在狭义相对论发表之前和之后,都有不少实验从不同角度论证了它的正确性。这些实验大多数是实际测量得出结果的,当然也存在着一些“理想实验”,这些实验只需要一定的逻辑推理,而实际上是无法完成的。下面就是我很久之前在某本书(很抱歉,我真的忘记书名了)看到的一个用来推翻光速可叠加的伽利略变换的理想实验。它只用寥寥几句,就好像已经证明了“c+c=c”(c是真空中的光速)的事实。可是“c+c=c”在狭义相对论上是作为原理出现的,是不可能通过逻辑推理来证明的。事实究竟如何?我们先来看这个实验。

光速不变的理想实验.png

任意选定一个坐标原点。设想原点的正北方$c*t_0$处有一架以光速$c$朝南运行的飞机1;原点的正西方$c*t_0$处有一架以光速$c$朝东运行的飞机2。假设就这样匀速运动着,显然,$t_0$时间后,将会发生惨剧(飞机相撞)。

对了,原点的正南方$c*t_0$处还有一个静止的观测者在看热闹。

假设速度是可以直接叠加的,那么飞机1朝观测者发出的光的速度便是$c+c=2c$,也就是说飞机1上的任何信息都以2c的速度传送给观测者;而飞机2朝正南方发出的光的速度只是c,它朝正南方以c速度传播信息。那么在$t_0$之后,飞机相撞了。观测者可以看到什么呢?

显然,飞机1被撞坏了,根据前面的论述,观测者在$\frac{c*t_0}{2c}=\frac{t_0}{2}$的时间之后看到飞机1被撞坏了。而飞机2也被撞坏了,但是它撞坏的身影时在$\frac{c*t_0}{c}=t_0$的时间之后才传到观测者眼睛里面的。也就是说在观测者看来两者不同时发生。可是这惨剧明明是同时发生的,我们怎么可能先看到飞机1“无端端”坏了,之后飞机2才撞上去呢?

如果假设飞机1的光速是$c+c=c$,那么就没有任何矛盾了。于是,这相当完美地论证了光速不变原理。

看上去的确没有什么问题,我一开始看它,也觉得它是理解光速不变的一个实验。可是后来我越想越觉得有问题。试想将光速c换成声音的速度,结论还是一样的,难道我们还要得到一个“声速不变原理”??这显然是不成立的。

不过,事实上,将“看”换成“听”,是不会得出任何矛盾的,观测者会同时听到相撞的声音,因为声音是波,它发出后相对于媒介的速度是一定的。如果我们要坚持一定会看到两者同时相撞,那么就是说光其实类似于声音,属于波的一种。这样就可以解释了,麦克斯韦的电磁方程粗糙来讲就直接把声波传播速度v改成了光速c了。但是波的传播需要媒介,而光居然在真空中可以传播!这只有两种可能:要不光不是波,可这又与前面的矛盾;要不真空中其实存在一种无处不在的介质。后边假设的就是所谓的“幽灵”——以太。

后来,经过众多实验,否定了以太的存在之后,物理学又陷入了极大的困难,我们不得不承认:光是一个比“幽灵”还可怕的东西,它既不是波,又不是粒子;但它既具有波的性质,又具有粒子的性质——我们称其为“波粒”。

好吧,怎么好像扯到量子物理方面了??这个实验的确给了我们一个强烈的思想冲击,在我看来,它所说明的并不是光速不变的原理,而是我们对“同时”的理解。如果根据伽利略变换,那么这相撞惨剧在观测者看来就不是同时的;如果我们要说它是同时的,那么必须舍弃伽利略变换。在这一理想实验中,“同时”和“光速可叠加”必须舍弃其一,或者都舍弃。

严格来讲,本实验更多地是描述了光的波动性。

不过这个理想实验,或者说实验里边的论述,都还有很多值得商榷的地方,欢迎大家讨论。


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