光的慣性——關于狹義相對論觀點的一個誤解

韓 鋒

(河池學院 物理與電子工程系,廣西 宜州 546300)

光的慣性
——關于狹義相對論觀點的一個誤解

韓 鋒

(河池學院 物理與電子工程系,廣西 宜州 546300)

分析了在狹義相對論理解上的一個錯誤觀點,說明光具有慣性 .基于光速不變原理和狹義相對性原理的速度合成法則及尺縮 -鐘慢效應,是一個統(tǒng)一自洽的整體 .相對論的正確性是可靠的 .

狹義相對論;光;慣性;速度合成法則

相對論誕生一百多年來,對于它的反對、批判、質(zhì)疑之聲一直未斷,這也可以理解 .因為高速情況下出現(xiàn)的一些新現(xiàn)象,離我們的常識太遠,很難讓人相信它會是“真的”.尤其是一些“民科”(民間科學愛好者),更是把火力集中在相對論上 .試想,如果能把如此受人推崇、影響這么大的一個理論“推翻”,那將是一個多么大的“成就”.盡管如此,相對論仍然在繼續(xù)發(fā)展,而且得到了越來越廣泛的應用,如回旋加速器的制造、核裂變能量的計算等 .

宜州廣西玻璃鋼廠的陳杰思先生,長期以來對證偽相對論極感興趣,并把一篇題為“新的發(fā)現(xiàn)——光沒有慣性”的文章發(fā)表在《發(fā)明與創(chuàng)造》雜志 2007年第 1期的“挑戰(zhàn)與爭鳴”欄上[1].除了他把由于相對論速度合成法則,光速與任何速度合成仍然得到光速,說成是“光沒有慣性”的表述不當之外,作者還設計了一個判定光沒有慣性的實驗 .我們將說明,關于這個實驗的設計思想和結(jié)果分析是錯誤的 .實際上,這類實驗的正確分析,正是表明相對論特征的最好例證 .

1 光的慣性

在低速運動中,如果物體同時參與兩種運動,則它的合速度滿足經(jīng)典力學的速度合成法則,這是人們早就熟知的 .然而,在速度可以和光速相比的高速運動中,物體速度的合成將遵從相對論的速度合成法則:假設動系相對于靜系 (在標準配置下)的速度是v,如果物體相對于靜系的速度是u,則它相對于動系的速度u′將是:

按陳文所設,π0介子發(fā)射光子的速度就是這里的u=c,這時無論v是多大,總有u′=c.這就是說,光速與任何速度疊加,都還是得到光速,光速是信號的最大速度 .其實,這正是著名的麥克爾遜—莫雷實驗的零結(jié)果,是愛因斯坦把相對性原理從力學現(xiàn)象推廣到包括力學現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的一切物理現(xiàn)象、建立狹義相對論的基礎 .

可見,光速與任何速度疊加仍然得到光速,這是狹義相對論的必然結(jié)果,并不能說明無靜質(zhì)量的光子沒有慣性 .光即電磁波,它當然是有慣性的 .慣性是質(zhì)量的特性,無論是靜質(zhì)量還是動質(zhì)量,都是如此 .其實,列別捷夫的光壓實驗[2],明確證明了光子有動量,也就表明光子具有慣性 .而開普勒就曾應用光壓來解釋慧尾的形成,麥克斯韋更是根據(jù)他的電磁場理論論證了光壓的必然性,并計算出了它的具體大小 .

2 關于一個實驗結(jié)果的分析

作者設計了這樣一個實驗:如圖 1所示,有一個真空管 (后面又把它發(fā)展成為曲管,本質(zhì)上還是一樣的),管上部的E點對準下部的E1點,在E處安裝一個光源 .在管子相對地面以速度v作勻速直線運動的過程中,光源垂直向下發(fā)射一束脈沖光束 .他認為,“如果光束打在管子下部的E1點,說明光繼承了管子的速度v,即光有慣性,如果光偏離E1點,打在正左邊的E2,說明了光沒有繼承管子的速度v,即光沒有慣性 .”

圖 1 企圖說明光沒有慣性的實驗設計

這個實驗設計的錯誤在于,完全沒有考慮參考系的選擇 .相對論的精髓就在于,對現(xiàn)象的觀測結(jié)果完全取決于參考系的選擇,觀測者處在不同的參考系 (在狹義相對論中都是慣性系),對同一個現(xiàn)象的觀測結(jié)果可以完全不同 .在動系中靜止的一米長的尺子,靜系的觀測者測量的結(jié)果將小于一米,在動系中靜止的鐘走過一秒鐘,靜系的觀測者測量的結(jié)果將大于一秒,這就是尺縮效應和鐘慢效應 .這些效應在宇宙線的觀測中和宇宙飛船的實驗中得到了證實 .

再看作者所設計的這個實驗 .由于光在真空中的傳播速度是不變的,與光源的運動狀態(tài)無關[3].光束從光源發(fā)射出來以后,光束將不受光源運動的影響,將保持自己勻速直線運動的狀態(tài)不變 .所以,隨著真空管一起運動的觀測者會看到光束不發(fā)生偏離,仍然打在直對光源的E1點上 .而在地面的觀測者將會看到光束發(fā)生了偏離,打在了E1點右邊的某個點上,而不可能是在E1點左邊的E2點處 .這正是光的慣性的表現(xiàn) .其實,這種情況在經(jīng)典力學中也有 .伽利略在他的《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中,借助那條著名的“薩爾維阿蒂大船”,生動地描述了他的相對性原理:在一艘勻速直線運動的船上,從船頂落下的水滴,船上的人看到水滴垂直落下,而在岸上的人看到的水滴運動軌跡卻是一條平拋曲線 .兩者都對,就是因為他們是在不同的參考系中進行觀察的 .

圖 2 左:在運動參考系中的觀察者所觀測到的光的傳播右:靜止在地面的觀察者所觀測到的光的傳播

[1]陳杰思.新的發(fā)現(xiàn)—光沒有慣性[J].發(fā)明與創(chuàng)造,2007,(1):28.

[2]毋國光,戰(zhàn)元齡.光學[M].北京:人民教育出版社,1978:628.

[3]韓鋒.廣義相對論:及其思想和方法的評述[M].烏魯木齊:新疆教育出版社,2003:19.

[4]R P費曼.費曼講物理·相對論[M].周國榮,譯.長沙:湖南科學技術(shù)出版社,2004:64～66.

The Inertia of L ight——On M isunderstandings of Restricted Theory of Relativity

HAN Feng

(Depart ment of Physics and Electron ic Eng ineering,Y izhou,Guangxi546300,China)

The paper analyzes a false idea of understanding restricted theory of relativity and indicates that light has inertia.The principle of composition of velocities and effects of length contraction and time dilation based on the principle of constancy of light velocity and restricted theory of relativity,are a united whole.It holds that the correctness of restricted theory of relativity is reliable.

restricted theory of relativity;light;inertia;velocity composition law

O412

A

1672-9021(2010)02-0032-03

韓鋒 (1943-),男,山西文水人,河池學院物理與電子工程系教授,主要研究方向:理論物理學與物理哲學 .

2010-03-14

[責任編輯普梅笑 ]