空间媒质视角下的光速不变性

韦永骁

摘要：将光视为一种波，以广义相对论的空间当做光传播的媒质，分析光速不变性、尺缩效应、时钟延缓效应与空间媒质的关系，解释相对论孪生子佯谬。

关键词：空间 媒质 光速不变 相对论 光

相对论提出一个重要论断：无论在何种惯性参照系中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，简称光速不变原理。目前，光被当成粒子看待，而这个“粒子”一旦产生，就拥有恒定的速度，不需要加速或减速，这违反了粒子的基本属性，应该还原光的本质属性-波动性，把光子看作带有粒子性的波，频率很高的光波粒子性明显，可看作孤立波，同时需要承认波的传播必定需要媒质，否则难以解释波速恒定的问题。经典以太媒质存在很大缺陷，不适合做光的传播媒质，广义相对论提出的“空间”可以影响光的传播，因而适合作为波的传播媒质，称为空间媒质。

下分析为何光速不变。为简化计算，只考虑一维空间（以下同），设观察者不动，如光源朝观察者运动，光波频率发生蓝移，光速不受光源影响，如光源背观察者运动，光波频率发生红移，光速也不受光源影响，这与声波类似，并且已经被实验证实了的事实。

考虑光源不动，观察者朝光源运动，由于光源与媒质都不动，光速没有任何理由改变。设观察者速率为v，初始发射光时观察者与光源的间距为L，光源发射光波所需的时间为t，设波包的波前传到观察者时经历的时间为t1，则波前实际传输的距离为L-vt1，所以有：

t1=（L-vt1）/c

即 t1=L/（c+v）

设波尾传播到观察者所经历的时间t2为：

t2=（L-vt-vt2）/c

即 t2=（L-vt）/（c+v）

从上式看出，波尾传播的时间小于波前，波包被压缩，意味着光的频率变大。同样地，光源不动、观察者背光源运动的时候，光速不变，但频率变小。

如果光源挟带一段空间媒质一起朝静止观察者运动，光速是否会变呢？设光源速率为v，随动的空间媒质长度为La，光源位于空间媒质的尾部，当光源开始发射光波时，光源与观察者之间的间距为L。下面计算光需要多久才能传到观察者，光穿过随动空间媒质所需要的时间为：

ta=La/c

波前离开随动空间媒质，到达观察者的时间为：

t1=（L-vta）/c

即：t1=（L-vLa/c）/c

总时间t=ta+ t1=（L+ La -vLa/c）/c

从上式看出，运动的光源如果挟带一段空间媒质一起运动，则光传输到观察者的时间就会改变，对于观察者来说，等效于光速不恒定，原因是随动的媒质裹挟着光前行，光的实际速率达到c+v。要保持光速不变性，运动物体绝不能带动空间媒质一起运动。伽利略在讲述性惯性参照系的时候，拿一个匀速直线运动的密闭空间（船）作为例子，由于物质不能带动空间媒质一起运动，无法构成一个密闭空间，无法构成伽利略心目中的船。

回顾狭义相对论的实验基础迈克尔逊-莫雷实验。设真空中有两个点A和B，B在前、A在后以同样的速度v在空间媒质中匀速直线运动，两点的间距为d，点A放置光源，点B放置反射镜，容易算出点A发出的光经点B反射后回到点A所需时间t为：

上式表明，这种情况下，时间t变大了，似乎光速变小了，这与迈克尔逊-莫雷实验的结果不符，为此，洛伦兹推出了著名的洛伦兹变换，提出尺缩效应和时钟延缓效应。将上式改写为：

则（1）式变成

如把D和T当成随点A移动的观察者测得的间距和时间，则他测到的光速保持不变。这就能够解释迈克尔逊-莫雷实验的结果。（2）式要求，相对于空间媒质运动的物体，其上的观察者测量到物体在运动方向上的长度会变大（尺缩效应），从物理角度看，在介质中运动的物体，在空间阻力（惯性力）和推力的共同作用下，其长度会缩短;（3）式要求，随物体运动的观察者测量到的时间变短（时钟延缓效应），可以理解为构成物质的基本粒子在高速运动时在空间阻力和推力的作用下，结构发生压缩，导致固有运动周期发生改变，与之为基础的计时工具发生改变。

但爱因斯坦不满足于此，提出不需要以太这种假设，任何惯性参照系都是平权的，在任何一个惯性参照系的观察者看来，其他有相对运动的惯性参照系都有尺缩效应和时钟延缓效应。狭义相对论对人们的时空观进行了一次革命，但也引发了一系列悖论，比如孪生子佯谬，狭义相对论对此无法自圆其说，没有自洽性。爱因斯坦后来提出广义相对论，认为空间可以影响物质，空间扭曲可以影响光的传播方向，这个论点已被使实验证实。既然空间可以变形，可以压缩、膨胀、扭曲，可以影响身在其中的光和其他物质的运动，那么空间就必须被当成物质看待，如果不是物质，谈何变形？空间这种物质是粒子的载体，也是光的传播媒质。只有将光看作波，并将空间看作光的传播媒质，才能够解释狭义相对论的种种矛盾。

有了“空间媒质”这个物质基础，我们再来看看怎么解释孪生子佯谬。假设地球相对于空间媒质的速率较小，宇宙飞船相对于空间媒质的速率较大，根据（3）式，可以立即肯定地回答，坐宇宙飞船出行的那位由于相对于空间媒质的速率大，时钟延缓效应大，显得比较年轻，而留在地球上的那位由于相对于空间媒质的速率较小，时钟延缓效应小，显得比较老。如果地球相当于空间媒质的速率较大，结果就是留在地球上的那位顯得年轻些。

空间媒质说虽然解释了孪生子佯谬，但同时也说明相对于空间媒质的速率不同的惯性参照系确实并不平权。事实上，广义相对论已经得出结论，质量分布不同的参照系由于空间扭曲不同，光和其他粒子的运动规律就会不同。要求两个惯性参照系平权，除非这两个惯性参照系（及其邻近区域）的质量分布完全一致或者没有任何质量存在。所以说，广义相对论从内容上看，更象“绝对论”。