光的矛盾

光的矛盾

一.伽利略的真空船
本文结合大量的光学实验，试图对光相对空间和物质的关系进行解释。首先还是让我们坐上“伽利略的真空船 ”，开始我们的思辨之旅。这只船在地球上是真空的，船内物体和光的运动各向同性，在真空中，船盖全部掀开，船上所有物体和光源都暴露在真空中，光和物体可以向远离船体的空间运动并各向同性。把相对性原理从船内推广到船外在理论上是可行的，在地球上掀开船盖空气会影响物体运动，但真空船在真空中掀开船盖和不掀开船盖没有任何区别。这个例子和以前“光速叠加”的例子有着本质区别——光从光源射出就直接进入真空，并可以离开光源无限远，光在空间的轨迹是唯一的，速率不需要叠加，而是真实的真空光速。伽利略相对性原理本质上是物体有惯性，“伽利略的真空船”是作惯性运动的，各个方向远离船体的运动物体或光相对船的速率相同，那相对真空的速率就必然不同。如果爱因斯坦是从真正意义上把相对性原理推广到光，那就得把“惯性”和“光速相对真空可变”推广到光。我们肯定不能倒过来把“光速不变”推广为“所有物体速度不变”，如果不能互推，光和物体的运动规律就肯定不同。如果相对性原理成立，那经典时空观中的超光速和光有惯性就毫无争议。

二.光的两个矛盾
对于在第一节中的推论，我原以为逻辑严密，天衣无缝，拿来反对相对论必定稳操胜券，然而后来仔细一想，我所要阐述的就是爱因斯坦想表达而没有表达清楚的思想。纵观爱因斯坦所处的科学环境，科学界已经隐隐表现出了光的又一个矛盾，那就是光速矛盾，用两个逻辑命题简单表达为：“光速可变”和“光速不变”。光还有一个历史更加悠久的矛盾，也可以用两个命题表达为：“光的传播需要媒质”和“光的传播不需要媒质”。我用两个命题的形式写出来是为了突出矛盾，表现出逻辑上的绝对矛盾，几乎不必理解命题的内容就可以判定这是矛盾的，如果这样绝对矛盾的命题都可以同时成为真理，那整个哲学体系将彻底崩溃。这里主要来说一下光速矛盾的形成。经麦克斯韦和洛伦兹等人对电动力学和光学现象的研究，建立了一套完整的电磁理论，而真空中的光速恒定是这个理论的必然推论，还有荷兰天文学家德.西特根据对双星的观察也得出光速与光源运动无关的结论，爱因斯坦也说光的传播定律简单到连每个儿童都知道。然而真空中光速恒定定律却遭到迈·莫实验的否定，因为根据伽利略的相对性原理，在经典的时空观中，光速要想相对运动的光源不变，那它相对空间必定变化。洛伦兹针对这个矛盾在经典的时空观中用“收缩”理论来解释。在经典时空观中，运动的船收缩就说明光相对空间路程不变，那么就不适应于相对性原理，因为船内运动的物体相对空间的路程是变化的，所以洛伦兹就不说光速不变和相对性原理同时成立。收缩理论是建立在伽利略相对性原理不成立的基础上，是放弃光速不变还是放弃相对性原理？科学家无法选择。“光速可变”和“光速不变”这两个命题其实都是间接推导出来的，没有人真正相对空间静止去测光速，科学家不能够否定或肯定其中任何一个命题，因为如果对一个命题作出判定，那光速矛盾就不存在了，相对论要解决的问题也就不存在了。爱因斯坦没有直接假设光速可变，而是假设相对性原理对光也成立，在经典时空观中，相对性原理成立就必定推得出光速可变。他的两个公设其实在经典时空观中是不可调和的绝对矛盾，并不是他所说的表面矛盾，而且这个矛盾还必须客观存在，他才有机会推出相对论时空观。
光速不变可分为经典时空观中的光速不变和相对论时空观中的光速不变。经典时空观中的光速不变是由麦克斯韦电磁理论推导出来的，爱因斯坦把它作为公设并陈述为：真空中光速恒为常数，与光源运动无关。中心思想用另一种方式可以这样表达：在一定时间内，光线的最前端与光源的距离会因光源的运动与否而不同——光速相对光源可变。把迈·莫实验中的地球无限缩小，让空气全部消失，实验也就相当于一个光源在真空中运动，但得出的结论和上述的完全相反——光速相对光源不变。光速不变假设最重要的就是“与光源运动无关”，至于“真空中的常数”已经是次要的了，比如光在空气中运动，“常数”发生了变化，但并不影响相对论。假如有某种机制使光速在真空中的常数发生了改变，但只要光速与光源运动无关，而且每个惯性系中的光速都一样，相对论就没有被完全否定。光速矛盾进一步的形式就是：“光速与光源运动有关”和“光速与光源运动无关”。爱因斯坦为了解决经典时空观中无法解决的光速矛盾，建立了相对论时空观，他在《论动体的电动力学》中开篇就阐述了光速不变假设，读者在没有搞懂相对论之前用经典理论就能理解。后来的维相者把假设上升为原理，对光速不变的表达变得复杂起来了，这主要是因为学习了相对论之后把相对论时空观引入到光速不变当中，把经典时空观中的光速不变和光速可变都包括进去了。迈·莫实验本来是对经典时空观中光速不变的证伪，后来却成为了相对论时空观中光速不变的证明，一个原理跨越两个时空观，这对每个大脑来说都是一种挑战。
相对论真正的杀手锏是相对性原理，粗看它是伽利略相对性原理的推广，实际则完全抛弃了绝对时间和空间。冥思之间，感觉一个惯性系就是一个世界，不同的世界才是相对的。在伽利略的船上，用伽利略的相对性原理去想，运动物体在每个方向相对空间的速度不同，但你用爱因斯坦的相对性原理去这样想就毫无意义，因为你心中那个静止的空间已经不存在了。而现实中，每个参考系并不是平权的，在一个封闭的房子里用陀螺仪就可感知地球的自转，用十字摆也能测出地球的惯性离心力，空间各向并不同性。天体的自转轴也可感知惯性空间的方向。在我们的视界内，我们心中其实已有一个最优的参考系，如果考虑到力场也是物质，那相对性原理所需要的绝对真空就根本找不到。否定了绝对时空，爱因斯坦的两个公设没有任何矛盾。两个假设都是一样的演化，先是经典时空观中的假设，后融入相对论时空观，并同时兼容两个时空观，然后上升为原理。我在此只能说经典时空观中的光速不变和伽利略相对性原理是矛盾的，这个矛盾至今还在，绝不会因为相对论的存在而消失。
光的另一个矛盾就是光的传播需不需要媒质，量子理论对这个矛盾并没有直接作出判定，只是说光同时具有波和粒子的现象和性质。科学还在发展，对矛盾作出正确判定的时机还不成熟。