空間媒質視角下的光速不變性

韋永驍

摘要：將光視為一種波，以廣義相對論的空間當做光傳播的媒質，分析光速不變性、尺縮效應、時鐘延緩效應與空間媒質的關系，解釋相對論孿生子佯謬。

關鍵詞：空間 媒質 光速不變 相對論 光

相對論提出一個重要論斷：無論在何種慣性參照系中觀察，光在真空中的傳播速度都是一個常數，簡稱光速不變原理。目前，光被當成粒子看待，而這個“粒子”一旦產生，就擁有恒定的速度，不需要加速或減速，這違反了粒子的基本屬性，應該還原光的本質屬性-波動性，把光子看作帶有粒子性的波，頻率很高的光波粒子性明顯，可看作孤立波，同時需要承認波的傳播必定需要媒質，否則難以解釋波速恒定的問題。經典以太媒質存在很大缺陷，不適合做光的傳播媒質，廣義相對論提出的“空間”可以影響光的傳播，因而適合作為波的傳播媒質，稱為空間媒質。

下分析為何光速不變。為簡化計算，只考慮一維空間（以下同），設觀察者不動，如光源朝觀察者運動，光波頻率發生藍移，光速不受光源影響，如光源背觀察者運動，光波頻率發生紅移，光速也不受光源影響，這與聲波類似，并且已經被實驗證實了的事實。

考慮光源不動，觀察者朝光源運動，由于光源與媒質都不動，光速沒有任何理由改變。設觀察者速率為v，初始發射光時觀察者與光源的間距為L，光源發射光波所需的時間為t，設波包的波前傳到觀察者時經歷的時間為t1，則波前實際傳輸的距離為L-vt1，所以有：

t1=（L-vt1）/c

即 t1=L/（c+v）

設波尾傳播到觀察者所經歷的時間t2為：

t2=（L-vt-vt2）/c

即 t2=（L-vt）/（c+v）

從上式看出，波尾傳播的時間小于波前，波包被壓縮，意味著光的頻率變大。同樣地，光源不動、觀察者背光源運動的時候，光速不變，但頻率變小。

如果光源挾帶一段空間媒質一起朝靜止觀察者運動，光速是否會變呢？設光源速率為v，隨動的空間媒質長度為La，光源位于空間媒質的尾部，當光源開始發射光波時，光源與觀察者之間的間距為L。下面計算光需要多久才能傳到觀察者，光穿過隨動空間媒質所需要的時間為：

ta=La/c

波前離開隨動空間媒質，到達觀察者的時間為：

t1=（L-vta）/c

即：t1=（L-vLa/c）/c

總時間t=ta+ t1=（L+ La -vLa/c）/c

從上式看出，運動的光源如果挾帶一段空間媒質一起運動，則光傳輸到觀察者的時間就會改變，對于觀察者來說，等效于光速不恒定，原因是隨動的媒質裹挾著光前行，光的實際速率達到c+v。要保持光速不變性，運動物體絕不能帶動空間媒質一起運動。伽利略在講述性慣性參照系的時候，拿一個勻速直線運動的密閉空間（船）作為例子，由于物質不能帶動空間媒質一起運動，無法構成一個密閉空間，無法構成伽利略心目中的船。

回顧狹義相對論的實驗基礎邁克爾遜-莫雷實驗。設真空中有兩個點A和B，B在前、A在后以同樣的速度v在空間媒質中勻速直線運動，兩點的間距為d，點A放置光源，點B放置反射鏡，容易算出點A發出的光經點B反射后回到點A所需時間t為：

上式表明，這種情況下，時間t變大了，似乎光速變小了，這與邁克爾遜-莫雷實驗的結果不符，為此，洛倫茲推出了著名的洛倫茲變換，提出尺縮效應和時鐘延緩效應。將上式改寫為：

則（1）式變成

如把D和T當成隨點A移動的觀察者測得的間距和時間，則他測到的光速保持不變。這就能夠解釋邁克爾遜-莫雷實驗的結果。（2）式要求，相對于空間媒質運動的物體，其上的觀察者測量到物體在運動方向上的長度會變大（尺縮效應），從物理角度看，在介質中運動的物體，在空間阻力（慣性力）和推力的共同作用下，其長度會縮短;（3）式要求，隨物體運動的觀察者測量到的時間變短（時鐘延緩效應），可以理解為構成物質的基本粒子在高速運動時在空間阻力和推力的作用下，結構發生壓縮，導致固有運動周期發生改變，與之為基礎的計時工具發生改變。

但愛因斯坦不滿足于此，提出不需要以太這種假設，任何慣性參照系都是平權的，在任何一個慣性參照系的觀察者看來，其他有相對運動的慣性參照系都有尺縮效應和時鐘延緩效應。狹義相對論對人們的時空觀進行了一次革命，但也引發了一系列悖論，比如孿生子佯謬，狹義相對論對此無法自圓其說，沒有自洽性。愛因斯坦后來提出廣義相對論，認為空間可以影響物質，空間扭曲可以影響光的傳播方向，這個論點已被使實驗證實。既然空間可以變形，可以壓縮、膨脹、扭曲，可以影響身在其中的光和其他物質的運動，那么空間就必須被當成物質看待，如果不是物質，談何變形？空間這種物質是粒子的載體，也是光的傳播媒質。只有將光看作波，并將空間看作光的傳播媒質，才能夠解釋狹義相對論的種種矛盾。

有了“空間媒質”這個物質基礎，我們再來看看怎么解釋孿生子佯謬。假設地球相對于空間媒質的速率較小，宇宙飛船相對于空間媒質的速率較大，根據（3）式，可以立即肯定地回答，坐宇宙飛船出行的那位由于相對于空間媒質的速率大，時鐘延緩效應大，顯得比較年輕，而留在地球上的那位由于相對于空間媒質的速率較小，時鐘延緩效應小，顯得比較老。如果地球相當于空間媒質的速率較大，結果就是留在地球上的那位顯得年輕些。

空間媒質說雖然解釋了孿生子佯謬，但同時也說明相對于空間媒質的速率不同的慣性參照系確實并不平權。事實上，廣義相對論已經得出結論，質量分布不同的參照系由于空間扭曲不同，光和其他粒子的運動規律就會不同。要求兩個慣性參照系平權，除非這兩個慣性參照系（及其鄰近區域）的質量分布完全一致或者沒有任何質量存在。所以說，廣義相對論從內容上看，更象“絕對論”。