1、论场速的可变性谭少雄摘要：根据相对性原理论述了光速的可变性，并通过光速的可变性论述了光学领域的各种实验现象，并且 论述了爱因斯坦广义相对论所不能说明的近斥远引现象。关键词：相对性，光的折射率，场速的可变性Theory field speed variabilityTanShaoXiongAbstract: according to the principle of relativity discusses the variability of the speed of light, and the variability of the speed of light through the op
2、tical field is discussed various experimental phenomenon, and discusses the Albert Einsteins general theory of relativity cannot explain nearly spent far lead phenomenon.Keywords: relativity, light refraction, field speed variability相对性原理在自然界中被人类广泛应用，首先应用于力学定律，然后，又推广到电磁场作用，继而应用到引力场作用。其广泛成立的根本原因是物质所存
3、在的空间相对稳定性，使我们 能采用合适的参考系，自然定律简单而明确。相对性原理的应用，曾遇到过难题，在麦克期 韦发展他的电磁场方程组时，这些方程与相对性原理是不相容的。爱因期坦把空间和时间的基本慨念加以修正，但是他使用了另一个概念即光速不变的慨念。近来人类已在宇宙中发现了超光速的中微子的存在，因此普遍质疑光速不变的慨念，光速应是可变的，麦克期韦方程组及自由电磁波的推导都是通过静态物质的电场和磁场方程推广的，它没有深入探讨物质的相对运动对方程组及光速的影响，即它只讨论了静态物质的场，没有探讨参考系相对 运动是否会产生真空介电系数及真空磁导率的变化。我们在讨论相对性原理时，不 仅要对时间和空间的概
4、念加以修正，而且还应包括对光速的修正，以回到正确的轨道。对于相对运动对光速的影响的实验，目前有较大的难度，但我们可以以光速在媒质中的运动为突破口来讨论，狭义相对论在解释斐索实验避重就轻，没有说明光在媒质中的折射率。首先，我们应讨论参考系的变换方程，我 们设定电磁波传播在一个参考系中速度为 c。在相对运动的另一个参考系中为 u，但我 们不对 u 的值设任何界定，即不设定 u 是否等于 c。为了简化讨论，而且假设即使 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：v21ctxyz21cvxtut我们发现坐标值的变换与电磁波传播速度是否变化无关，而时
5、间的变换与之有关。空间坐标的形变与电磁波传播速度的变化无关，使得我们可以用观察空间的时间和电磁波信号表述这种变化，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，电磁场传播速度没有变化，人 类在宇宙中已发现 超光速的中微子，它否定了狭义相对论的理论基础，相互作用的粒子也不可能只改变其它粒子的电磁场传播速度而不改变自身的电磁场传播速度，因此实际的相互作用粒子应建立一套新的理论，它应在纯理论的变换与狭义相对论的变换之间来取舍，可以用电磁场传播速度的变化系数来描述它。在某些特定的相互作用情
6、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(1)程的核心是电荷守恒定律，坐标值的变换与电磁场传播速度变化无关，而只有参考系的时间坐标是与电磁场传播速度变化相关的量，如果我们令 及 为电cdtut磁场传播通量，它的变换规律同坐标值变换规律一样，那么同样可得， 电荷守恒定律不会因坐标系的变换而改变。与电磁场传播速度变化有关的实验这里只讨论斐索实验。首先讨论光子在水媒质中的折射率，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，我们也知道光子在水媒质中也可以作线性函数处理，
