物理科学探疑-网友天空-系统观点-李学生-光速不变性原理的解释
五、光速不变性原理的解释
李学生
摘要: 本文根据光的物理本质——电磁质量，分析了光子不具有时间量子属性，解释了光速不变性原理，分析了几个所谓的“超光速现象”并非真正的超光速，使狭义相对论的假设的基础更加牢固。
关键词：时间量子、相对空间、光子、光速不变性原理、“超光速”现象。
（一）光速不变性原理的解释
在19世纪80年代之前，人们对光的认识完全有别于其它物体的运动。人们以为在宇宙空间充满着一种称之为“以太”的特殊粒子，这种“以太”粒子与物质粒子之间没有任何相互作用，因而不会阻碍物质的运动。“以太”粒子与绝对空间保持着绝对静止的状态，光线就在这种“以太”海中以恒定不变的速度进行传播。牛顿设想的理想惯性参照系，也就是相对于“以太”海处于禁止状态或作匀速直线运动的坐标系。
1881年，麦克尔逊专门设计了一个被后人命名为“麦克尔逊干涉实验”的光学实验来检验这个假说是否正确。
根据矢量合成法则，
如果光线确实是在与绝对空间保持绝对静止状态的“以太”海中以恒定不变的速度进行传播，在相对于“以太”海以速度V运动的地面参照系中，光线在纵向光路前进的速度等于
，在横向光路上向右前进的速度为C－V，经镜面反射后返回向左前进的速度为C＋V。这样，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差将等于：
当人们在水平地面上把麦克尔逊干涉仪转动90度时，先前的纵向光路和横向光路正好对调，麦克尔逊干涉仪在转动90度的前后两种状态下，两束相干光在互相垂直的光路上走过的时间之差刚好相反，总差值为2倍的ΔT。这样，人们从光线接受屏上就应该看到由传播方向互相垂直的两路相干光所形成的干涉条纹将发生移动，但实验的结果是没有发现干涉条纹有任何移动。
同物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子与绝对空间保持着绝对静止状态的假说本来已经很牵强，原先以为光线是在这种“以太”海中以恒定不变的速度进行传播的设想又遭到了实验的否定，人们只能判定：在宇宙空间并不存在与物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子。
对于这个结论，19世纪末的物理学家并不是马上都能够接受。洛仑兹在当时就提出了一个物质分子力“收缩假说”，他认为在横向光路上，由于克尔逊干涉仪以速度V相对于“以太”海运动，物体在这个方向上将发生分子力收缩，克尔逊干涉仪的横向臂长将按照
的比例缩短。于是，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差修正为：
这样，麦克尔逊干涉仪在转动90度的过程中，干涉条纹不发生移动的现象似乎就得到了理论上的解释。
1905年，Einstein在德国《物理学纪事》杂志上发表《论动体的电动力学》论文，提出了狭义相对论。狭义相对论是以两个前提假设为基础提出来的。 “以下的讨论将以相对性原理和光速不变原理为依据。这两条原理我们定义如下：①物理体系的状态基以变化的定律，同这些状态的变化是以两个彼此作相对匀速运动的坐标系中的哪一个为参考，是无关的。②任一条光线在“静止的”坐标系中都以确定的速度V运动，不管这条光线是由静止的还是由运动着的物体发射出来的。（3）电磁波在真空中的传播速度等于电量的电磁单位与静电单位的比值。
Einstein的狭义相对论作为出发点的基本前提是：静止状态与恒速运动状态并不能由这个系统或那个系统的观测者用任何电磁学或者力学的实验进行区分。狭义相对论的内容可以归结为一句话：一切自然定律必定受到这样的限制，使它们对于Lorentz transformation都是协变的。在狭义相对论中，爱因斯坦还给出了光速不变假定的如下数学形式：设有相对作匀速直线运动的两个运动参照系 r、R（以下简称为r 、R 系、参见图二），r、R 系分别由直角坐标系oxyz 和 OXYZ构成 ，两个直角坐标系的 x 、X 轴重合，y 、Y 轴和 z 、Z 轴均平行，r 、R 系在 x 、X 轴方向以一定的速度匀速远离，在两个坐标系原点 o 、O 分别有持时钟和量尺的观测者， r 、R 系的观测者使用自己的时钟和量尺测得的 r 、R 系远离速度均为 u 。
