[文章摘要]：人們對聲波在空氣、液體、固體物質（包括地殼）中的運動規律有較全面的了解與認識，這些知識可能對研究電磁波的運動規律有重要的參考意義。本文試圖從此方面作些探討，並得出一個有意思的結論：電磁波的運動速度很可能只相對產生或傳遞電磁波的介質中的原子核的運動速度恆定。而與介質存在相對運動的物體間的運動速度符合經典物理學中的速度疊加原理。這一結論可解決相對論光速不變原理所存在的缺陷，也能很好地解釋為什麼不能用幹涉儀檢測到光速變化的效應。同時，設計出了驗證光速是否恆定不變的可行方法。供相關愛好者參考。
作者微信：pxt1961
一、聲波的運動規律及對電磁波運動規律的類比性假設
聲波在空氣和液體中只能以縱波的形式傳遞能量；在固體物質中則可以以縱波和橫波的形式傳遞能量；在兩種介質分界面則還可以以面波的形式傳遞能量。在不同介質、不同壓力和不同溫度條件下，聲波的傳遞速度也不相同。同時，在不同介質的分界面上，聲波會產生反射波和透射波，也會發生傳遞速度的突變。
聲波在空氣中的傳遞速度一般在330~370m/s，而人類目前製造的飛行器在空氣中的飛行速度可達5倍音速，也就是1650~1850m/s，其速度遠遠超過聲波在空氣中的傳遞速度。雖然人造飛行器可以數倍聲速飛行，但其產生的聲波仍只能以每秒300多米的速度在空氣中傳遞。而當人們在其他相對與空氣有一定運動速度的運動物體中觀測聲波時，其運動速度則符合經典物理學的速度疊加原理。因此，我們可以類比聲波在空氣中的傳遞規律對電磁波的運動規律作如下假設：
1、電磁波是由於電子相對於原子核的運動狀態的改變而導致原子外部電磁場的變化所形成的一類波（也就是說：在電子相對於原子核的運動狀態不變時，不產生電磁波）。因此，當我們認定電場或磁場均是以光速C運動時，則電磁波也是以相對與產生電磁波的原子核以光速C運動；
2、當人們相對與產生電磁波的原子核靜止或運動速度較小時，基本上可以認定電磁波的速度為光速C；但人們相對與產生電磁波的原子核的運動速度較大時，可能就不能忽略由此導致對電磁波速度的影響了。也就是說：當人們相對與產生電磁波的原子核運動時，測得的電磁波速度應該類似於在空氣中運動時測量聲波速度一樣，符合速度疊加原理。
3、電磁波在傳遞過程中，與產生電磁波的物體運動狀態無關（就像超音速運動的飛行物產生的聲波速度與飛行物的飛行速度無關一樣），只與傳遞介質有關。也就是說：在特定介質中的電磁波傳遞速度僅與該介質的性質有關。如：在空氣中的速度基本接近在真空中的傳遞速度，但仍與空氣的溫度與壓力有關；在玻璃等光導材料中的傳遞速度則遠低於在空氣中的傳遞速度。但當電磁波從玻璃等光導材料中再次進入空氣中後，又立即恢復到在空氣中的傳遞速度。這是與粒子的運動規律完全不同的地方（按照能量和動量守恆原理，粒子不可能在兩類物質的交界面突然增速）。因此，電磁波雖然在某些條件下似乎有類似於粒子的特徵，但絕對不可能是粒子。如下圖示：
按照幾何光學繪製的上圖中可以清楚地發現：在平板玻璃折射率為1.6時，電磁波在玻璃內的運動速度應為（C/1.6），其頻率更是下降為（v/1.62）。也就是說：透射波的頻率和運動速度都比在空氣中的小。按量子力學計算的電磁波能量＝hv=mC2或動量＝hv/C=mC，則在透射過程中也不符合能量和動量守衡定律。為了滿足能量守恆定律，我們必須假定在玻璃內的電磁波質量m為空氣中的1.62倍或頻率不發生變化。而在玻璃的另一側，透射波射出玻璃後的出射波的頻率又恢復為入射時的頻率了。這一過程也不符合能量與動量守恆定律。
