用波的傳播規律證偽光速不變原理

光速的確定方法

張興物

0．什么是光速不變原理

光速不變原理指出：真空中的光相對于任何參考系的傳播速度都是一樣的，與光源和觀察者的運動狀態無關。

光速不變原理有兩層含義：(1).光源的移動不會影響光的傳播速度；(2).光相對于任何參照物的傳播速度都是一樣的，不管這些參照物是運動的還是靜止的。

第(1)層，光源的移動不會影響光的傳播速度的觀點是正確的，因為所有波都遵循這樣的規律。而第(2)層，光相對于運動狀態不同的參照物其傳播速度都是一樣的這種觀點，就令人質疑了，因為它違背了最基本的速度合成規則。下面就針對這個問題進行探討。

1．波速確定方法詮釋

光是電磁波，是波的一種，光速問題實際就是簡單的波速問題，用波動理論詮釋光速最可靠，也最合理。因此，在探討光速問題前，我們不妨先探討一下波速的確定方法。波速確定方法與實物粒子運行速度的確定方法有所不同，這里需首先明白，波具有實物粒子不具備的以下傳播規律：

(1).波是靠介質的延續振動進行傳播的，波的傳播離不開傳播介質。

(2).波在傳播介質中的傳播速度是由傳播介質的性質決定的，波在性質穩定的傳播介質中的傳播速度是固定的。

(3). 波源在傳播介質中的移動不會影響波在傳播介質中的傳播速度。在確定波速時，波源在傳播介質中的移動速度并不能參與波速的合成。既然是這樣，則傳播介質就可作為波速的第一參照物。

根據以上三點，可歸納出以下的波速確定方法：

(1).首先確定波在傳播介質中的傳播速度。

(2).再確定波的傳播介質相對于參照物的移動速度。

(3).然后把兩個速度合成，就是波相對于該參照物的傳播速度。

(4).波傳播過程中，若波到達區域的傳播介質性質出現了改變，則波的傳播速度也會跟著改變。

總結：波速是由傳播介質的性質與傳播介質相對于參照物的運動狀態兩大因素決定的。

2．光傳播介質的確定

傳播介質是波速的第一參照物，要想知道波相對于其它參照物的運行速度，就必須首先知道波的傳播介質是什么。

光是波的一種，確定其相對于各參照物的運行速度，也應該使用上面的規則。最初人們認為光的傳播介質是一種充滿整個宇宙空間，且可作為宇宙中絕對參照物的物質，并把它叫做以太，可后來以太被邁克爾遜-莫雷實驗否定，于是便出現了光波不需要傳播介質的定論。這樣的定論給光速的確定出了個難題，光沒有了傳播介質，光速就沒了第一參照物，更無法確定其相對于其它各參照物的運行速度。在這種無法確定光速的情況下，光速不變的假設便被提了出來。也正是光無需傳播介質的理論，才讓人們對光速的認識陷入了困局，確定光的傳播介質是解決光速問題的關鍵。

邁克爾遜-莫雷實驗測得，在地球附近空間中光在各個方向上的傳播速度是相同的。這樣的結果說明，在地球附近的空間中，光的傳播介質與地球沒有相對運動。也就是說該實驗并沒有檢測到以太風的存在，于是以太這種傳播介質便被否定。該實驗結果只是證實了可作為宇宙中絕對參照物的這類傳播介質不存在，但它并不能證實光波不需要傳播介質。那么又該如何確定光的傳播介質是何種物質呢？其實方法很簡單，可通過波的傳播機制來歸納確定波傳播介質的方法。波是靠介質的延續震動進行傳播的，根據波的這個傳播特點，可歸納出以下的傳播介質確定方法：波傳播時，在傳播地點做延續震動的物質，就是波的傳播介質。那么光傳播時，是哪種物質在做延續振動呢？是電磁場。因為光傳播時，光波中電磁場的強度，進行著周期性的大小變換。電磁場強度的這種大小變換，實際就是電磁場在振動，變換中的電磁場的最大強度，正是電磁波的振幅。所以說，電磁場就是光的傳播介質。