7、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 们可忽略水分子场速的变化，只考虑光速的变化， 为方便讨论，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，忽略物 质的密度及相互作用的影响，只用两个相对运动的参考系形式来描述光子的运动，即不考虑光线垂直方向上水分子场速对光线传播速度的影响，只讨论光线 方向上水分子场速对光子的影响。我们不能总把物质内部看成质点，而不深入探 讨。 这里并不是否认光子与媒质的相互作用，而是多个媒质晶体的合作用，使它呈 现近似的惯性系形式，行
8、星在中心力的作用下的运动，用相 对论可以很好说明，而且相对论在电磁场作用方面已经广泛应用，因此，光子在媒质中没有能量交换时，用相对论观点说明亦是可行的。我们设每个水分子场在光子行进的路线 轴方向场 自旋速度分量为 v，这其x实是一个平均值，借助于推广 HA洛伦兹相同的假设，同样可得水分子场速在与光线垂直方向 y 轴及 z 轴上的分量只对光线有偏折的影响，而对 轴上光线的x运动无影响，那么，在光子行进的路线，有：（2）21cvtx（3）2cvtut虽然，没有绝对的惯性系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）描述的是物质对光传播速率所产生的变化
9、。说明：由于水分子场自旋束缚分量在 ， 轴方向上始 终是与光子运动方向x相反，方程式（2）， （3）中速度 v 取 HA洛伦兹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x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 s0xy0z真空观察系中的钟比较有：（4）201cvxut因此，s 时间间隔 与钟的读数 的关系如下：12t1t和 22112 cvucvtutt （5）tcvu2以下，我们讨论几何光学中的光速与相对运动的坐标系变换的关系，光学实验中 u 为真空中的光速率除以媒质折射率，则媒质中：
10、nc据式（5）得：21cvnt由于 ，,2而即得对于水这种特殊媒质而言，两坐标系的时率有渐近相同的趋势。前面说明过实际的粒子场相互作用应在纯理论变换和狭义相对论变换之间取舍。我们取 ，得：t （6）2vcnu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。由于水分子场 的束缚作用与光子的运动方向相反，所以我们得到的u 为与光子运动相反方向的相对运动对光速产生的变化值。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有别，几何光学这一看似与相对性原理矛盾的结果，是有其根本原因的。简单的说它只是我 们用观察空间的时间来
11、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。经过以上的论述，有两点是必须强调的。如果我 们承认光的传播会被媒质的水平运动带动，那么，我们必须认识到媒质的圆周运 动的自旋场分量必会影响到光的传播。另外，关于相对运动的参考系的时间坐标问题，它与光速的可 变是两个慨念，又相互关联。因此，不能在有关参考系 变换时 割裂光速与时间坐标的关系，它们 以一种特殊的关系 满足相对性原理，是与参考系变换时空间坐标的变换不同。分析（2），它描述的是物质粒子的波动性。如果 s 观察系把同一时刻 t 杆的两个端点的坐标之差 作为杆的长度，那么有：12xcv 2位置与相对运动的关系是测不准原理的根本原因
12、所在。讨论了光在水媒质中的速率及折射率，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，于是光线的方程为下列s s形式：（7）)(0tnux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速度为 u，基于前面有关光速 传播的假设，同 样应有相 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参考系： 21cvtx2cvtut（9）2021)(ctxtcnvtx在光线运动的方向上，上式的两个 u 为同一值， 对 x 解此方程，可求得光 线在 s 中的速度：（10）恒 量