在上述情况下，爱因斯坦继续假定，在两个坐标系原点 o 、O 重合，r 、R 系观测者所持时钟时间t = T = 0时，在 r 系原点o处有一个点光源发出了一个球面光波，这个球面光波以光速膨胀为球形。在球面光波膨胀过程中，r 、R 系的观测者各自使用自己的时钟和量尺测量球面光波的膨胀运动。
在这种情况下，r 系观测者测得的球面光波运动情况是：球面光波以光速Ｃ膨胀为球形，在球面光波膨胀过程中，球面光波的球心始终是 r 系的原点 o 点。在 r 系观测者所持时钟显示的时间为 t ，r 系观测者使用量尺测得的球面光波任一点坐标为 x 、y 、z的情况下 ， r 系观测者使用时钟和量尺测得的球面光波膨胀运动可以表述为如下数学方程
与此相应，R 系观测者测得的球面光波运动情况是：球面光波以光速Ｃ膨胀为球形，在球面光波膨胀过程中，球面光波的球心始终在 R 系原点 O点 。在 R 系观测者所持时钟显示的时间为 T ， R 系观测者使用量尺测得的球面光波任一点坐标为 X 、Y 、Z的情况下， R 系观测者使用时钟和量尺测得的球面光波膨胀运动可以表述为如下数学方程
以上两个数学方程就是光速不变假定的数学形式。
在给出了上述光速不变假定的数学形式之后，以之为基础，爱因斯坦推理出了洛仑兹变换，也就是r 、R 系的坐标变换关系和时间变换关系：
爱因斯坦对洛仑兹变换给出的解释是：对于一个点物理事件，在 r 系研究者使用本系时钟和量尺测得的物理事件的坐标和时间为（x，y，z，t）的情况下，R 系研究者使用本系时钟和量尺测得的物理事件的坐标和时间为（X，Y，Z，T），（x，y，z，t）和（X，Y，Z，T）的量值关系由上述洛仑兹变换给出。
光的速度与光源运动无关，不能认为运动的物体带动周围的ether。Galileo相对性原理和经典 transformation可以应用于力学现象，但是不能用于光电现象的原因在于它们是奠定在绝对时空观的基础上研究引力质量问题的，光子与中微子没有相互作用，ether不影响光速，光子与引力场没有相互作用。狭义相对论的假设是正确的。近百年来，人们对麦克耳逊——Moley实验、Maxwell方程以及群论上的公理证明对光速不变性原理进行质疑，但是都没有取得实际的实验结果，说明了光速不变性原理的正确，也说明光只具有电磁质量。
由于光子只具有电磁质量，它在度量空间（相对空间）里运动电磁质量不变，频率与波长不变，所以光速为定值。由于光子的引力质量为0，因此引力场与electromagnetic field的速度相同。
大多数的科学家们都明确地认为，引力作用应该与电磁力作用相似，不是一种瞬态作用，而是有一定的作用的，但是用实验的方法确定引力的速度比较困难。2002年9月8日，土星巡弋在类星体JO842+1835的附近，虽然土星没有一般恒星的质量大，但它仍有相当大的引力。按照广义相对论的推测，在天空中类星体的位置在土星引力的作用下，将在若干天内完成一个小小的回路。美国Missour大学的S.Kopeiken教授和国家射电天文观测台的E.Fomolont教授观察到了这个回路，这两位科学家使用了具有非常长的基线阵列射电望远镜，因为这种抛物型探测器的配置可以提供10μs的角度分辨率，实验观察到的回路与按瞬态传播的引力所产生的回路间存在着一个微小的位移，位移的产生是由于引力具有一定的速度所致，他们计算出引力的速度是光速的1.06倍（其误差约为20%）。当他们将这个观测结果在2003年1月，在位于美国西雅图召开的“美国天文学年会”上报告后，就受到了来自美国华盛顿大学的C.Will教授与日本Hirosaki大学的Hideki Asada教授的质疑，他们认为射电望远镜实验只能很粗略地测量光速，而不可能提供引力速度的数据，因此这良种不同意见的争论要等待新实验的验证。（4）笔者认为，上面测量引力速度的方法应当是有效的，引力的速度应当严格地等于光速，实验数据在误差范围内也说明了这一点。
光子在周围物体形成的绝对空间里静止，在相对空间里速度为定值1，是其它物体运动速度大小的度量标准，所以相对时空中物体运动速度存在着最大值。由于光子只具有电磁质量，而电磁质量没有时间轴，因此光子返回时的固有时间与出发时相同，时间与空间在这里达到了统一，可以定义其速度为1。时间量子只是物质的一种属性，时间量子的流逝速度为定值。实物粒子具有标准时空，可用时间量子度量，场就是时空量子（相对时空），是绝对时空的度量标准，不能用时间量子度量， 这是它们之间的区别，是对称性的相对性所决定的 。
