決定光速的主要因素分析及光速計算方法簡析

作者：彭曉韜

日期：2020.06.10

[文章摘要]：通過對與光有關的物理實驗與現象，特別是與光速有關的光行差常數、菲索流水實驗、MM實驗等的研究與分析後發現：光是由帶電體產生的變化的電場與磁場，當光遇到介質後會使介質中的分子與原子成為時變電偶極矩的電偶極子，我們常說的所謂反射或散射、折射或透射、衍射或繞射等光均是由時變電偶極子產生的次生光。基於此，通常情況下，決定光速的主要因素有三：真空中光相對光源的速度C0、介質中的每個分子與原子從被極化到產生次生光的延遲時△t以及觀測者相對光源（含相對次生光源介質）的運動速度U。本文就此作些探討與分析，供有興趣者參考。

一、與光速有關的幾個重要實驗結果簡述

1、反射光存在的半波損失現象

當入射光從光疏介質遇到光密介質並產生反射時，反射光與入射光的相位相差180度的現象即為半波損失現象。該現象表明：反射光不是入射光被介質界面反射而形成的，而是入射光使介質界面中的原子與分子極化後產生的次生光的一部分；

2、法拉第磁光效應

偏振光通過施加了平行與光運動方向的外部強磁場的介質時，偏振方向會發生偏轉，其偏轉方向由外磁場的方向決定，而偏轉量由介質的性質和長度決定的現象被稱作法拉第磁光效應。該效應表明：折射光是由入射光或次生光使分子與原子極化後產生的次生光的一部分；

3、光行差常數現象

當天體位於天頂處時，天體在一年內的視角度變化量為20.5¨左右的現象被稱作光行差常數。該現象表明：無論哪類天體產生的光垂直進入地表大氣層後的速度是恆定的，即大氣層內的星光的速度僅相對大氣層恆定，與入射光的速度無關；

4、菲索流水實驗結果

本實驗結果表明：水的流動速度大小與方向會影響光的傳遞速度。也就是光在水中的運動速度僅相對水本身恆定。當水相對觀測裝置運動時，則觀測裝置測量到的實際光速為光相對水的運動速度與水相對觀測裝置的運動速度的矢量疊加結果；

5、超黑材料單縫實驗結果

本實驗結果沒有衍射條紋表明：衍射光是由單縫邊緣產生的，而不是直射或入射光本身具有衍射或繞射能力。也就是說：衍射或繞射光是縫邊緣產生的次生光的一部分。

以上實驗結果與現象已經充分表明：光遇到介質後的反射和散射、折射和透射光等均是介質極化產生的次生光。因此，次生光的速度與入射光的速度當然就不存在必然聯繫。次生光的速度自然只與次生光源的性質與運動狀態有關。

二、決定光速的主要因素分析

從以上對現有與光速有關的實驗結果分析可知，決定光速的主要因素有三：一是真空中靜止點光源的光速C0；二是介質中的原子與分子被極化並產生次生光所需消耗的時間（以下簡稱為「介質延遲時」）△t；三是觀測者或測量裝置相對光源的運動速度U。

1、真空中靜止點光源產生的光的速度的影響

我們有充分理由認為：在真空中的光速C0僅相對產生它的光源為恆定值。也就是說，真空對任意光源都是平等的、平權的，由光源產生的光都是以恆定的速度遠離產生它的光源的。因為宇宙中每個帶電粒子及其組成的原子和分子都是一個點光源，且彼此並非相對靜止。如果在真空中存在一種介質負責光的傳遞，則只有相對該類介質靜止的點光源產生的光才會速度恆定，在其他非靜止的點光源參照系內，點光源產生的光的速度在各個方向上就是不恆定且不是球對稱的了。特別是在地球上，由於地球不可能是宇宙的中心，負責傳遞光的介質不可能相對地球靜止，則在地球上不同方向上的光速就不應該相等。均勻介質內部的折射光也不會各個方向速度恆定。但事實上，在地球表面，光是各向同性的。均勻介質內部的折射光的速度也是各向同性的。這就從一個側面證明：在真空中，光速僅相對產生它的光源速度恆定；

