇系坐標(biāo)原點(diǎn)O＇上固定一個(gè)光源S,當(dāng)兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)O與O＇重合的瞬間,K＇系的光源S發(fā)出一個(gè)光脈沖.于是按照原理①∶由于C值與光源S運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),光脈沖應(yīng)該按絕對(duì)速度C在K系以O(shè)點(diǎn)（光源發(fā)出光脈沖瞬間的瞬心）為圓心作球面擴(kuò)散；但按照原理②∶光脈沖應(yīng)該按相對(duì)速度C在K＇系以O(shè)＇點(diǎn)為圓心作球面擴(kuò)散,此時(shí)在K＇系C值與光源S的運(yùn)動(dòng)相關(guān).這樣在K＇系就發(fā)生了與原理①矛盾沖突的事件.從而證明原理①與原理②不相容.
這是因?yàn)椤迷恝倜鞔_否定了光源運(yùn)動(dòng)速度對(duì)于光速的可迭加性；但原理②卻又賦以參照系其運(yùn)動(dòng)速度對(duì)于光速的可迭加性；所以一旦將運(yùn)動(dòng)的光源視為參照系就不可避免發(fā)生原理①與原理②矛盾沖突.可見(jiàn)“光速不變?cè)怼焙x的兩重性本身就是一個(gè)矛盾命題.
顯然這種矛盾就是利用“以太”觀點(diǎn)的兩個(gè)錯(cuò)誤假設(shè)前提推導(dǎo)出斐茲杰拉-洛倫茲變換時(shí)所產(chǎn)生的.
問(wèn)題在于,如果沒(méi)有這兩個(gè)以太觀點(diǎn)的假設(shè)前提又推導(dǎo)不出洛倫茲變換,為此愛(ài)恩斯坦只能相信“以太”或許是存在的.1920年愛(ài)恩斯坦在題為《以太和相對(duì)性原理》的演講中說(shuō)∶“根據(jù)廣義相對(duì)論,空間沒(méi)有以太是不可思議的.實(shí)在的,在這種（空虛的）空間中,不但光不能傳播,而且量桿和時(shí)鐘也不可能存在,因此也就沒(méi)有物理意義上的空間—時(shí)間間隔……因此,在這種意義上說(shuō),以太是存在的.［1,8］”
電磁波是物質(zhì)的,在某瞬時(shí)其波前的光子所到達(dá)的空間應(yīng)該是唯一的,不可能在圖7那兩個(gè)人為設(shè)定的參照系中同處兩地.可見(jiàn),愛(ài)恩斯坦的“光速不變?cè)怼贝嬖趩?wèn)題,是一個(gè)視乎沒(méi)有“以太”字眼卻基于以太觀念的假定.
5 嘗試定義光速
筆者認(rèn)為能夠影響光速的不是光源,不是“以太”,更不是人為設(shè)置的參照系.而應(yīng)該是能使光減速的介質(zhì)系統(tǒng),或是能使光拐彎的引力場(chǎng)系統(tǒng),以及能使光譜線(xiàn)分裂（塞曼效應(yīng)）的磁場(chǎng)系統(tǒng),即能夠曳帶光和電磁波的任何受力系統(tǒng).
5.1光速的定義
在上述的前提條件下,對(duì)光速可作如下定義.
定義1光在真空中不受力的情況下,其傳播速度為一常量C,C值與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),C是相對(duì)靜止空間的絕對(duì)速度.
定義2在光的受力系統(tǒng)的慣性參照系中,光速是受力系統(tǒng)的相對(duì)速度,在真空的引力場(chǎng)系統(tǒng)或磁場(chǎng)系統(tǒng)中,光的相對(duì)速度為一常量C＇.
所謂光的受力系統(tǒng)指的是引力場(chǎng)、磁場(chǎng)或介質(zhì)系統(tǒng)等慣性參照系.在真空中C與C＇的量值相同,只不過(guò)前者是絕對(duì)速度,而后者則是相對(duì)速度.在介質(zhì)系統(tǒng)中光的相對(duì)速度為（C＇/n）,其中n為介質(zhì)相對(duì)真空的折射率.
圖8 背景輻射溫差距平在天球上的余弦分布
圖9 太陽(yáng)系絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向與速度
5.2光速定義的闡釋
從定義1可知∶C是一種理想狀態(tài)，在沒(méi)有引力場(chǎng)或零磁場(chǎng)真空里的光源發(fā)出的光波的速度就是絕對(duì)速度C（但這種無(wú)引力場(chǎng)或零磁場(chǎng)的空間幾乎不存在）；或者當(dāng)宇宙只有一顆處于勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的恒星時(shí),且星光越來(lái)越遠(yuǎn)離恒星的引力場(chǎng)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)C＇逐漸趨近于絕對(duì)速度C（顯然這種情況也不存在）.
