关于光行差和光线构成的思考

郁 犁 孙泽信

(1.南京地铁建设有限责任公司 江苏南京 210000；2.江苏省地质工程勘测院 江苏南京 210000)

光速和光线构成问题是本文探讨的关键问题。本文从逻辑上进行探讨，数学的描摹尽量简化。

关于光速，理论（麦克斯韦电磁理论）和宇宙观测（如典型的交食双星观测结果）表明光速和光源运动无关，即光的运动不叠加光源的运动，光速是扣除了所有运动的净结果，其对应的参照系必然没有运动或为绝对静系（见本人《关于狭义相对论基本假设的思考》文章）。对于动系而言如地球的背景辐射的偶极异性（多极异性）和光行差表明动系光速可变，前者反映径向变化；后者反映横向（当然也有其他方向的改变）变化。换言之，背景辐射参照系可视为绝对静系，而宇宙中所有星系无论其运动状况如何均因光速不叠加其运动而指向并承认和证明该绝对静系的存在。同时，星系的绝对运动和星系之间的相对运动都有了衡量的手段和标准，体现出宇宙一统、天地同理的自然、简单、和谐局面。随之而来，爱因斯坦光速不变原理在理论、逻辑和实测等方面均不成立，不纠缠于狭义相对论（如果光速不变原理成立，在经典力学和经典电磁学两者中选择符合洛伦兹协变的经典电磁学而对经典力学和其对应的伽利略变换进行闵可夫斯基时空修正是必然的、革命性的和可接受的），电动力学参照系不协变问题值得重新审视。

关于光线，除非光源和观察者均绝对静止（此时两者连线或几何直线和真实光线或该线上光子束合二为一），否则真实光线不是几何上的直线，而是固定于相对运动空间两点几何连线上符合该几何条件的光子束的集合，它是在空间延展成因运动形成的平面或曲面上一系列光子束的合成。这正是光的绝对运动或者相对宇宙绝对静系传播和星系运动合成的结果，也是光行差揭示的真实事实（见本人《关于光线的思考》文章）。

一、关于光线的思考

在本文序言的论证和逻辑基础上，开始探讨光线构成问题。就宇宙星系本动和星系之间因其本动产生相对运动而言，光源和观察者相互关系复杂但可以穷尽不同运动和光线构成的关系。本文讨论地球观测星光和地球上产生光线（如激光）两种情况，前者为星系本动和地球运动合成效应即光行差情况下的光线构成；后者为地球运动但光源和观察者无相对运动的情况，其中光行差依然决定了光线的构成。

（一）地球观测星（系）光

地球观测太阳、月亮、各行星及其卫星（反射太阳光）、比邻星、银河系（恒星）、河外星系的光，我们直觉自然地认为其发射的光线是观测者和星（系）点光源（对于较近光源如太阳和月亮的余弦面光源视野范围内的平行光束）连线上的真实光线。事实非但和直觉不符，而且因星系本动（背景辐射参照系则为绝对运动）和地球运动（背景辐射参照系则为绝对运动）呈现出复杂的光线构成方式。从光行差角度分析，远处恒星本动将改变其光线（光子束）在背景辐射参照系的空间排列但不影响观察者观测，可视为点光源，其到达地球运动范围内的光线为平行光线（阵）。地球在该光线阵中穿行，光行差具有普遍性，按观测周期和地球运动形式，可分为周日、周年、绕银河、绝对运动等光行差。本文以布拉德雷地球周年光行差为例讨论如下。

地球日地轨道接近垂直方向天龙座伽马星向该轨道面洒下一族平行光线阵，地球绕日运动和该星构成圆锥面，观察者在该圆锥面和日地轨道截线（面）上按光行差20.5角秒方向拾取符合条件的光子束。观察者得到的光线实际上是上述圆锥面上符合条件的空间光子束，而非宇宙背景辐射参照系中的真实光线。如果再叠加地球跟随太阳绕银河运动，其拾取的是进动圆锥面上符合100角秒左右的光子束；就地球绝对运动其光线是符合进动圆锥面上符合300角秒左右的光子束。总之，地球上光线是符合观测线的空间光子束的截取或拾取集合。除上述特别情况不同星系真实光线和地球运动方向各不相同，但光线构成因光行差原因情况一样，只是光行差角和空间面的对应改变。

上述光行差和地球上获得星系光线的分析证明了本文序言论述，同时对电动力学分析结果如长度收缩、宇宙观测如光谱等问题产生颠覆性认识（见本文后面分析）。

（二）地球上产生光线

本文讨论激光，见下图激光器产生的一束激光，该光线只要激光器不动，光线就不动；如果激光器动则光线随之摇摆。似乎光线跟随地球参照系或激光器一起运动，这和光不叠加光源运动好像不符。事实上，这正是光行差和光线构成问题。