用麥克斯韋方程組可以推出光速表達式，即光速的平方等于介電常數與磁導率乘積的倒數。在這個光速的計算公式里有兩個參數，分別是介電常數與磁導率。介電常數反映了電介質對電場的響應程度，而磁導率反映的是磁介質的磁性。也就是說，介電常數與磁導率實際是反映電磁場性質的兩個參數。因此這個公式說明，光速的大小是由電磁場的性質決定的。根據“傳播介質的性質決定著波在傳播介質中的傳播速度”這個波的傳播規律也可以推斷：光的傳播介質是電磁場。

由于磁場是電場的另一種表現形式，也可認為：光的傳播介質是電場。

確定了光的傳播介質是電場，并知道電場是由組成物質的帶電粒子發出，并會隨帶電粒子移動。因此電場與其他參照物是可以存在相對運動的。根據前面歸納的波速的確定方法可知，以電場作為傳播介質的光，相對于運動狀態不同的參照物的運行速度是不一樣的。因此，從理論上可以證明光速不變假設是錯誤的。由于光速不變假設，是在無法確定光的傳播介質的情況下提出，現確定了光的傳播介質后，其自然也就沒有了存在的理由。

人們之所以會認為光傳播無需傳播介質，還有另外一個重要原因，就是其他星球發出的光可以穿過浩瀚的太空到達地球。人們一直認為浩瀚的太空是真空的，光可以在浩瀚的太空中傳播，于是便有人認為光傳播不需要傳播介質。其實太空的真空只是無實物粒子存在的真空，而并非是無電場存在的真空。電場是由組成物質的帶電粒子發出，并可以向遠處無限地延伸。由于宇宙中存在有數以萬億計的星球，這些星球大都是由帶電粒子組成，所以它們會在太空中形成各自的電場，這些電場便是光可以在浩瀚太空中傳播的原因。

3．邁克爾遜-莫雷實驗詮釋

光有了傳播介質電場，邁克爾遜-莫雷實驗就可以很容易的得到解釋。由于做邁克爾遜-莫雷實驗的地點是在地面，因此該實驗得到的結果實際上是在地球附近空間這個特定區域中的結果。也就是說，在地球附近空間中，光在各個方向上的傳播速度是相同的。為什么會有這樣的結果呢？有以下兩個方面的原因：

(1).由于其他星球距離地球太遙遠，它們在地球附近形成的電場與地球自身形成的電場相比可以忽略，地球附近空間中的電場主要由地球自身形成。因此，地球附近空間中的電場與地球是成為一體的，沒有相對運動。也就是說，在地球附近空間中光的傳播介質與地面沒有相對運動。

(2).傳播介質的性質決定著波在該傳播介質中的傳播速度。在地球附近空間這個特定區域里，電場的性質處處都基本相同，因此在這里測得的光速也都基本相同，為每秒約30萬公里。另外，光在水、玻璃或其他物質中傳播，都有各自固定的傳播速度，也是同樣的道理，它們的速度是由各物質內部穩定的電場性質決定的。

由于地球附近空間中電場的性質各處都基本相同，又由于地球附近空間中的電場與地球沒有相對運動，這才造成在地球附近空間中測量到的光速，在各處及各個方向上都基本相同。

4 斐索流水實驗詮釋

使用傳播介質電場，還可以很容易的解釋斐索流水實驗。斐索流水實驗是指流動的水對光的傳播有拖拽作用。

水和氣體物質相比，屬于高密度物質，高密度物質內部的電場主要由自身形成。這樣水內部的電場就會隨水的移動而一起移動。而地球周圍空氣中的電場，是由地球與空氣共同形成，由于空氣的密度比較小，空氣中的電場以地球形成的電場為主。這樣一來，當空氣流動時，空氣流動區域內的電場并不會因空氣的流動而出現明顯的變化。因此，在測量地球附近空間中的光速時，可忽略空氣流動因素的影響。由于高密度物質內部的電場可隨物質一起移動，則光在移動的高密度物質內部傳播時，光要保持相對于傳播介質電場的傳播速度不變，就會表現出光會被移動的高密度物質拖拽的現象。因此，光在流動的水中傳播時，若傳播方向與水流方向一致，此時光相對于地面的傳播速度，將大于光在靜止水中的傳播速度。此種情況還被薩格納克效應所證實。

觀察事物不能只看表面現象，其實光波與其它的波一樣，其傳播同樣需要傳播介質，并不存在光速不變原理。