實(shí)物物質(zhì)達(dá)不到真空中光速C的理想實(shí)驗(yàn)

劉保垣

真空中的光速相對(duì)于任何慣性系沿任意方向恒為C，并與光源運(yùn)動(dòng)無關(guān)，這一假設(shè)已成為了相對(duì)論兩大基本原理之一。由此原理建立起來的相對(duì)論理論還推出了物質(zhì)最大傳播速度不能大于真空中的光速這一結(jié)論。雖然這一結(jié)論在理論和實(shí)踐中都得到了驗(yàn)證，為了能對(duì)這一有悖于人類“感覺經(jīng)驗(yàn)”的結(jié)論有更加深入的認(rèn)識(shí)和理解，下面以光速不變作為基礎(chǔ)，通過一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)的分析，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度推證出“實(shí)物物質(zhì)不可能達(dá)到光速C”這一時(shí)空運(yùn)動(dòng)邏輯上的限制。

愛因斯坦在早期曾經(jīng)考慮過追光的理想實(shí)驗(yàn)［1］，即以速度C追一條光線運(yùn)動(dòng)，好像應(yīng)看到一個(gè)在空間里振蕩而停滯不前的電磁場(chǎng)。但愛因斯坦判斷認(rèn)為，無論是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)還是按麥?zhǔn)戏匠蹋疾粫?huì)有這樣的情況發(fā)生。他認(rèn)為追光所觀察到的應(yīng)當(dāng)像一個(gè)相對(duì)于地球是靜止的觀察者所看到光的一些定律進(jìn)行，即追光者看到的光線仍然是以相對(duì)速度C傳播。愛因斯坦這一追光的理想實(shí)驗(yàn)為他之后建立狹義相對(duì)論提供了一定的思想基礎(chǔ)。

受到這一追光理想實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，本文設(shè)計(jì)的理想實(shí)驗(yàn)是:設(shè)想相對(duì)于某一慣性系∑有甲、乙兩個(gè)觀察者(可看成兩個(gè)實(shí)物)以同樣的速度V沿x正向運(yùn)動(dòng)，在保持兩者相同速度的前提下，兩觀察者可做加速運(yùn)動(dòng)。在速度V小于C時(shí)，兩個(gè)觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度始終為零(這對(duì)于經(jīng)典力學(xué)和相對(duì)論力學(xué)都是成立的);當(dāng)兩觀察者速度V無限接近真空中光速C時(shí)，兩個(gè)觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度仍然為零。如果一旦兩觀察者相對(duì)于∑系的速度V都達(dá)到了光速，并維持這一速度C時(shí)，似乎我們根據(jù)“經(jīng)驗(yàn)”，還可以認(rèn)為甲、乙之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為零的結(jié)論不應(yīng)當(dāng)由于速度V增加一點(diǎn)點(diǎn)而改變。但是根據(jù)光速不變?cè)恚藭r(shí)奇跡可能會(huì)發(fā)生:首先，設(shè)∑'系固定在甲觀察者上(注意此時(shí)乙觀察者相對(duì)于∑系的速度也為V)。因此，∑'系和甲觀察者相對(duì)于∑慣性系沿x方向都以速度V運(yùn)動(dòng)。當(dāng)速度V達(dá)到光速時(shí)，根據(jù)相對(duì)論速度變換公式［2］:

∑'系上的甲觀察者觀察乙的速度為u'x:

即甲觀察者會(huì)突然看到乙觀察者相對(duì)自己以光速C沿x正方向遠(yuǎn)離自己(兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度突然不為零了);用上述分析方法，還可以分析出乙觀察者也同樣看到甲觀察者相對(duì)自己以光速C沿x正方向遠(yuǎn)離自己。甲、乙兩觀察者的觀察結(jié)果都是符合光速不變?cè)砑跋鄬?duì)論理論的，這本身就是一個(gè)悖論問題;另外當(dāng)甲、乙觀察者相對(duì)于∑系均沿x正向以光速C運(yùn)動(dòng)時(shí)，到底是按相對(duì)論光速不變?cè)?，甲、乙互看?duì)方均沿x正方向以光速C運(yùn)動(dòng)呢?還是因兩者都相對(duì)于∑系有相同的運(yùn)動(dòng)速度，從而使兩者仍保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為零呢?這又是一個(gè)悖論問題。面對(duì)這兩個(gè)悖論問題，在實(shí)際的過程中出路只有一個(gè)，那就是只有承認(rèn)兩觀察者(實(shí)物)相對(duì)于∑系永遠(yuǎn)也不可能達(dá)到光速C，即在實(shí)際過程中不存在實(shí)物達(dá)到光速這一情況，才能使上面的兩個(gè)佯謬避免發(fā)生，才應(yīng)是我們觀察到的實(shí)際情況。

通過這一理想實(shí)驗(yàn)，我們進(jìn)一步證明和認(rèn)識(shí)了實(shí)物運(yùn)動(dòng)速度不僅不能超過光速，而是根本就達(dá)不到光速這一結(jié)論，只有“場(chǎng)”物質(zhì)才可以達(dá)到光速C的傳播速度。通過這一理想實(shí)驗(yàn)，還可得到一個(gè)推論——可達(dá)到光速C的“場(chǎng)”物質(zhì)不能作為參照系來約定和使用，不然勢(shì)必要在作為參考系的“場(chǎng)”中鑲嵌實(shí)物觀察者，而這樣的觀察者又達(dá)不到“場(chǎng)”以光速C傳播的運(yùn)動(dòng)特性，因此將“場(chǎng)”作為參考系是不合時(shí)宜和極不明智的，例如光速加光速仍然等于光速的說法，實(shí)際上至少設(shè)了一個(gè)參考系以光速運(yùn)動(dòng)，因此“光速加光速等于光速”這一常用的物理模型是不可實(shí)現(xiàn)和不科學(xué)的。

［1］許良英.愛因斯坦文集(第一卷)［M］.北京:商務(wù)印書館，1997:24.

［2］郭碩鴻.電動(dòng)力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1997(2):254.