13、tvncx12方程的一阶段效应与实验相符。因此不能根据此实验简单地认为光速是不变的。迈克耳逊莫雷实验是现代相对论产生的理论基础，他们的实验主要概念是比较光在两个不同方向的视速。对其实验结果，本文只作了有限的推广，即静止的参考系，电磁场的传播在在各个方向上速度是均匀的，由于激发时产生的相对运动不同，导致只有同种 电磁波激发在静止的参考系中速度值相同，静止的参 (8)考系激发不同的粒子，则会导致不同的速度值，因此，人 们会发现中微子的超光速现象就不足为奇。对于公式（7）中的折射率的说明，以及光在媒质中运行作为近似的惯性系的处理是否合适的讨论。迈克耳 逊干涉仪对空气折射率的测量，其折射率测量都采用公
14、式 ,而且，我们 已经讨论了几何光学中光在媒质中的速度满足相对性ncu原理的变化方程式。因此，本文也设定公式（7）中的折射率为定值， 这不会影响有关的讨论。在几何光学的基 础上，我 们可以使用前面已确立的光在媒质中运行的近似惯性系模型及方法，计 算出光线的偏折角大小，设 为入射角， 为折射角，为偏折角。（11） sincosin)sin(isin（12） icos)(解方程（11）、 （12），可得：（13）1sin1sinsi 222 以上得到了偏折角与入射角及折射率的关系。粒子具有波粒二象性，经前面的论述，可 发现相对性原理正是导致粒子具有波粒二象性的根本原因。人们曾经认为光速可变的两大
15、障碍是光行差及双星系统。以下将分别论述。光速可变，与光行差现象并无矛盾，我们利用太阳和地球两个参考系来比较入射光的方向。光行差的大小跟入射光与两个参考系相对运动方向之间的角度有关。我们称这个角度为 。两个坐标系是这样安置，使它们沿着共同的 轴作相x对运动，并使光的路线完全位于 平面内，对太阳来说，光的路线由下式给出：xy， （14）costxsinty对于运动的地球来说，可应用变换方程逆方程 21cvtuxyz21cvxutt cos)( xuvttx in12cvy ossoututx inc1in2tvty由于 u 是与参考系相对运动矢量 相关的量，在光线运动的各个方向上有确v定值，因此，
16、新方向的余切为：（16）21cosvetgct光行差现象与光在媒质中的折射现象并不矛盾，对于牢固地与地球相连结的望远镜而言，由于大气层 相对稳定且空气折射率较小约为 1.00027，望远镜对恒星的观测会出现两种变化。第一种为地球绕太阳作椭圆运动所导致的光入射角变化引起的折射角的变化，由于恒星与太阳系相距遥远，这种变化与光行差相比极小，被光行差掩盖，借助前面关于几何光学中入射角与折射角的关系方程，折射角小于入射角。以距太阳系最近的恒星比邻星为例，距太阳系约 4.22 光年，地球距太阳约 1.5 亿公里，地球绕太阳的椭圆运动所导致的最大恒星的光线入射(15)角的变化及其折射角的变化不及光行差导致的
17、角度的二十七分之一。第二种即为望远镜所能观测到的光行差现象，对于地球而言，这个角度是 20.5，这是地球绕太阳运动所得的最大光行差。因此，光行差现象并不违背光在稀薄媒质中的光速变化的规律，且满足相对性原理。两者并不相互矛盾。在双星系统中，我们取相对运动导致电磁波速改变的最大值（前面光在媒质中折射率的讨论结果）。 2vcu1光到达的时间等于距离除以光速，如果用 v 代表双星中某一个的速度变化，有：， ，cdt2cdt 32cdt银河系直径约合 10 万光年，银河系内双星系统距离地球小于 10 万光年。1103秒厘 米c6秒厘 米v1048.92厘 米d秒 375t由于双星系统的周期多数以年记，银
18、河系内不可能观察到魅星。况且双星系统与地球的相对位置并不固定，引力对光线的影响等各种因素的存在，因此，宇宙中产生魅星的可能性微乎其微。电磁场传播速度变化引起的光速的变化应为 的二级效应，而不是 的cvcv一级效应，究其根本原因是物 质质点的场为自旋场，相对运动的惯性作用与质点的自旋场性质有别，但它毫无疑问地符合矢量分析法则，光与质点虽然有别，但是光是一种电磁波，也应符合 这一原则。 经典力学关于能量及动量的守恒已经在不自觉地使用了这种原则，能量守恒特别是动能使用了 ，而动量守恒，即21mv一级 效应 守恒则需要附加条件，物体必须为弹性碰撞。在相对性原理来说，它cv不过是假设质点的自旋场不变化下
