论光速的可变性

摘　要：论述了光在媒质空间的折射率，从而论述了光是可变的，同时也说明了光速可变同样能解释光的各种实验结果。

关键词：光速 可变性

　　相对性原理在一切惯性参考系中成立，但在麦克斯韦发展他的电磁场方程组时，这些方程组与相对性原理是不相容的，爱因斯坦把空间和时间的基本概念加以修正，去除了理论和实验之间的鸿沟，这就是狭义相对论理论核心，但是，这一理论并非完美无暇。这是因为麦克斯韦方程组及自由电磁波速（光速）的推导都是通过静态电场和磁场方程推广的，它没有深入探讨相对运动对方程组及光速的影响。
　　光子是原子激发的。在不同的激发状态以及不同的媒质空间或者说参考系的传播速度都可能产生变化。但由于普朗克常数的普适性，所以光速至少在振子系统相对静止的参考系中具有相同性。H●A洛伦兹假设光速在所有参考系相同，明显与光在各种媒质中速度不同相违。况且近来人类已在宇宙发现了超光速的中微子的存在。
　　我们设定光速在一个参考系中为c，在相对运动的另一个参考系中为u，我们不设定u是否等于c。且假设即使u值有变化，也只与两个参考系相对运动的矢量有关，因此可以如同狭义相对论的讨论，得变换：
　　
　　
　　                          　　
　　我们发现坐标值的变换与光速是否变化无关，而时间的变换与之有关。空间坐标的形变与光速传播的变化无关，使得我们可以用观察空间的坐标和电磁波信号来表述这种变化。狭义相对论力学关于四度速度与加速度的讨论绕了很多弯，最终结果仍然是这样做的，所以它的讨论是一个很好的近似。相互作用的粒子作用时，决不可能象狭义相对论讨论的那样电磁场速度没有变化，相互作用的粒子也不可能只改变其它粒子的电磁场速度而不改变自身的电磁场速度。在某些特定的相互作用的情况下，光速便出现明显的纯理论的相对性原理变化，例如它体现在下面我们将讨论的光在媒质中传播速度的变化中。麦克斯韦方程的核心是电荷守恒定律，坐标值的变换与光速变化无关，因此电荷守恒定律不会因坐标系的变换而改变。
　　以下，我们讨论光在媒质所处的参考系时，不把媒质所在的参考系作为一种特殊的参考系，引用近似的惯性系方式来简化讨论，即不考虑系统中其它因素，包括物质的密度及相互作用等，只用两个相对运动的参考系形式描述光子的运动，不能只把物质存在的区域称为奇点，不深入研究。
　　与光速变化有关的实验，这里只讨论斐索实验。首先讨论光子在液体中的折射率,这里以水媒质来说明,光子是一种电磁波，当光子经过观察空间穿入相对静止的水媒质，光子在观察空间的坐标是时间的线性函数，我们也知光子在水媒质中也可以作线性函数处理，当光子的电磁场与水分子场相遇时，必然会引起场的相互作用,由于粒子的相互影响是与其质量和能量相关的量，且水分子能量与光子能量相比不在一个数量级,我们忽略水分子场速的变化只考虑光子场速的变化,为了方便讨论，且假设水媒质所处的参考系至少在光子运动的轨迹上可近似用惯性系的相对运动来讨论，即不考虑与光线垂直方向上水分子场速对光线的影响，只讨论光线方向上水分子场速对光子的影响。
　　我们设每个水分子场在光子行进的路线X轴方向场自旋速度分量为v,这其实是一个平均值,借助于推广H? A洛伦兹相同的假设,水分子场速在与光线垂直方向Y轴与Z轴上的分量只对光线有偏折的影响，而对X轴上光线的运动无影响，那么，在光子行进的路线，有：

　　虽然没有绝对的惯性系来描述光在媒质中的运动，但在近似的惯性系中我们发现式(2)描述的是物质粒子的波动性,式(3)描述的是物质的存在对光传播速率产生的变化。
      说明：由于水分子场自旋在轴方向上始终是与光子运动方向相反，方程式（2）、（3）速度v取了与狭义相对论变换方程相反的符号，这并不会影响有关的讨论。
     由式（3）可得牢固定在光线运动轴上一点的钟的时率，s中的观察者看牢固地连结并位于点的钟，试把这钟所指示的时间与不带星号的s真空观察系中的钟比较有：
        