奥地利物理学家哈斯认为，光速是粒子机械运动速度的极限，但是机械波的传播速度可以超过光速，其描述公式为
,式中c为光速，V为机械速度，u为与机械速度相伴产生的波动速度。其实，这是群速度。在量子力学中，由于进入原子因的波包前端早已触发了原子的跃迁，群速度超过光速就不足为奇了。
（二）非惯性性系中的光速不变性原理
光速不变包括两层含义，首先在同一参考系中，光速具有各向同性和均匀性；其次，在具有相同的时空单位的参考系中，光速的数值相同，与参考系相对光源的运动状态无关。描述惯性系的空间是闵可夫斯基空间，其线元形式是
是闵可夫斯基空间时空仿射坐标改变元，是全微分量。惯性系之间变换的时空几何要求是，时空线元长度在变换中不变，即
,其中两惯性系的时空坐标均是全微分，它体现了两惯性系时空坐标之间存在1—1映射。对惯性系时空坐标的物理要求是能描述光速不变。在所有惯性系中取相同的时空单位，即相对静止时的钟和尺是相同的前提下，光速不变意味着光速的数值相同，因而惯性系的度规相同，时空线元的形式完全一样。
非惯性系即使有同一的时空单位，也没有全时间、全空间统一的钟和尺。因此测量光通过非惯性系某时空点的速度，只能用当地、当时的钟和尺。故测量只能在该点足够小的时空邻域中进行，否则毫无意义。光速变与不变也只能在这个条件下判断，如果光速不变也适用于非惯性系，意味着光传播速度与非惯性系中的时空点无关，与传播方向无关，与非惯性系相对光源的运动状态无关，而且其数值与惯性系相同。由实验检验光速不变原理适用于非惯性系几乎不可能。因为按理论的要求，测量只能在光通过时空点的无限小的邻域中进行。其次，惯性系运动的状态只有一种，而非惯性系千变万化，即使同一非惯性系的每一个时空点也不相同，无法通过实验去验证每一种非惯性系的每一个时空点上的 光速不变。然而可以依据理论自恰原则给予判断，把光速不变原理推广到非惯性系是自然的。详细证明过程请参阅王仁川先生著的《广义相对论引论》49——57页。
（三）关于超光速的争论(2)
人们所感兴趣的超光速，一般是指超光速传递能量或者信息。根据狭义相对论，这种意义下的超光速旅行和超光速通讯一般是不可能的。目前关于超光速的争论，大多数情况是某些东西的速度的确可以超过光速，但是不能用它们传递能量或者信息。但现有的理论并未完全排除真正意义上的超光速的可能性。
一、 “超光速”的定义
一切物体都是由粒子构成的，如果我们能够 描述粒子在任何时刻的位置，我们就描述了物体的全部“历史”。想象一个由空 间的三维加上时间的一维共同构成的四维空间。由于一个粒子在任何时刻只能处 于一个特定的位置，它的全部“历史”在这个四维空间中是一条连续的曲线，这就是“世界线”。一个物体的世界线是构成它的所有粒子的世界线的集合。
不光粒子的历史可以构成世界线，一些人为定义的“东西”的历史也可以构成世界线，比如说影子和光斑。影子可以用其边界上的点来定义。这些点并不是 真正的粒子，但它们的位置可以移动，因此它们的“历史”也构成世界线。
四维时空中的一个点表示的是一个“事件”，即三个空间坐标加上一个时间 坐标。任何两个“事件”之间可以定义时空距离，它是两个事件之间的空间距离 的平方减去其时间间隔与光速的乘积的平方再开根号。狭义相对论证明了这种时 空距离与坐标系无关，因此是有物理意义的。
时空距离可分三类： 类时距离：空间间隔小于时间间隔与光速的乘积； 类光距离：空间间隔等于时间间隔与光速的乘积； 类空距离：空间间隔大于时间间隔与光速的乘积。一条光滑曲线，“局部”地看，非常类似一条直线。类似的，四维时空在局部是平直的，世界线在局部是类似直线的， 也就是说，可以用匀速运动来描述，这个速度就是粒子的瞬时速度。光子的世界线上，局部地看，相邻事件之间的距离都是类光的。在这个意义 上，我们可以把光子的世界线说成是类光的。
任何以低于光速的速度运动的粒子的世界线，局部的看，相邻事件之间的距离都是类时的。在这个意义上，我们可以把这种世界线说成是类时的。而以超光速运动的粒子或人为定义的“点”，它的世界线是类空的。这里说世界线是类空的，是指局部地看，相邻事件的时空距离是类空的。
因为有可能存在弯曲的时空，有可能存在这样的世界线：局部地看，相邻事 件的距离都是类时的，粒子并没有超光速运动；但是存在相距很远的两个事件， 其时空距离是类空的。这种情况算不算超光速呢？