如果電磁波是粒子的話，入射波變為透射波過程中，粒子的速度由於玻璃密度大於空氣，使其速度降低是可以理解的，但這類速度降低應該隨運動距離的增加而變得越來越低，而不應僅僅在兩種不同介質的界面處發生速度突變後，在介質內部速度又保持恆定。特別是由透射波變為出射波的過程中，速度已經降低的粒子為什麼一下子又提高到原來入射時的速度了呢？又有哪種力量能使其瞬間加速到光速的呢？
二、電磁波可能的運動規律分析
1、絕對慣性系（簇）存在的可能性
上圖為一單側（左側）懸掛的高速旋轉的陀螺，我們假設陀螺的質量為M，質心位於陀螺的中間，則右側應該存在某種向上的力量（Mg/2）才能使其平穩地懸吊在空中。這種力一般都認為是由於陀螺高速旋轉產生的保持其運動狀態的力矩的分量。
上圖為假設位於赤道上的、在0點時刻為水平懸吊狀態的陀螺在一天不同時刻的狀態示意圖。也就是說：只要能長時間保持足夠快的旋轉速度，在0時刻處於指向朝右水平懸吊狀態的陀螺，在6時會處於指向朝上的懸吊狀態，而到中午12時會處於指向朝左的懸吊狀態，在18時會處於指向朝下的懸吊狀態。他的指向不因地球的自轉而變化，始終指向天空中某一特定的方向。因此人們很早就在航海中利用陀螺的這種特性進行定向。
那麼我們要問：陀螺保持的指向到底是在哪個慣性系中保持不變的呢？是太陽、還是銀河系，或者是更高級別的所謂本星系等？這個慣性係為什麼會這麼特別呢？如果此慣性系即不是太陽、也不是銀河系和本星系，那麼，我們基本上可以肯定地說：能讓陀螺所指方向始終不變的慣性系應該是一種特別的慣性系，相對此慣性系無旋轉量的慣性系都應具備此類性質。
人造衛星中的地球同步衛星，即所謂靜止衛星是指相對地球表面是靜止不動的。在地球表面上的人來觀測，它不符合經典物理規律。在經典物理中，空中靜止的物體受地球的引力會產生自由落體運動。只有以太陽為參照系時，才能發現地球每24小時自轉一周，而靜止衛星也圍繞地球轉一周。因此，計算衛星受到的地球引力以及圍繞地球飛行的離心力都應以太陽作為參照系，而不能以地球作為參照系。但我們知道，衛星實際上受到地球的引力遠強於太陽，因此對衛星的運動規律的影響也應遠大於太陽。但為什麼不能以地球作為參照系來衡量衛星的運動規律呢？我們知道：地球在宇宙空間中的運動規律主要受到太陽的影響，而太陽的運動規律又受到銀河系的影響，銀河系的運動規律受到本星系的影響，......。那麼，宇宙中應該存在一種或一類慣性系，對研究宇宙中任何天體的運動規律都適用。這一慣性系應該就是上面講到的高速旋轉的陀螺所始終指定的方向作為一數軸，再用與其正交的另外兩個數軸所構成的三維坐標系或與其作無旋轉的平直、勻速運動的坐標系。這類坐標系或稱作慣性系應該歸類為絕對參照系簇（由一系列相對作勻速直線運動的坐標系構成）。我們可以把這類參照系當作絕對慣性系用來衡量天體的運動規律。
2、電磁波的產生和傳遞
從下圖中我們可以清晰地發現：原子產生或傳遞電磁波的過程就是電子圍繞原子核運動狀態改變的過程。在此過程中，由於電子的躍遷，導致原來位於原子外部空間的電場強度為0的狀態改變。也就是說：在電子被激發以前和激發後以及釋放出能量後，原子外部空間的電場強度均為0，但在電子躍遷過程中，原子外部空間的電場強度會隨著躍遷電子空間位置的變化而變化，這種變化的直接後果就是向原子的外部空間發出或傳遞電磁波。
還有一種可能性，就是在原子吸收電磁波時，也就是下圖中電子激發過程中也應該存在電磁波的發出，也可能就是電磁波反射形成的過程。由於此過程存在先吸收，再發射的過程，因此會出現半波損失的現象。
