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编者按：王兴先生，具有开创性思维，想人之所不敢想，干人之所不敢干 ，所写文章涉及到高深的尖端物理学理论，余不识之。好在望海楼笔谈上的原创文章流传甚广，会遇到有缘有识之人识之鉴之。 一、狭义相对论诞生的背景 从19世纪初光的波动说复活以来，物理学家一直对光传媒质以太议论不休。 由于发现光速与电磁波传播速度相同，光被认为是一种电磁波；由于电磁波是一种横波，所以光自然也被认为是一种横波；由于横波只能在固体中传播，所以以太被认为是一种其有固体特性的物质。 按照麦克斯韦－洛伦兹以太的假设，以太是一种充满空间的准刚性粒子。这种粒子象一个个的传动齿轮，彼此之间通过齿轮咬合，并允许其它物体从中通过。 而围绕以太与其它物体的运动关系，又产生了菲涅尔为代表的静止以太说和斯托克斯的曳引说。前者实质上是固体特性的延伸，后者类似于流体力学中的附面层原理（如右图所示，只有运动物体表面的流体被物体拖曳而与物体相对速度为０，由物体向外流体速度递增，至附面层边缘则与流体的本来速度相同，附面层的厚度与流体的速度有关）。 由于前者圆满地解释了光行差现象，因而得到人们的普遍认同，后者则被忽略了。 地球以公转速度相对以太运动，应产生”以太漂移”现象。多年来，人们做了一系列的光学和电学实验，意图度量这一现象。迈克尔逊－莫雷实验就是其中之一。 迈克尔逊－莫雷实验的装置是如左图所示的干涉仪，整个装置可绕垂直于图面的轴线转动。其实验原理是:借助经典力学中的速度合成公式和光的干涉现象，并因水平方向光束（１）来回的时间，光束（２）在Ｐ间经因的实际路程所须时间，求得两束光（如右图所示）的光程差应为，在转动过程中条纹移动数应为 （１－１） 将地球公转速度和光的波长代入上式，可得（以上按原文用表示地球相对于绝对空间或以太的速度）。 但出乎意料的是，实验结果与上式结果不符，且反复实验均未观察到条纹的移动。 为了解释这一现象，洛伦兹和斐兹杰德分别提出了“收缩假说”，即干涉仪管在运动方向上的收缩，补偿了干涉条纹的位移，从而导致实验结果与计算结果的不同。洛伦兹还为此建立了变换公式。 固态物体因运动而收缩，显然与人们日常经验不符，因而很难被接受。 终于轮到本世纪最伟大的天才科学家爱因斯坦闪亮登场了。 二、光速不变原理的涵义透析 光速不变原理是狭义相对论的两大支柱之一，其意义之重大不言而喻。 （一）光速不变中的光速是仅指合成速度吗 关于光速不变原理，爱因斯坦是这样表述的：“任何光线在'静止’的坐标系中都是以确定的速度运动的，不管这道光线是由静止的还是由运动的物体发射出来的”。 这话是什么意思呢？具体地就是说，如果有两个物体以速度作相对运动，在一个物体上发射一道光线并测得它的速度是，在另一个物体上测量这束光的速度还是，而不是按照人们通常理解的那样，变成。 狭义相对论的合成速度公式Ｕ＝似乎可以佐证我们的上述解释。在这个公式中，将用替代，其得到的，而不管取什么值。 （二）光速（合成速度）为什么不变 看到有网友很感兴趣，但上述合成速度公式却不能用于解释这一问题，因为它由狭义相对论的变换公式推导而来。光速不变原理是狭义相对论的基础，是因之因，合成速度公式只是果之果。否则，就得犯循环论证错误。 而狭义相对论是将这一原理直接给出的，就象数学上的公理一样，并未加以证明。那就只好让网友们暂且按下那颗躁动的好奇心吧！ （三）光合成速度的表达歧义 相对论的巨大成功无庸置疑，为了透彻理解光速不变这一问题，我们还是虔诚地翻开那篇圣经《论动体的电动力学》，仔细研读一下狭义相对论公式的推导过程吧。 我们看到，狭义相对论推导的过程是从以下这个公式起步的 并且，根据光速不变原理，该公式在任何参照系中均一律适用。 为此，设计了这样的情境，在静止参照系中，一束光于时刻从原点出发，于时刻到达距其的点，经点反射，又于时刻回到点。一个以速度运动的观察者，由上述公式可得到 和 (２-１) 且慢，请那位大神告诉我，这其中的、是什么意思？不是合成速度吗？难道是光线来回跑才致使合成速度变成了？好象也不对。 三、惠更斯原理中的子波与光传播速度的关系 我们说，数学是作为一种工具来研究事物的，工具再好，终究不能代替事物本身。还是让我们回归人们的常识和直觉吧。 （一）惠更斯原理的子波源是客观实在的波粒子