2、介質延遲時的影響

由於分子與原子在被入射或次生光極化過程中，主要是原子中的電子改變運動狀態而導致極化。而電子本身是在以一定的速度圍繞原子核運動的，且電子本身具有一定的質量，在入射光或次生光產生的電場與磁場作用下，電子要改變運動狀態是需要一定的響應時間的。只有電子運動狀態改變到一定程度後才能產生次生光。這個過程所需時間的長短與原子或分子的性質、結構、電子受到原子核與鄰近其他原子中的電子相互作用強度等密切相關。因此，不同的分子與原子的介質延遲時是不盡相同的。這也是為什麼同一介質對應不同頻率入射光的折射率不盡相同，以及不同介質對應同一頻率入射光的折射率也不盡相同的原因所在。也就是說介質延遲時△t與介質性質、成分、結構及入射光頻率等相關。

因此，介質的性質和入射光的頻率將決定介質內部的光速。當介質延遲時越大時，介質內部的光速就越小。這也是為什麼密度越大的介質內部的光速越低。同時，入射光頻率越高時，電子響應難度就越大，介質延遲時也就越大，折射率也就越高，光速也就越低。

3、觀測者或測量裝置相對光源的運動狀態的影響

當觀測者或測量裝置相對光源運動時，實測到的光速就會受到影響而發生改變。當朝光源運動時，實測到的光速會提高；而遠離光源運動時，實測到的光速會降低。

按照真空中靜止點光源參照系中的運動觀測者或測量裝置實測到的實際光速可知：實測光速為靜止點光源參照系內的光速C0與觀測者或測量裝置相對光源運動速度U的矢量疊加結果。同理，根據運動的相對性，相對測量裝置或觀測者運動的光源產生的光的速度也必定遵循經典物理學的速度矢量疊加原理。

三、幾個特定場景下的光速分析

1、真空中靜止光源的光速

如上圖二所示：當點光源位於坐標原點時，則點光源產生的光將以恆定速度以球面形式向各個方向傳遞，其傳遞公式為：

EP(X,Y,Z,t-t0)=EO(0,0,0,t)/R2 （公式一）

其中：t0=R/C0

2、真空中運動測量裝置測量靜止光源的光速

如下圖三所示：當測量裝置以速度U朝X軸正向運動且運動方程為：

M＝Ut、N＝Ut+MN

設光從M點再到達N點所需時間為△t、實測光速為C1時，則有：

△t＝(MN+U△t)/C0

△t＝MN/(C0-U)

C1＝MN/△t＝C0-U （公式二）

由（公式二）可知：當測量裝置相對光源運動時，實測到的光速遵循經典物理學的速度矢量疊加原理。

3、真空中運動光源的光速

如上圖四所示：當光源以速度U沿X軸正向運動時，其產生的光的速度為C2，則有：

C2＝C0+U （公式三）

4、靜止介質內部的光速

如上所述，光遇到介質時會使介質成為新的次生光源。因此，介質內部的折射光是由介質內部的原子與分子極化後產生的次生光傳遞到鄰近的其他原子與分子並極化它們，如此反覆。因此，在均勻介質內部傳遞的折射光的速度是由原子與分子極化並產生次生光，再以真空中的光速傳遞到鄰近分子與原子並使其極化的一個周期內所花費的時間與原子與分子間的距離之比值。

如上圖五所示：假設真空中靜止光源的光速為C0，原子間的間距為L0，介質延遲時為△t，則折射光的速度C3為：

C3＝L0/(L0/C0+△t) （公式四）

從（公式四）可知：當延遲時△t一定時，介質內部的光速主要由分子或原子的間距決定。這也就是說：單位長度內的原子與分子數量是決定介質內部折射光速度的主要原因之一。而延遲時△t主要由原子與分子的性質決定，也與入射光或次生光的頻率相關。根據一般材料的折射率與頻率間的關係為正相關可知：延遲時△t也應該與入射光的頻率正相關。

5、運動介質內部的光速

由光行差常數和菲索流水實驗結果可知：運動介質內部的光速為靜止介質內部的光速與介質相對觀測者或測量裝置的運動速度的矢量疊加結果。

總之，光速在真空中僅相對產生它的光源速度恆定；在均勻介質中僅相對介質本身速度恆定；相對運動的觀測者或測量裝置測量到的光速則遵循經典物理學的矢量疊加原理。