如果我們以上的分析正確的話，則可以這樣認為：電磁波通過介質的傳遞與在真空中的傳遞是不同的。在真空中傳遞時，僅與發射或最後一棒傳遞電磁波的介質有關。而在介質中的傳遞過程中，是由於介質中的原子中的電子因外來電磁波的擾動導致電子躍遷過程中，原子的外部空間電場發生變化形成的。在此過程中，電磁波可能發生吸收、反射、折射，甚至轉換作用（即頻率與相位均發生變化，就像我們日常看到的一樣，日光照射在樹葉上會反射出綠色光，照射在花朵上會反射出鮮花的迷人色彩，這個過程中應當存在電磁波的轉換，即植物將照射在其上的電磁波轉換成了不同頻率的電磁波，與入射的電磁波頻率完全不同）。同時，其反射或透射再出射到空氣中的電磁波運動速度與原子受其他作用自發的電磁波一樣，僅相對於原子核速度恆定，與入射的電磁波速度無關。其理由是：電子躍遷過程中打破了原子原來的電場分布，這種分布的改變只與原子核的電場向外部傳遞的速度有關，與使電子躍遷的外來電磁波速度無關。這就是我們上面講到的：介質反射出的電磁波的速度相對於介質中反射電磁波的原子核速度是恆定的。當測量裝置相對該原子核運動時，則測得的電磁波運動速度應滿足速度疊加原理。
三、利用電磁波運動規律對現有觀測試驗結果的解釋
我們利用上述假設對麥可遜-莫雷實驗進行分析：
如上圖示：光源發出的光照射到分光鏡上分成二路，一路透射（實際上應該有兩個過程，先透射到分光鏡內部，再從分光鏡出射）到反光鏡M1，另一路反射到反光鏡M2。在此過程中，分光鏡的反射與透射都是通過分光鏡完成的。那麼按照我們上面的描述，自分光鏡反射或透射後的光波速度對於分光鏡是恆定的，與入射光的速度無關。那麼上圖中後續的計算就完全是錯誤的。因此，本實驗觀測不到幹涉條紋的變化是當然的事情。
實際上，在上圖中應該增加一個三稜分光鏡，也就是用來選擇本實驗中所需的特定頻率的光源的裝置。在此過程中，三稜鏡已經把入射光波變為相對三稜分光鏡作恆速運動的光波了。後續的分光鏡和反光鏡與該三稜鏡是相對靜止的，因此在整個實驗中，光波的速度不再發生變化了。
通過以上分析，我們可以得出：利用幹涉儀在某一特定空間位置上檢測光速的變化是不可行的。要測量光的速度是否與發光光源的運動有關，只能採取其他方法。如直接測量靜止與運動光源發出的光在特定距離間的時差變化。如果距離足夠大，完全可以判定光速與光源的運動速度到底是否有關係。
四、對相對論光速不變原理的質疑
我們假設在一列以速度V運動的高鐵上對地面上的光源發出的光進行速度測量，如下圖示：
我們假設這輛列車以速度V勻速從左向右通過一個小車站，靠近鐵道旁的車站站臺上有一每秒發光一次的燈不停地發出脈衝光波，在車廂內等間距放置三臺記錄儀（圖中1、2、3的位置上）記錄光脈衝到達的時刻，記錄儀間距L。同時在站臺地面上位於燈柱處和兩側間隔L處也設置三臺與列車上相同精度的記錄儀（圖中A、B、C的位置上）。並假設光波在空氣中的傳遞速度為C。那麼我們來分析理論上的地面與列車上各臺記錄儀記錄到燈光脈衝的時刻情況。
1、以地面站臺作為參照系的情況下
1.1、經典物理學理論基礎上
1.1.1、地面上各觀測裝置記錄到的時間
假設時間為T0＝0時刻，位於B點上的燈光發出一個脈衝，此脈衝到達各點的時刻分號記為TA、TB、TC，則有：
TB＝0/C＝0
TA＝TC＝L/C
1.1.2、列車上各觀測裝置記錄到的時間
假設時間T0＝0時刻，2號列車記錄儀正好位於燈柱處，則從地面慣性系來分析，燈光到達列車各記錄儀的時刻為：
T2＝0/C＝0
T1＝L/（C+V）
T3＝L/（C-V）
1.2、相對論物理學理論基礎上
1.2.1、地面上各觀測裝置記錄到的時間
由於觀測裝置與燈無相對運動，在此情況下，與上述的經典物理學情況一致。
1.2.2、列車上各觀測裝置記錄到的時間