一方面，既然由惠更斯原理引出的诸多波动学和量子力学原理被实验广泛证实，那么，我们有什么理由否认这种能振动的点－子波源－波粒子的存在呢（注：在前面一篇文章中我们曾称它为点粒子）？ 另一方面，这种波粒子与现代物理学中出现的“无中生有”、“虚光子”甚至暗物质、暗能量等猜想不也是吻合的吗？ 这“无”、“虚”、“暗”，完全可以理解为我们目前借助电磁学原理的观察手段不能直接观察到它，但我们却感到了它们集合的力量。这寓示着它一定是小于光子、电子的，是在普朗克尺度之下、比所谓的基本粒子更下一层次的粒子。 （二）广义相对论暗示波粒子是一种具有弹性的粒子 在上一篇文章中，我们曾用水分子来比拟惠更斯点（波）粒子。现在设想一个水面上的波，看看爱因斯坦本人是怎样表述的：“…要是原则上没有这种小浮体可以用来追踪液体粒子的运动，要是在整个过程中果真除了时间变化的那些水被占空间位置以外，根本没有什么别的东西可以察觉到，那么我们就没有理由可以假定水是由运动的粒子所组成的”。 作为科学大师的爱因斯坦不可能不知道水由是水分子集合而成的，所以对上述一段话我们只能理解为，作为研究宏观现象的相对论，它只须关注水面的形状，没有必要去关注一个个水分子是如何运动的。 在另一段，爱因斯坦又说：“这种在原则上的新的广义相对论同洛伦兹以太的对立就在于：广义相对论以太在每一点的状态，都是它同物质以及它同邻近各点的以太状态之间的关系所决定的…洛伦兹以太的状态却不取决于任何在它之外的东西，而且到处都是相同的”。 所以我们说，狭义相对论否认的只是刚性以太，而不是以太本身。这些充满空间通过齿轮咬合的刚性以太粒子，显然难以让固体物质顺畅运动，与直观经验不能相容，被改进也就显得极为自然。相对论以太就是这种改进，正如爱因斯坦所明示的那样：“广义相对论以太是把洛伦兹以太相对论化而得到的”。 由于各种物质在广义相对论以太中的不断运动，各点的状态也是动态变化着的。如果没有弹性力的存在，在引起广义相对论以太各点变动的作用力（比如物质运动挤压）消失后，它们是如何恢复原状的呢？！ 依靠弹性挤压在一起的广义相对论以太（我们所称的波粒子）之间可以相互滑动。这样，其他物质能在其中运动（或穿过），不就是件很自然的事吗？！ （三）波的折射定律与光速的关系 既然是弹性物质的集合，就必然涉及集合体－媒介的密度问题，并牵出了另一个话题－同样来源于惠更斯原理的折射定律（参见右图）。 设分别是媒介１、媒介２中光子波的波速，光线（或子波）从入射媒介１入射到媒介２时发生折射现象，为媒体１中的入射角，为媒介２中的折射角。则媒介２相对于媒介１的相对折射率为 （３－１） 由３－１式可知，速度小的光线与法线之间的角度较大，速度大的光线与法线之间的角度较小，反之亦然。 把真空作为媒介１，媒介２的绝对折射率表示为 （３－２） 在波动学上，把折射率较大的媒介称为光密媒介，折射率较小的媒介称为光疏媒介。 四、因运动产生的光密介质－随行的附面层 概括以上内容，即不同媒介中光速是不同的。在波粒子概念的引导下，我们须对真空这个光媒介是否一直都是不变的这个问题加以考察。 （一）运动光密介质中的光速－ 选取相对于静止参照系以速度且沿Ｘ轴作匀速直线运动的参照系为运动参照系（如左图如示），从动系的原点处发出一束光。