实物物质达不到真空中光速C的理想实验

刘保垣

真空中的光速相对于任何惯性系沿任意方向恒为C，并与光源运动无关，这一假设已成为了相对论两大基本原理之一。由此原理建立起来的相对论理论还推出了物质最大传播速度不能大于真空中的光速这一结论。虽然这一结论在理论和实践中都得到了验证，为了能对这一有悖于人类“感觉经验”的结论有更加深入的认识和理解，下面以光速不变作为基础，通过一个理想实验的分析，从运动学角度推证出“实物物质不可能达到光速C”这一时空运动逻辑上的限制。

爱因斯坦在早期曾经考虑过追光的理想实验［1］，即以速度C追一条光线运动，好像应看到一个在空间里振荡而停滞不前的电磁场。但爱因斯坦判断认为，无论是依据经验还是按麦氏方程，都不会有这样的情况发生。他认为追光所观察到的应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到光的一些定律进行，即追光者看到的光线仍然是以相对速度C传播。爱因斯坦这一追光的理想实验为他之后建立狭义相对论提供了一定的思想基础。

受到这一追光理想实验的启发，本文设计的理想实验是:设想相对于某一惯性系∑有甲、乙两个观察者(可看成两个实物)以同样的速度V沿x正向运动，在保持两者相同速度的前提下，两观察者可做加速运动。在速度V小于C时，两个观察者之间的相对运动速度始终为零(这对于经典力学和相对论力学都是成立的);当两观察者速度V无限接近真空中光速C时，两个观察者之间的相对运动速度仍然为零。如果一旦两观察者相对于∑系的速度V都达到了光速，并维持这一速度C时，似乎我们根据“经验”，还可以认为甲、乙之间的相对运动速度为零的结论不应当由于速度V增加一点点而改变。但是根据光速不变原理，此时奇迹可能会发生:首先，设∑'系固定在甲观察者上(注意此时乙观察者相对于∑系的速度也为V)。因此，∑'系和甲观察者相对于∑惯性系沿x方向都以速度V运动。当速度V达到光速时，根据相对论速度变换公式［2］:

∑'系上的甲观察者观察乙的速度为u'x:

即甲观察者会突然看到乙观察者相对自己以光速C沿x正方向远离自己(两者之间的相对运动速度突然不为零了);用上述分析方法，还可以分析出乙观察者也同样看到甲观察者相对自己以光速C沿x正方向远离自己。甲、乙两观察者的观察结果都是符合光速不变原理及相对论理论的，这本身就是一个悖论问题;另外当甲、乙观察者相对于∑系均沿x正向以光速C运动时，到底是按相对论光速不变原理，甲、乙互看对方均沿x正方向以光速C运动呢?还是因两者都相对于∑系有相同的运动速度，从而使两者仍保持相对运动速度为零呢?这又是一个悖论问题。面对这两个悖论问题，在实际的过程中出路只有一个，那就是只有承认两观察者(实物)相对于∑系永远也不可能达到光速C，即在实际过程中不存在实物达到光速这一情况，才能使上面的两个佯谬避免发生，才应是我们观察到的实际情况。

通过这一理想实验，我们进一步证明和认识了实物运动速度不仅不能超过光速，而是根本就达不到光速这一结论，只有“场”物质才可以达到光速C的传播速度。通过这一理想实验，还可得到一个推论——可达到光速C的“场”物质不能作为参照系来约定和使用，不然势必要在作为参考系的“场”中镶嵌实物观察者，而这样的观察者又达不到“场”以光速C传播的运动特性，因此将“场”作为参考系是不合时宜和极不明智的，例如光速加光速仍然等于光速的说法，实际上至少设了一个参考系以光速运动，因此“光速加光速等于光速”这一常用的物理模型是不可实现和不科学的。

［1］许良英.爱因斯坦文集(第一卷)［M］.北京:商务印书馆，1997:24.

［2］郭硕鸿.电动力学［M］.北京:高等教育出版社，1997(2):254.