由於觀測裝置與燈存在相對運動，則觀測裝置所在參照系的時間與空間都按相對論的結論作修正。即觀測裝置所在參照系（也就是行駛中的列車上）的時間變慢，沿列車運動方向的尺規變短，變化率為：f＝（1-（V/C）2）1/2：
T2＝0/C＝0
T1＝fL/（C+V）
T3＝fL/（C-V）
2、以行駛的列車作為參照系的情況下
2.1、經典物理學理論基礎上
2.1.1、列車上各觀測裝置記錄到的時間
與上述以地面為參照系相同。
2.1.2、地面上各觀測裝置記錄到的時間
與上述以地面為參照系相同。
2.2、相對論物理學理論基礎上
2.2.1、列車上各觀測裝置記錄到的時間
T2＝0/C=0
T1＝T3＝L/C
2.2.2、地面上各觀測裝置記錄到的時間
TB＝0/C＝0
TA＝TC＝fL/C
3、從以上分析可以發現：根據經典物理學理論，在地面上預測列車上1號和3號位置上的記錄儀的時間與在列車上預測是一致的，即：T1與T3存在時差，就是在地面上按相對論理論對其進行校正，T1與T3仍存在時差；但利用相對論理論的預測結果則不同，在地面上T1與T3存在時差，但在列車上就不存在時差了。
那麼，客觀上到底列車上1號和3號位置上的計時器是像相對論認為那樣，在地面認為不相等，而在列車上就相等了呢？還是像經典物理學認為的存在差別呢？這兩種預測方式的三種結論只能有一個是正確的。
4、從天文觀測可知，電磁波發生源與測量裝置間存在相對運動時，觀測到的電磁波的頻率會發生變化。當電磁波發生源與測量裝置相背運動時，電磁波的頻率會降低，即出現所謂的紅移；而當電磁波發生源與測量裝置相向運動時，電磁波的頻率會提高，即出現所謂的藍移。而電磁波的速度等於其頻率與波長的積，即：
C＝γ*λ （式中：C為光速，γ為頻率，λ為波長）
4.1、電磁波發生源與測量裝置相背運動時，我們假設電磁波發生源發出的電磁波頻率為γ0，而波長為λ0，測量裝置與電磁波發生源間的相對運動速度為V，測量裝置測得的頻率為γ，波長為λ。則有：
△γ＝γ0-γ>0
γ0*λ0＝C>γ*λ0
為了保持光速恆定，則此時必要要求測量裝置處的波長λ要大於λ0。
4.2、電磁波發生源與測量裝置相向運動時，則有：
△γ＝γ0-γ<0
γ0*λ0＝C<γ*λ0
為了保持光速恆定，則此時必要要求測量裝置處的波長λ要小於λ0。
4.3、當我們回到上面的列車測量系統中來，也就是1號記錄儀與燈相向運動，而3號記錄儀與燈相背運動的情況下，如果為滿足相對論光速恆定理論，則1號記錄儀一側的頻率提高但波長應變短，而3號記錄儀一側的頻率降低但波長應變長。
如果我們把燈光波長的一定倍數（如一百萬倍）作為一把標準尺規，那麼為了保證在列車上光速恆定，就會出現一個矛盾：在地面上兩把分別向左、右方向運動的相等的尺規，在列車上必須是不相等的，而原因僅是因為測量裝置相對光源的運動方向不同而已。但我們知道，經過一定的時間，1號記錄儀也會運動到3號記錄儀的一側，我們總不能又要求1號記錄儀不能用原來的尺規，必須用新的尺規吧。這樣不是把尺規當成可隨意伸縮的非規了嗎？也就是說，在列車上的長度單位因地而異了。這當然不符合客觀現實規律。
從以上分析可知，光速在任何參照系中都是恆定的假設是存在問題的。而本文所提出的觀點就不會存在此類問題。
五、檢驗光速是否恆定的方法與實驗方案
按照以上對經典物理學和相對論理論各種條件下記錄儀記錄時間的計算公式，可以設計出多種驗證光速是否恆定的方法。首先我們再對以上計算方法進行回顧，並分析實驗方法和實現途徑：
1、地面上計算的列車上1號和3號記錄儀的時間
1.1、經典物理學條件下
T1＝L/（C+V）
T3＝L/（C-V）