这个问题的意义在于说明既可以定义局部的“超光速”，也可以定义全局的 “超光速”。即使局部的超光速不可能，也不排除全局超光速的可能性。全局超 光速也是值得讨论的。
总而言之，“超光速”可以通过类空的世界线来定义，这种定义的好处是排 除了两个物体之间相对于第三观察者以“超光速”运动的情况。
二、“超光速”的实例分析
1。切伦科夫效应
媒质中的光速比真空中的光速小。粒子在媒质中的传播速度可能超过媒质中的光速,此时会发生辐射，称为切仑科夫效应,但这不是真正意义上的超光速，真正意义上的超光速是指超过真空中的光速。
2。第三观察者 如果A相对于C以0.6c的速度向东运动，B相对于C以0.6c的速度向西运动。对
于C来说，A和B之间的距离以1.2c的速度增大。这种“速度”--两个运动物体之间相对于第三观察者的速度--可以超过光速。但是两个物体相对于彼此的运动速
度并没有超过光速。在这个例子中，在A的坐标系中B的速度是0.88c。在B的坐标
系中A的速度也是0.88c。
3。影子和光斑 在灯下晃动你的手，你会发现影子的速度比手的速度要快。影子与手晃动的 速度之比等于它们到灯的距离之比。如果你朝月球晃动手电筒，你很容易就能让 落在月球上的光斑的移动速度超过光速。遗憾的是，不能以这种方式超光速地传 递信息。
4。刚体 敲一根棍子的一头，振动会不会立刻传到另一头？这岂不是提供了一种超光速通讯方式？很遗憾，理想的刚体是不存在的，振动在棍子中的传播是以声速进 行的，而声速归根结底是电磁作用的结果，因此不可能超过光速。
5。相速度 光在媒质中的相速度在某些频段可以超过真空中的光速。相速度是指连续的 (假定信号已传播了足够长的时间，达到了稳定状态)的正弦波在媒质中传播一段 距离后的相位滞后所对应的“传播速度”。很显然，单纯的正弦波是无法传递信 息的。要传递信息，需要把变化较慢的波包调制在正弦波上，这种波包的传播速 度叫做群速度，群速度是小于光速的。(译者注：索末菲和布里渊关于脉冲在媒 质中的传播的研究证明了有起始时间的信号[在某时刻之前为零的信号]在媒质中 的传播速度不可能超过光速。)
6。EPR悖论 1935年Einstein,Podolski和Rosen发表了一个思想实验试图表明量子力学的不完全性。他们认为在测量两个分离的处于entangled state的粒子时有明显的超距作用。Ebhard证明了不可能利用这种效应传递任何信息，因此超光速通信不存在。但是关于EPR悖论仍有争议。
7。虚粒子 在量子场论中力是通过虚粒子来传递的。由于海森堡不确定性这些虚粒子可以以超光速传播，但是虚粒子只是数学符号，超光速旅行或通信仍不存在。
8。量子隧道
量子隧道是粒子逃出高于其自身能量的势垒的效应，在经典物理中这种情况 不可能发生。计算一下粒子穿过隧道的时间，会发现粒子的速度超过光速。(Ref: T. E. Hartman, J. Appl. Phys. 33, 3427 (1962))一群物理学家做了利用量子隧道效应进行超光速通信的实验：他们声称以 4.7c的速度穿过11.4cm宽的势垒传输了莫扎特的第40交响曲。当然，这引起了很大的争议。大多数物理学家认为，由于海森堡不确定性，不可能利用这种量子效应超光速地传递信息。如果这种效应是真的，就有可能在一个高速运动的坐标系中利用类似装置把信息传递到过去。Terence Tao认为上述实验不具备说服力。信号以光速通过11.4cm的距离用不了0.4纳秒，但是通过简单的外插就可以预测长达1000纳秒的声信号。因此需要在更远距离上或者对高频随机信号作超光速通信的实验。
9。卡西米(Casimir)效应 当两块不带电荷的导体板距离非常接近时，它们之间会有非常微弱但仍可测量的力，这就是卡西米效应。卡西米效应是由真空能(vacuum energy)引起的。 Scharnhorst的计算表明，在两块金属板之间横向运动的光子的速度必须略大于光速(对于一纳米的间隙，这个速度比光速大10-24。在特定的宇宙学条件下(比如在宇宙弦[cosmicstring]的附近[假如它们存在的话])，这种效应会显著得多。 但进一步的理论研究表明不可能利用这种效应进行超光速通信。
10。宇宙膨胀 哈勃定理说：距离为D的星系以HD的速度分离。H是与星系无关的常数，称为哈勃常数。距离足够远的星系可能以超过光速的速度彼此分离，但这是相对于第三观察者的分离速度。
