光的惯性——关于狭义相对论观点的一个误解

韩 锋

(河池学院 物理与电子工程系,广西 宜州 546300)

光的惯性
——关于狭义相对论观点的一个误解

韩 锋

(河池学院 物理与电子工程系,广西 宜州 546300)

分析了在狭义相对论理解上的一个错误观点,说明光具有惯性 .基于光速不变原理和狭义相对性原理的速度合成法则及尺缩 -钟慢效应,是一个统一自洽的整体 .相对论的正确性是可靠的 .

狭义相对论;光;惯性;速度合成法则

相对论诞生一百多年来,对于它的反对、批判、质疑之声一直未断,这也可以理解 .因为高速情况下出现的一些新现象,离我们的常识太远,很难让人相信它会是“真的”.尤其是一些“民科”(民间科学爱好者),更是把火力集中在相对论上 .试想,如果能把如此受人推崇、影响这么大的一个理论“推翻”,那将是一个多么大的“成就”.尽管如此,相对论仍然在继续发展,而且得到了越来越广泛的应用,如回旋加速器的制造、核裂变能量的计算等 .

宜州广西玻璃钢厂的陈杰思先生,长期以来对证伪相对论极感兴趣,并把一篇题为“新的发现——光没有惯性”的文章发表在《发明与创造》杂志 2007年第 1期的“挑战与争鸣”栏上[1].除了他把由于相对论速度合成法则,光速与任何速度合成仍然得到光速,说成是“光没有惯性”的表述不当之外,作者还设计了一个判定光没有惯性的实验 .我们将说明,关于这个实验的设计思想和结果分析是错误的 .实际上,这类实验的正确分析,正是表明相对论特征的最好例证 .

1 光的惯性

在低速运动中,如果物体同时参与两种运动,则它的合速度满足经典力学的速度合成法则,这是人们早就熟知的 .然而,在速度可以和光速相比的高速运动中,物体速度的合成将遵从相对论的速度合成法则:假设动系相对于静系 (在标准配置下)的速度是v,如果物体相对于静系的速度是u,则它相对于动系的速度u′将是:

按陈文所设,π0介子发射光子的速度就是这里的u=c,这时无论v是多大,总有u′=c.这就是说,光速与任何速度叠加,都还是得到光速,光速是信号的最大速度 .其实,这正是著名的麦克尔逊—莫雷实验的零结果,是爱因斯坦把相对性原理从力学现象推广到包括力学现象和电磁现象的一切物理现象、建立狭义相对论的基础 .

可见,光速与任何速度叠加仍然得到光速,这是狭义相对论的必然结果,并不能说明无静质量的光子没有惯性 .光即电磁波,它当然是有惯性的 .惯性是质量的特性,无论是静质量还是动质量,都是如此 .其实,列别捷夫的光压实验[2],明确证明了光子有动量,也就表明光子具有惯性 .而开普勒就曾应用光压来解释慧尾的形成,麦克斯韦更是根据他的电磁场理论论证了光压的必然性,并计算出了它的具体大小 .

2 关于一个实验结果的分析

作者设计了这样一个实验:如图 1所示,有一个真空管 (后面又把它发展成为曲管,本质上还是一样的),管上部的E点对准下部的E1点,在E处安装一个光源 .在管子相对地面以速度v作匀速直线运动的过程中,光源垂直向下发射一束脉冲光束 .他认为,“如果光束打在管子下部的E1点,说明光继承了管子的速度v,即光有惯性,如果光偏离E1点,打在正左边的E2,说明了光没有继承管子的速度v,即光没有惯性 .”

图 1 企图说明光没有惯性的实验设计

这个实验设计的错误在于,完全没有考虑参考系的选择 .相对论的精髓就在于,对现象的观测结果完全取决于参考系的选择,观测者处在不同的参考系 (在狭义相对论中都是惯性系),对同一个现象的观测结果可以完全不同 .在动系中静止的一米长的尺子,静系的观测者测量的结果将小于一米,在动系中静止的钟走过一秒钟,静系的观测者测量的结果将大于一秒,这就是尺缩效应和钟慢效应 .这些效应在宇宙线的观测中和宇宙飞船的实验中得到了证实 .

再看作者所设计的这个实验 .由于光在真空中的传播速度是不变的,与光源的运动状态无关[3].光束从光源发射出来以后,光束将不受光源运动的影响,将保持自己匀速直线运动的状态不变 .所以,随着真空管一起运动的观测者会看到光束不发生偏离,仍然打在直对光源的E1点上 .而在地面的观测者将会看到光束发生了偏离,打在了E1点右边的某个点上,而不可能是在E1点左边的E2点处 .这正是光的惯性的表现 .其实,这种情况在经典力学中也有 .伽利略在他的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中,借助那条著名的“萨尔维阿蒂大船”,生动地描述了他的相对性原理:在一艘匀速直线运动的船上,从船顶落下的水滴,船上的人看到水滴垂直落下,而在岸上的人看到的水滴运动轨迹却是一条平抛曲线 .两者都对,就是因为他们是在不同的参考系中进行观察的 .

图 2 左:在运动参考系中的观察者所观测到的光的传播右:静止在地面的观察者所观测到的光的传播

[1]陈杰思.新的发现—光没有惯性[J].发明与创造,2007,(1):28.

[2]毋国光,战元龄.光学[M].北京:人民教育出版社,1978:628.

[3]韩锋.广义相对论:及其思想和方法的评述[M].乌鲁木齐:新疆教育出版社,2003:19.

[4]R P费曼.费曼讲物理·相对论[M].周国荣,译.长沙:湖南科学技术出版社,2004:64～66.

The Inertia of L ight——On M isunderstandings of Restricted Theory of Relativity

HAN Feng

(Depart ment of Physics and Electron ic Eng ineering,Y izhou,Guangxi546300,China)

The paper analyzes a false idea of understanding restricted theory of relativity and indicates that light has inertia.The principle of composition of velocities and effects of length contraction and time dilation based on the principle of constancy of light velocity and restricted theory of relativity,are a united whole.It holds that the correctness of restricted theory of relativity is reliable.

restricted theory of relativity;light;inertia;velocity composition law

O412

A

1672-9021(2010)02-0032-03

韩锋 (1943-),男,山西文水人,河池学院物理与电子工程系教授,主要研究方向:理论物理学与物理哲学 .

2010-03-14

[责任编辑普梅笑 ]