△T13＝ T3－T1＝2LV/（C2-V2）
1.2、相對論理論條件下
T1＝fL/（C+V）
T3＝fL/（C-V）
△T13＝T3－T1＝2fLV/（C2-V2）
2、列車上計算的列車上1號和3號記錄儀的時間
1.1、經典物理學條件下
T1＝L/（C+V）
T3＝L/（C-V）
△T13＝T3－T1＝2LV/（C2-V2）
1.2、相對論理論條件下
T1＝L/C
T3＝L/C
△T13＝T3－T1＝0
3、從以上四種條件下的計算公式分析，影響列車上1號和3號記錄儀所記錄的時間的參數有光速C、列車運動速度V、光源發光時刻與記錄儀間的距離L，以及相對論因子f。
在一般條件下，V遠小於C，目前人造衛星的飛行速度一般在30公裡/秒以內，僅為光速的萬分之一以內。按30公裡/秒計算，f＝0.99999999995。因此，利用人造衛星分辨經典物理學與相對論計算結算到底哪一個正確的難度較大。
我們把V/（C2-V2）記為F（v），即：F（v）＝V/（C2-V2）
則V＝30km/s時，F（30）＝0.000000000333333336666667＝3.333×10-10
要確保△T13達到目前人類的計時精度並削除測量誤差，則一般需達到納秒級，即10-9秒，則L必須達到10公裡級。也就是說，如果用我們以上設想的列車來做實驗，則即使是列車的運行速度達到30公裡/秒（在地球上實現的機會不大），也需要使列車上的三臺記錄的間距達10公裡以上（在地球上實現的難度也很大）。
通過以上分析，我們得到的結論是：在目前人類所掌握的技術條件下，利用人造飛行器進行光速是否恆定驗證的難度很大。但隨著人類計時技術的發展，當計時精度達到0.001納秒級時，利用高鐵進行驗證將成為可能。
我們可以採用測量不同天體產生的電磁波（最好是脈衝星或光變星）來驗證其速度是否恆定。具體設想是：
在兩個距離在百公裡級的天文臺和其中點上各設置一臺天體電磁波觀測裝置，並將接收的信息用相同的方式傳遞到此兩天文臺間的中點位置上的記錄裝置上，以形成一套類似於列車上的三個記錄儀的測量系統。採用位於兩天文臺中點上的人造電磁波對該測量系統進行校準以消除因兩個天文臺的觀測裝置和信息傳遞過程中可能出現的延時。系統經校準後，再同時對準兩天文臺的延長線一側的特定天體進行觀測。
按照目前人類對宇宙的認知，宇宙中存在許多以高速遠離地球的脈衝星或光變星，一般相對地球的視速度均在每秒百公裡級以上。如果這種結論是正確的，則上述觀測系統應該能通過對同一天體某一特定電磁波信號到達兩天文臺的時間差計算出該天體的電磁波傳遞速度是否恆定。如果通過對不同類型、不同距離的天體進行觀測，所有天體的電磁波傳遞速度相同，則可證明相對論的光速不變原理是正確的。
按以上計算方法，假設天體相對地球的退行視速度為100公裡/秒，則：
F（100）＝0.00000000111111123456791＝1.111×10-9
當兩個天文臺的間距為100公裡，同一天體的同一電磁信息到達兩天文臺的時間差為：
經典物理條件下：T經＝100/（C-100）
相對論條件下：T相＝100/C
兩種理論間存在的時間差：△T＝T經－T相＝100/（C-100）-100/C
＝0.000000111148S＝111.48 nS
以上計算結果表明：在光源相對測量系統的運動速度為100公裡/秒、兩測量點間距為100公裡時，經典物理學與相對論條件下計算的時差在111納秒左右，隨著光源相對測量系統運動速度的提高或觀測點間距的加大，時差也會隨之加大。從現有對時間的測量精度而言，完全可以分辨出光速是否與光源的運動速度有關。