從定義2可知∶在現(xiàn)實(shí)宇宙里恒星發(fā)出的光線(xiàn)隨著傳播距離增大,光速C＇逐漸成為更高級(jí)別的天體引力系統(tǒng)的相對(duì)速度（這樣雙星系統(tǒng)也不會(huì)出現(xiàn)“魅星”［1］現(xiàn)象）,當(dāng)天體系統(tǒng)越大時(shí)系統(tǒng)的平均速度越接近于零——即系統(tǒng)趨于絕對(duì)靜止［4］,進(jìn)而導(dǎo)致光速C＇逐漸趨近于C成為絕對(duì)速度.
因此,經(jīng)過(guò)非常遙遠(yuǎn)距離（非可視空間）傳播過(guò)來(lái)的3K微波背景輻射的波速,就是相對(duì)巨大靜止天體系統(tǒng)的絕對(duì)速度C.
于是∶美國(guó)人利用U2型飛機(jī)、COBE衛(wèi)星、WMAP衛(wèi)星,探測(cè)到非可視空間3K背景輻射強(qiáng)度平滑處理后的溫差距平 （溫差距平極值約為±0.003 5K±0.000 6K）呈“天空大余弦”（The great Cosine in the Sky［6］參見(jiàn)圖8）分布,就是太陽(yáng)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)［4-6］在3K微波背景輻射穿行時(shí)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)所致.運(yùn)動(dòng)向點(diǎn)（獅子座）的微波背景輻射的頻率較高溫度較高；運(yùn)動(dòng)背點(diǎn)（寶瓶座）的微波背景輻射的頻率較低溫度低（參見(jiàn)圖9）.
從定義2可2知∶在邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)中,人們能檢測(cè)到的大氣介質(zhì)光速,只是地球參照系的介質(zhì)系統(tǒng)相對(duì)速度（C＇/n）,無(wú)法由此獲取參照系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).
6 結(jié)語(yǔ)
光行差的實(shí)質(zhì)恰恰就是∶光速和地球相對(duì)速度的矢量合成導(dǎo)致光的方向和速度發(fā)生了變化所引起的.因?yàn)楣饩€(xiàn)相對(duì)地球的速度發(fā)生了變化,從而否定了光速不變的假設(shè).所以光行差是否定相對(duì)論“光速不變?cè)怼钡闹苯幼C據(jù).
筆者認(rèn)為∶相對(duì)論不應(yīng)該出自一個(gè)基于“以太”觀點(diǎn)而設(shè)計(jì)的失敗實(shí)驗(yàn),以及基于一個(gè)“以太”觀點(diǎn)錯(cuò)誤假設(shè)前提的解析.
本文僅僅只是不認(rèn)同“光速不變?cè)怼奔捌浣^對(duì)速度不可測(cè)量的觀點(diǎn),并嘗試定義光速,以期對(duì)相對(duì)論中的瑕疵給出科學(xué)合理的說(shuō)法,并非全盤(pán)否定相對(duì)論.
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（責(zé)任編輯∶邵曉軍）
中圖分類(lèi)號(hào)：P353.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1007-5348（2015）10-0030-06
［收稿日期］2015-05-21
［作者簡(jiǎn)介］廖偉迅（1953-）,男,廣東陽(yáng)江人,韶關(guān)學(xué)院旅游與地理學(xué)院副教授；研究方向∶自然地理學(xué)、GIS、GPS等.
Analysls of the M lchelson-M orley ExPerlment and the Permanent PrlnclPle of Llght Veloclty of the Theory of Relatlvlty
LIAOWei-xun
（Schoo1 of Tourism and GeograPhy,Shaoguan University,Shaoguan 512005,Guangdong,China）
Abstract:Fa1sifiedmethod is used to identify aberration of 1ight and Miche1son-Mor1ey exPeriment——the two contradictory ProPosition in the history,to come uPwith a wrong Premise that resu1ts in the fai1ure of the exPeriment.It is in vain for Fiji＇s Gera1d-Lorenz to Put forward thatmovement of the earth＇s frame of reference wi11 1ead to″e(cuò)ther″hyPothesiswhich derived from Lorentz transformation because it is just a fa1se ProPosition.It is a1so Perverse for A1bert Einstein to Point out″Permanent PrinciP1e of 1ight ve1ocity″before defining the sPeed of 1ight.And his PurPose is to rePackage the Fiji＇s Gera1d-Lorenz viewPoint″e(cuò)ther″which 1eads to the theory of re1ativity.However,A1bert Einstein sti11cannot change the 1ogica1 reasoning Process of Lorentz transformation of ″e(cuò)ther″.Ana1ysis shows that the Permanent PrinciP1e of 1ight ve1ocity itse1f is a contradiction ProPosition.Fina11y itattemPts to define the sPeed of 1ight.
Key words:aberration；Miche1son-mor1ey exPeriment；the theory of re1ativity；the sPeed of 1ight constant PrinciP1e
