解讀光速不變和相對論,為何說它們是正確的?

2021-02-08 宇宙探索

愛因斯坦的相對論已經發表了100多年了，現在已經是科學界公認的現代物理學兩大支柱之一，然而仍然有很多人質疑相對論的正確性，其中反相人士質疑最多的就是光速不變原理。本文將利用光行差分析以反證法來證明真空中光速不變。

之所以要用反證法，是因為目前測量光速的實驗都是用光線往返雙程的測量方法，這種方法為很多人所詬病。同時，利用反證法，只考慮光速變還是不變的問題，不考慮具體的光速是多少，怎麼測量，交給別人去做好了。如果光速是變化的這個假設與我們觀測到的現象相違背，這就證明光速是不變的。

圖一、光行差的物理解釋

什麼是光行差

如今，我們已經可以確定地球是太陽系的一顆行星，它同時擁有自轉和圍繞太陽的公轉；太陽攜帶著地球和太陽系中的其它天體，位於銀河系的分支懸臂獵戶臂上，離銀河系中心有2.61萬光年，圍繞銀河系中心轉動的速度約240㎞/s，2.26億年轉一圈。

當我們站在地球上仰望星空，由於地球的自轉、公轉、及太陽攜帶著地球在銀河系中的運動，會造成光行差現象。地球公轉造成的光行差較大，最大可以達到20.5角秒；地球自轉造成的光行差，比周年光行差小兩個數量級，約為零點幾角秒；太陽繞銀心旋轉造成的光行差，約為13角秒，但方向不變；太陽系繞銀河系自轉造成的光行差，約為100多角秒，但周期很長。

本文以地球的公轉造成的光行差現象來證明真空中光速不變。

圖二、深空攝影作品

星空照片證明了所有恆星發出的光線速度相等

不論是天文愛好者架設的天文望遠鏡，還是太空中的哈勃望遠鏡，拍下來的照片中，所有的恆星都是一個個的小圓點、其相對位置保持不變，這說明了，第一，所有恆星的發出來的所有光線速度都相同。第二，同一個恆星發出來的所有光線速度相同。

先來看第一個問題：所有的恆星發出來的光線速度都相同。

讓我們假設有兩顆距離地球10光年，角視距為10'的兩顆恆星A和B，分別發出速度不同的兩種光線，其速度分別為v和v'，另v>v'，由於我們看到的恆星，沒有滅掉又迅速亮起來的情況，可以看出，光線都是連續不斷的，所以，我們在望遠鏡中可以同時看到速度分別為v和v'的光線。

設：恆星A發射出速度為v的光線，其發出時刻為0；恆星B發射出速度為v'的光線發出的時刻為t；恆星A在零時刻的位置為A；恆星B在t時刻的位置為B，這兩個恆星的光線同時進入我們的望遠鏡當中。

由於地球的公轉，如果我們採用恆星年作地球公轉周期的話，那麼地球公轉的平均角速度就是每年360°，也就是經過365.2564日地球公轉360°，即每日約0.986°，，其角速度約為0.041"/s。

所以，由於地球的公轉帶來的A、B之間的角距φ=ωt，

t=φ/ω=10×60÷0.041≈14635秒

v傳播的時間T1=L/v=L/c=10（年）≈315 360 000（秒）

v'的傳播時間T2=L/v'

T2=T1+t=L/c+t=315 360 000+14635=315 374 635

v'=L/T2=0.999 954v（假設光線v的速度為300000Km/s）

則，v-v'≈13.8（Km/s）

前面這個分析過程我們可以看出，位於10光年處，相距10'的恆星A和恆星B，分別在0時刻和t時刻發出的光同時到達我們的望遠鏡，由於兩顆恆星發出的光線有13.8Km/s的速度差，在地球的公轉影響下，恆星在Δt時間間隔（地球觀察者的時間）後發出的光線不能同時到達地球，將產生角視距變化。

換句話說，就是恆星在天空中的相對位置會發生變化。這與我們在望遠鏡中觀測到的事實不符，人類從來沒有從望遠鏡中觀測到由於地球公轉導致的恆星位置變化。

所以說，我們假設的命題「真空中光速可變」是錯誤的，因此，正命題「真空中光速不變」正確。

圖三、深空攝影作品

再來看第二個問題：同一個恆星所發出來的光線的速度都相同

其證明過程與前面類似，這裡就不詳細證明了。如果同一個恆星所發出來的光線的速度不同，則由於地球的公轉影響，我們可以看到一個線段，而不是一個亮點。這與我們觀測到的事實相違背，所以正命題，同一個恆星所發出來的光線的速度都相同。

如果用地球自轉數據，採用前面同樣的方法，也能夠得到同樣的結果。

光速不變的其它觀測證據

第一、天文學家的長期觀測表明，任意恆星光行差都長期保持不變，光行差不隨時間變化，所以光速也不隨時間變化。所有恆星的光行差都為20.5〃角距，證明：所有恆星的光速都相同。

第二、1887年，美國物理學家阿爾伯特.麥可遜（Albert Abrahan Michelson）和愛德華.莫雷（Edward Morley）利用麥可遜幹涉儀做了一個著名的實驗，即麥可遜-莫雷實驗。這次實驗的結果是，光速在不同慣性參考系以及不同的方向都是不變的。

圖四、麥可遜幹涉儀的結構及光路

結束語

通過前面的分析我們可以看到，每一張星空照片，不論是專業的還是業餘的天文人士拍攝的，也不論是地面上的，還是太空中的望遠鏡拍攝的的照片都能證明：同一顆恆星發出來的不同光線，以及所有的恆星發出來的光線，它們的速度都相同。

由此可見，愛因斯坦根據觀測到的現象，大膽地把光速不變上升為原理，從而解決了麥克斯韋方程組中光速需要為常數的問題，也解決了爭論不休的以太問題，是多麼的睿智。如無必要，務增實體，這就是愛因斯坦當年的基本思路。

轉至頭條：郭哥論道

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