激光器具有光线方向选择能力，只有符合其谐振腔方向的光线才能被受激放大，这就确定了光的方向只和激光器指向相同；同时，地球运动使得从激光器发射的光线不是我们看到真实现象，该光线同样是符合激光器运动面上拾取的符合其几何条件即沿运动方向有光行差角的光子束集聚线。探照灯、投影仪等光学仪器产生的光束均同此理。

推而广之，就日地体系而言，地球绕日运动过程中，具有公转和自转运动（赤道处自转线速度400米每秒和公转线速度30公里每秒，以公转为主），就公转而言地球穿行于阳光之中其接受和反射的光线符合上述1、2中分析结论。太阳的光线阵经空气折射和散射后基本以原状态进入地表并反射、再次折、散射而出。我们从两个视角观测，太空和地表：宏观上，太阳发光和地球反光在地球看太阳和太空看地球时呈现出符合余弦面光源的性质，太空中可见地球呈现为一颗蔚蓝星球，因而阳光的光线阵在地球构成的立体角范围内纵、横均匀，地球横切该光线阵并拾取符合观测方向宏观为上述立体角范围内的光子束；地面上，我们看到每一个阳光灿烂的景观均为视野范围内符合几何的透视线上拾取的反射阳光束的集合（截取线不是真实光线，而是经光行差矫正光子束集合），就任一透视线而言，其光线构成和上述激光同理。

（三）小结

光行差普遍性具有两个特性：一是绝对运动系在其运动方向略除或压缩了星系光线的空间间隔（横向空间叠合）；二是拾取光线方向和观测方向存在光行差角（参照系转动）。这种横向和转动效应与闵可夫斯基四维时空推导相对运动参照系洛伦兹变换的数学机理一致。

地球上观测（拾取）的星系光线是地球（绝对）运动轨迹线和星系光线（光子束）构成的空间面上符合星系和地球连线方向呈光行差角的光子束截取集合，它不是几何上的线而是空间分布光子束的拾取点的集聚线；地球上任一束光线，无论接收、反射和产生，均非几何的直线，而是符合几何条件的光子束拾取和集聚集合。换言之，地球的绝对运动在沿其运动方向压缩了背景辐射参照系的空间长度，其和光速比较压缩了V/C，其空间效应就是洛伦兹收缩。然而，这种压缩不是地球运动系的真实收缩，而是地球绝对运动沿其运动方向上的绝对空间扫描叠合。

二、关于迈克尔逊莫雷实验零结果

对迈克尔逊莫雷实验零结果与光行差现象的矛盾问题，洛伦兹认为存在一种物理效应即尺子在绝对静系以速度v运动的时候，会沿运动方向有一个缩短；而与运动方向相垂直的尺，不产生这一效应。洛伦兹提出的收缩效应恰好抵消了地球绝对运动引起的光程变化，所以干涉条纹不会有移动。

事实上，按“一（三）”小结中分析，迈克尔逊莫雷实验中的光线无论来自星系还是产自地球，其根本特性就是沿运动方向拾取符合几何条件的光子束，在截取过程就截除（或压缩）了沿运动方向的长度，其效应就是洛伦兹收缩，其结果就是迈克尔逊莫雷实验的零结果。收缩比例就是光速和地球运动速度矢量差的模量和光速之比即洛伦兹收缩比例。因此没有也不是空间沿运动方向的收缩，而是光行差的普遍性或者说光线构成恰好抵消了地球绝对运动引起的光程变化才导致迈克尔逊莫雷实验零结果。事实上，晶体双折射实验也否定了上述洛伦兹收缩。

本文上述论证表明，迈克尔逊莫雷实验的零结果正是地球绝对运动的描摹。当然，知道了光作为电磁波可在绝对静止空间自行激发并脱离光源自行传播，以太媒介成为多余，但“以太空间”或背景辐射参照系（绝对静系）不能绝对地、教条地、武断地否定，否则就违背了宇宙观测事实和物理真实。

光行差的普遍性既是宇宙观测事实，又是光只在宇宙背景辐射参照系按C速传播和地球（包括其他星系）绝对运动系（和光运动合成）光速可变的直接证据。光速不变原理就是强行给每个动系绑定一个光速参照系并认为两系一体，这种做法既多余又错误，事实上，各动系均指向唯一的光运动参照系（背景辐射参照系）。错误的光速不变原理按数学描摹就是四维时空类光间隔为零，其结果就是相对运动参照系之间相互认为对方有运动方向的钟慢尺缩。