19、的近似守恒，或者说是相对性原理的简单近似，许多宏观世界的力学问题由此简单明了。因此 动量守恒存在于惯性作用，也应该存在于自旋场作用。经过以上的论述，我们合理的解释了迈克耳逊莫雷实验，斐索实验，以及光行差现象，双星系统的问题 ，并且解 释了光的折射性。由于引力场与电磁场同属物质的场，应存在可变性，学者已经在探讨它们的同源性，鉴于场速存在可变 性，必 须对广义相对论进 行修正，而且只有 场速的可变性才能解释宇宙中广泛存在的“近斥远引” 现象。首先我们必须讨论关于惯性系原时的定义，由于光（电磁波）速的可变性，惯性系中的原时为： 22 dcu )(2dzyxt为了方便讨论，我们可将其变换成极坐标系：
20、222rdtcu在质量为 m 的行星围绕质量为 M 的恒星引力场运动时，行星运动导致恒星引力场对行星作用的传播速度的变化，属于两个相互作用的质点的场速的变化，不能等同于惯性系中的 u。前面说明过场速的可变性符合矢量分析法则，经典理论是现代相对论的一级近似， 经典理论中的动量守恒与相对性原理并不矛盾，我们可以借用经典的运动模型， 设动量守恒存在于质点的自旋场作用，两个相互作用的质点引力场传播速度近似值为 。Mmcu因而，希瓦兹希德场中的原时定义必须修改为如下形式： 222)( drtcdMmcu行星围绕恒星公转，其轨道为园形， ，场方程的解则趋于希瓦兹希德cu所得出的解。以下，我们讨论行星绕恒星
21、公转轨道为椭圆时的情况。前面 讨论了惯性系相对运动导致的电磁波传播速度的变化，并且求出了远离惯性系的电磁波传播速率，我们可以合理假 设相对运动对质点的场所产生的影响，即相对而来的质点场传播速率会变快， 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传播速率无影响。因此我们可以合理地将场方程的解分为三个部份，首先求出希瓦兹希德场中原时的 u 值：【1】 ，行星远离近恒星点至远恒星点cvcvu221【2】 ，行星从远恒星点靠近近恒星点2【3】 ， 行星位于近恒星点和远恒星点cu我们这里不讨论希瓦兹希德的场方程解，只讨论场方程的修正，讨论对希瓦兹希德场原时修正后，可得到 相对于场速恒定时
22、的修正，从而方便我们继续深dr入的研究场方程的解。【1】行星远离近恒星点时 222drtcdMmu代入 ，得：v12222)( drtcdcc 224222 )()(1 drtcMmvv 略去 的高级项2cv222)(1drtcdMm )()(2212 tcvdc )()(12222 drtm dtrv（17）2222 )(1drcMmvc为了比较它与场传播速度恒定不变时的差异，设场速恒定时原时方程为：（18）2022drtcd令（17）-（18），由于讨论场方程时 、dt 是各参考系的 时率，可 设它们为d同一值，且 与 c 相比可以忽略，因此有：v20)1(drMm（19）dr)(0021
23、dr【2】当行星靠近近恒星点时，同上述计算方法，可得：（20）0231drMmdr在近恒星点附近的对称点，公式中 值应相同，用（19）-（20）式得：0dr0dr相同的时间行星在近恒星点后扫过的面积要大于近恒星点前扫过的面积，即“近斥远引 ”现象。因而，在近恒星点附近前后两个相应的对应点在我们用同一参考系的时间来观察行星的运动时，其运行速度的变化幅度约为 。实际Mm的恒星系中行星的运动产生的变化要复杂的多，但这种变化能观察到，例如太阳系行星在相同的时间近日点后扫过的面积要大于近日点前扫过的面积。这里所求得的近恒星点附近对应点的行星速度变化值大小是近似的，只是对于了解宇宙中存在的“ 近斥 远引”
24、 现象的一种探究。关于场速变化所产生的水星近日点的进动，以及光线在希瓦兹希德场中的偏折的求证，通过对希瓦兹 希德场中原时的修正后，我们可以借用广义相对论的解法进行讨论。然后取平均 值方法得到水星近日点的进动及光线在希瓦兹希德场中的偏折值大小，其平均 值的大小应与广义相对论求得的值相同。要强调和说明的是，本文的各个公式都使用的是近似的，宗旨在于说明场传播速度为可变的论述。有关的论述可参看本文作者在网站和期刊发表的论文论光速的可变性。总而言之，场的传播速度的变化，不 过是我们观测坐标系时所使用的观测时间导致的，所以场传播速度必须与观测坐标系的时间关联，两者不能分割。宇宙中广泛存在的“ 近斥远引 ”现象与几何光学中光在媒 质中的速度变化都是由我们的观测方式所导致的结果，并不与相对性原理矛盾。参考文献：相对论引论：P、 G、柏格曼 劳，周奇、郝苹译。