　　即对水这种媒质而言，两坐标系的时率有渐近相同的趋势。
   
　　应该强调的是，以上坐标系变换的讨论中关于光速u和c的设定符合方程式（1）的假定。光子在水媒质中速率约为c/1.33,说明物质粒子场的闭合空间，时率的变化是与狭义相对论讨论有别，简单的说它只是我们用观察空间的时间来测量另一空间的光信号导致的结果，它并不违反相对性原理的存立。
　　分析式（2），观察光子在水媒质中的运动，牢固定在水媒质中的两点差值，s真空参考系中的观察者把在同一时刻t杆的两个端点的坐标之差作为长度，坐标之间的关系为：
　　
　　
　　
         
   动量是两个系统相互作用的量，因此在它们分别所处的参考系应均可描述，可假定对于光子而言，如果波数与速度之积正比于动量，则有：

  
　　因为我们无法确定运动参考系中的同时性及光速的可变性，我们这里不讨论以运动空间的同时性确定的长度来讨论问题。
      经过以上推导，可以说明普朗克常数的存在，正是相对性原理在物质粒子场存在的空间的表现形式，具有普适性。这也正是海森伯测不准关系的理论证明。而普朗克常数值的大小应是由宇宙大爆炸时产生的。
   讨论了光在水媒质的速率及折射率，再来讨论斐索实验，若把坐标系s与地球相连结，和流动的液体连结。设液体对为静止，于是光线的方程必如下列形式：
        

　　假设光线相对于地球静止的真空速度为c,相对于流动的液体静止的真空中的速度为u，同样，相对于地球静止的液体分子场速为c,流动的液体分子场速为u，应用变换方程，将流动的液体参考系变动到与地球相连的液体参考系：
　　
　　
   

　　对解此方程，可求得光线s中的速度,在光线运动的方向上，上式的两个u为同一值，则：
　　    

      方程的一阶效应与实验相符。
      狭义相对论是以光速恒定来描述电动力学中的相对性原理，它在说明场的变化较小的相对运动的粒子所产生的动量及能量等作用方面是令人满意的，而在解释象斐索实验之类的现象则是避重就轻，尤其是光在媒质中的折射率它没有解释和说明，所以狭义相对论只是一个近似理论，而不适用于高能粒子碰撞理论。
　　迈克耳孙-莫雷实验只能说明同种电磁波激发在静止的参考系中速度值相同，中微子的超光速现象，说明不同的激发在静止的参考系中速度值不同，因此不能把电磁波速度值推广为在所有的参考系中相同，只能推广为本文前面的假设。经过前 面关于光速的说明，双星系统中光速的变化不是其相对运动速度值的数量级，参考狭义相对论有关的讨论，秒，因此，出现魅星的可能性并不会是普遍现象。光行差与光速的变化无关，所以对于光行差及其它光传播实验的说明可参考狭义相对论的讨论得。综合以上有：对测量相对运动产生的电磁波波长变化有关的实验狭义相对论说明得很好，而对相对运动产生的电磁波速度变化有关的实验的说明则有不尽如人意的地方。 
　　以下，论述引力场空间的广义相对论修正，首先我们必须讨论关于原时的定义，惯性系中两个相对运动的参考系的原时关系式为：

　　在质量为m的行星围绕质量为M的恒星引力场运动时，行星运动引起引力场传播速度的变化，不能等同于惯性系中的场速度变换值u，由于经典理论是现代相对论的一级近似，我们可以借用经典的运动模型得到恒星引力场传播速度数量级，设定恒星引力场传播速度为mu+Mc/M+m。
　　因此希瓦兹希德场中的原时定义必须修改，必须在原时dτ 前乘上系数mu+Mc/(M+m)c。
　　在前面论光速的可变性时，讨论过关于相对运动方向与场传播速度的变化，并且求出了远离观察坐标系的质点的场传播速率，可以简单的认为相对而来的质点场传播速率会变快，而远去的质点场传播速率会变慢，垂直于相互作用方向的运动对场作用无影响。
　　对于太阳系的行星的运动，我们以极坐标系来讨论，设行星的径向速度为。重新审视希瓦兹希德场方程，由于观察空间的时率dt是一定的，需要修正的是坐标的位移值dr，与希瓦兹希德场原方程相比，原时必定在靠近近日点时变大，其行星绕速会较广义相对论方程中的绕速偏低，远离近日点时原时变小，其行星绕速会较广义相对论方程中的绕速偏大，在行星绕太阳的运动时形成周期性的变化，因恒星质量远大于行星质量，且太阳系有多个行星，所形成的“近斥远引”现象必定微弱，广义相对论不能说明“近斥远引”现象，必须作以上修正。不计其它行星对水星绕动的影响，水星近日点前后“近斥远引”产生的速度波动数量级约为m/M+m。
　　“近斥远引”现象在宇宙中广范存在，它应是由相对运动产生的相对性原理来说明，而不能其它没有得到实验证明的理论来说明。
参考文献：
[1] 《相对论引论》 P.G.柏格曼著  周奇 郝苹译