三、关于电磁方程参照系协变问题

（一）协变问题

对于电磁方程不符合相对运动参照系伽利略变换问题，有三种观点：其一，麦克斯韦电磁方程只在绝对静系成立；其二，麦克斯韦电磁方程和牛顿力学均应符合相对性原理，伽利略变换和牛顿力学要修正；其三，麦克斯韦电磁方程不正确，所以不符合相对性原理。下面逐一分析这三种观点。

第一种观点：1904年洛伦兹提出了新的坐标变换来取代伽利略变换，用这一变换可以推出洛伦兹收缩变换公式，并且麦克斯韦电磁方程组的形式在洛伦兹变换下不变。伽利略变换中的s系和s'系是任意两个作相对运动的惯性系，它们的相对运动速度v与绝对空间没有关系（但指向绝对空间）。而洛伦兹变换中的s系不是任意的惯性系，而是一个特殊的惯性系，是相对于以太静止（就是本文的背景辐射参照系），也即绝对静止的参考系。s'系相对于s系的运动速度v，同时也就是相对于以太（背景辐射参照系）的运动速度，当然也就是相对于绝对空间的速度。这正是本文序言中论述的逻辑和观点，本文“一、二”中论证了s'系没有运动尺缩，当然就不会有钟慢结果，s系和s'系也没有根本差别，对牛顿力学由于运动叠加两系符合伽利略变换；对于电磁学方程由于光速只在s系中为c，表现为麦克斯韦电磁方程组的形式在洛伦兹变换下不变，而这种变换正是光行差和光线构成的必然结果，并非s'系的钟慢尺缩。

第二种观点：这是狭义相对论的观点，即各系光速不变和惯性系等价，前者否定绝对静系（当然也否定了该系时间）；后者指向相对性原理。本文认同惯性系等价，同时认为绝对静系只是没有运动的惯性系（它不优越也不特殊）；对各惯性系光速不变而言，由于光速不叠加任何运动，因而各系均对应各自的绝对静系，各绝对静系由于没有运动本质上就是一个系。本文序言和上述论证均否定了光速不变原理（或假设），故狭义相对论时空观及其对牛顿经典动力学的修正结论值得探讨。事实上，狭义相对论的两个基本原理（或假设）光速不变起主导作用，它通过颠覆时空观得出了洛伦兹变换，麦克斯韦方程在该变换下的不变就是必然结果。然而，洛伦兹变换下的相对性原理就必然要修改牛顿力学，这种修改是否符合物理事实成为关键。既然光速不变原理不成立且运动参照系不存在钟慢尺缩，四维时空变换只能在数学上保持动体电动力学的形式不变而无需对不符合物理事实标量、矢量和张量进行改变。本文认为具有惯性的物质在任意惯性系中符合伽利略变换才有物理意义，对动体电动力学性质要从其是否符合运动叠加来判断其是否符合伽利略变换才有探讨的必要，否则就是线性空间和线性变换的数学游戏，同时当把相对运动参照系由于其运动差引起的空间沿其运动方向的叠合误认为其相互指认的尺缩和借此产生的钟慢时（闵可夫斯基四维不变时空），这种数学游戏就偏离了物理本质，这当然是不能接受的。

第三种观点：麦克斯韦电磁方程要重新认识。本文换个视角来认识相对性原理，惯性系等价或者牛顿力学在一切惯性系中表达形式相同的本质就是惯性定律，其实质就是物质的运动叠加。光不叠加光源运动，光子静质量为零，其必然只在背景辐射参照系中以c速度传播；但这不影响其他动系光速可变测量，地球背景辐射的偶极和多极异性正是光速可变的证据和相对性原理符合的写照。不过要格外注意参照系的选择，对绝对时空观的否定已经变得绝对化和教条化，以至于只讨论相对运动的参照系，不承认绝对静系也就无法就光现象的相对性原理进行阐述。就宇宙观察而言，背景辐射参照系中光速不变；星系本动在此系中就是其绝对运动，不同星系的不同本动构成星系间的相对运动，这些运动均可由背景辐射的方向异性进行测量，这就构成了静、动系中光运动的伽利略变换一致性。一般地，伽利略变换对惯性物质由于运动叠加可在任意惯性系中不变；但对非惯性物质如光则要追溯其所在参照系，前者由于有共同的叠加运动不必溯源；后者没有共同的叠加运动需要溯源。

（二）电动力学

第一种观点对应的电动力学，洛伦兹的电子论似乎更符合物理事实，应当研究采信。第二种观点就时空扭曲来强行推动方程变换形式一致性不可取，导致很多物理量的改变和牛顿力学修正没有必要。第三种观点已在上述论述，经典电动力学要区分其有惯性的量和无惯性的量来确定参照系的选择和变换的适用性。