11。月亮以超光速的速度绕着我旋转！ 当月亮在地平线上的时候，假定我们以每秒半周的速度转圈儿，因为月亮离我们385，000公里，月亮相对于我们的旋转速度是每秒121万公里，大约是光速的四倍多！这听起来相当荒谬，因为实际上是我们自己在旋转，却说是月亮绕着我们转。但是根据广义相对论，包括旋转坐标系在内的任何坐标系都是可用的， 这难道不是月亮以超光速在运动吗？
问题在于，在广义相对论中，不同地点的速度是不可以直接比较的。月亮的速度只能与其局部惯性系中的其他物体相比较。实际上，速度的概念在广义相对 论中没多大用处，定义什么是“超光速”在广义相对论中很困难。在广义相对论中，甚至“光速不变”都需要解释。爱因斯坦自己在《相对论：狭义与广义理论》 第76页说“光速不变”并不是始终正确的。当时间和距离没有绝对的定义的时候，如何确定速度并不是那么清楚的。尽管如此，现代物理学认为广义相对论中光速仍然是不变的。当距离和时间单位通过光速联系起来的时候，光速不变作为一条不言自明的公理而得到定义。在前面所说的例子中，月亮的速度仍然小于光速，因为在任何时刻，它都位于从它当前位置发出的未来光锥之内。
12。量子场论 到目前为止，除引力外的所有物理现象都符合粒子物理的标准模型。标准模 型是一个相对论量子场论，它可以描述包括电磁相互作用、弱相互作用、强相互 作用在内的三种基本相互作用以及所有已观测到的粒子。根据这个理论，任何对 应于两个在有类空距离的事件处所作物理观测的算子是对易的(any pair of operators corresponding to physical observables at space-time events which are separated by a space like interval commute)。
原则上讲，这意味着任何作用不可能以超过光速的速度传播。 但是，没有人能证明标准模型是自洽的(self-consistent)。 很有可能它实际上确实不是自洽的。无论如何，它不能保证将来不会发现它 无法描述的粒子或相互作用。也没有人把它推广到包括广义相对论和引力。很多 研究量子引力的人怀疑关于因果性和局域性的如此简单的表述能否作这样的推广。 总而言之，在将来更完善的理论中，无法保证光速仍然是速度的上限。
13。虫洞 关于全局超光速旅行的一个著名建议是利用虫洞。虫洞是弯曲时空中连接两个地点的捷径，从A地穿过虫洞到达B地所需要的时间比光线从A地沿正常路径传 播到B地所需要的时间还要短。虫洞是经典广义相对论的推论，但创造一个虫洞 需要改变时空的拓扑结构。这在量子引力论中是可能的。
开一个虫洞需要负能量区域，Misner和Thorn建议在大尺度上利用Casimir效 应产生负能量区域。Visser建议使用宇宙弦。这些建议都近乎不切实际的瞎想。 具有负能量的怪异物质可能根本就无法以他们所要求的形式存在。
Thorn发现如果能创造出虫洞，就能利用它在时空中构造闭合的类时世界线， 从而实现时间旅行。有人认为对量子力学的多重性(multiverse)解释可以用来消 除因果性悖论，即，如果你回到过去，历史就会以与原来不同的方式发生。Hawking认为虫洞是不稳定的，因而是无用的。但虫洞对于思想实验仍是一 个富有成果的区域，可以用来澄清在已知的和建议的物理定律之下，什么是可能的，什么是不可能的。
14。曲相推进(warp drive)
曲相推进是指以特定的方式让时空弯曲，从而使物体超光速运动。Miguel
Alcubierre因为提出了一种能实现曲相推进的时空几何结构而知名。时空的弯曲
使得物体能以超光速旅行而同时保持在一条类时世界线上。跟虫洞一样，曲相推进也需要具有负能量密度的怪异物质。即使这种物质存在，也不清楚具体应如何布置这些物质来实现曲相推进。
参考文献： 1、《世界上严肃的科学家冷眼看待相对论》 庄一龙
2、本文编译自Relativity FAQ (http://www.corepower.com/ Philip Gibbsneo6编译
3、德国《物理学纪事》1905年第4系列第17卷第895－921页，参见蔡怀新等编译《爱因斯坦论著选编》，上海人民出版社，1973年。
4、《物理》 第32卷第5期 301页
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