总之由于光速不变原理不符合理论、逻辑和宇宙观测，即便该原理导出的洛伦兹变换对经典电动力学适用，也不能在经典力学和经典电磁学中二选一，强行修改绝对时空观和经典力学，这种数学描摹与物理事实不符。

（三）实验验证

本人和孙泽信《关于地球引力场方向零改变的思考》文章指出，引力场、静电、磁场均和其惯性物质源同步运动；电磁感应只在相对运动中以净运动（运动差）形式体现。此外，质量、介子寿命增加和其净运动增加有关；钟慢和运动的关系应为物理变慢，其参照的时间没有变慢。光行差、背景辐射偶极和多极异性等均指向和支持本文论证。

四、关于星系光谱和宇宙膨胀问题

在“一”中论述的基础上，讨论星系光谱红移问题。光谱是光线或一束光（衍射光谱的线光源同理）折射展开的结果，由于地球上获取的星系光线是空间光子束的集聚线，它反映的是星系光线阵的空间特性。星系的星光在背景辐射参照系中传播过程就是其面密度随传播距离呈平方反比；其波面任意截线上的线密度随传播距离呈反比。地球绝对运动除运动方向外，其获得的光线均或多或少地沿星光波面拾取符合条件的光子束，由此获得的光谱体现了星系光线阵的纵、横向合成效应。星系的星光即使纵向不变；其横向必定随传播距离呈正比变得稀疏。在一定范围内，横向稀疏不明显故不影响拾取光线光谱；超过某个临界范围，星光的纵向分布不足以弥补其横向间距的不断扩大，拾取光线中光子束排列间距不断拉大且和距离呈正比增加，其结果就是光谱红移不断加大并和星系与地球距离呈正比增加。这正是哈勃定律揭示的星系观测结果，但其原因似乎不是星系退行或者宇宙红移。随星系距离继续加大，当超过一定范围，星系光线的拾取变得极其稀疏以至于不能构成光线而成像，则该范围之外的星系将无法观测，该范围似乎又构成了和宇宙年龄无关的视界（该视界不会随宇宙年龄增加而扩大，并且每个星系均有自己的视界）。视界之外的星系（假设其空间分布和视界之内一致且在宇观上均匀）的星光如在宇宙年龄范围内将以各向同性的背景辐射的方式到达地球（除我们测得的微波背景辐射外，似乎还应有某波段以外的连续波长的背景辐射）。

上述讨论和初步结论恐难被学界认同，需进行实证，本文提出如下思路：

如光谱红移是宇宙膨胀引起，则任意星系的红移量会随其退行量增大而增大，可对照历史星系光谱型和当今观测，在可对照的历史跨度下，分析其光谱有无变化（在宇宙红移提出100年的跨度内这种变化可能无法观测）。

由于地球的绝对运动，沿其运动方向不同的观测方位光线的拾取密度不同。沿地球绝对运动垂直方向光线拾取密度正切而稀疏影响最小；随斜切角不断增大或者和地球绝对运动方向不断靠近光线拾取密度不断稀疏；在地球的绝对运动方向上要么无光线拾取要么拾取同一光线。如宇观范围内星系分布大致各向同性，则地球上可观测的同等距离范围内的星系在其绝对运动方向上要比垂直方向上少。这可以由宇宙巡天资料得到证实。同时，同等距离范围内星系光谱红移程度在靠近地球绝对运动方向应比其垂直方向强，这也是可统计证实的宇宙观测事实。

另外，可通过既有确定的星系距离、视星等（绝对星等）、光度学分析验证光谱红移和距离的几何关系，从而证明本文光线构成和光谱红移的关系，同时可几何地、解析地、物理地给出哈勃常数（红移距离比而非退行速度距离比）。

五、结束语

地球上获得和产生的光线是地球绝对运动和绝对静止空间真实光线阵合成拾取的空间光子束符合几何条件的集聚线，这是光行差普遍性的结果。

洛伦兹收缩是地球绝对运动沿其运动方向按V/C截取（压缩）绝对静止空间长度的结果，不是地球绝对运动参照系的真实收缩，也没有该系的时间膨胀，推而广之，这是参照系相对运动差引起的共有空间叠合。爱因斯坦光速不变原理不成立，其钟慢尺缩的洛伦兹变换不是物理真实，电动力学的相对性原理符合性要按洛伦兹经典电子论观点理解。

只要星系光谱红移不随时间增加，则宇宙膨胀至少不在观测阶段存在。