分别为静系上测得的这束光传播的距离和所经历的时间，、分别为动系上测得的同一束光传播的距离和所经历的时间（当时，、原点重合）。 由狭义相对论方向的洛伦兹变换方程 （４－１） 而对照上图，在经典力学中则为，狭义相对论的洛伦兹变换多出了一个系数。这是为什么呢？我们自然不能满足于纯数学的推导，还要追问这个系数背后隐藏着什么样的原理。 现在，让我们从经典力学速度合成公式出发，并结合现有的其他知识，去寻找解释问题的答案。 于是我们便想到了光程的概念。根据波动光学的原理：光波在某一折射率为的媒介中的路程，相当于同一段时间内在真空中的路程。这个即光程。 将方向洛伦兹变换方程中的视为上述光学原理中的，洛伦兹变换方程中的则相当于光程。则我们在折射率与系数建立起了联系 ＝ （４－２） ４－１式便可变换为 （４－３） 这意味着，原本不存在的光密介质，因参照系的运动而产生了，并且随着一起运动，有点类似于流体中的附面层。 现在我们可以这样来认为，这一游走着的光密介质的出现，正是由于真空中本来就存在的惠更斯子波源－波粒子的弹性所致。物体运动压缩了真空中的波粒子，使波粒子的密度增大，从而增加了对光的传播阻力，使光速降低了。 与流体的附面层不相同的是，流体的附面层是由分子间的粘附性形成的，而波粒子间的粘附性则由于其各自的弹性所致，因而物体以相同速度在其中运动时，其附面层的厚度必然要大的多。 将折射率公式代入４－２式，并将用替换，表示该运动光密介质中的光速是由物质以速度运动导致的，可得 ＝ （４－４） 此时，按经典力学求得的光合成速度应当为 （４－５） 因此，用经典力学的速度合成公式，光在静系中到达的位置为 （二）光速变化对迈克尔逊－莫雷实验的解释 上述这个运动的光密介质与常见的光密介质也不等同，它是由波粒子在有重物质运动方向上相互挤压和滑动形成的，因而不是各向同性的，对光速的影响主要是在方向上。基于这个原因，在迈克尔逊－莫雷实验中，光线（１）的速度变慢了，而与之垂直的光线（２）几乎未受到影响。 回到迈克尔逊－莫雷实验，水平方向的光束（１）来回所须的时间，由于实验装置也随地球一起运动，其对地球相对静止，因而光速无须与地球速度合成，而只须单独计算光速即可。但须注意的是，此时光速不再是静态真空光速，而是在由地球运动形成的光密介质中的运动，来回的光速均应为。因此，水平方向光束（１）来回的时间，。 因而应观察不到干涉条纹的移动。 因此，补偿效应看起来是可能存在的，但不是由于洛伦兹和斐兹杰德所指的干涉仪管的收缩，而是由于光真空媒介的收缩。 （三）延伸的思考 按照物体运动导致光媒密度发生变化的观点，显然与刚性以太的假设是不一致的，迈克尔逊－莫雷实验正是基于后者来设计的，因而遇到了解释困境。这一假设的原因是基于光是电磁波因而光是横波而横波只能在固体中传播因而光媒介－以太当然是刚性的这一逻辑链进行的。 但是，除了速度相同外，还有什么证据证明光是电磁波？难道同样以光速传播的引力波也是电磁波吗？即使电磁波是横波，横波就一定不能在流体中传播吗？或者流体中只有混入固体的以太才能传播电磁波吗？那么固体与流体又是怎么完美契合在一起的呢？ 上述这些问题，是否该到了好好反思的时候了。 尽管狭义相对论未涉及光媒介－空间的密度问题，但广义相对论却给予了高度重视。其推导由牛顿理论中的泊松方程起步（其中为引力势，为物质密度），用代替了，用代替了，就有了其场方程 于是，物质密度空间张量。 想象一下吹大的气球吧！密度加大张力撑开膨胀程度（张量）！ 总结一下全文，迈克尔逊－莫雷实验遇到的困境，我们只须将以太的刚性抽去，而代之以弹性，不是很容易就得到解决了吗？
如果我们再回到广义相对论的场方程起点，将由广义相对论公式推导出的256维空间、11维空间什么的，用具有能量密度的惠更斯波粒子集合体（场）的256个或11个物理特征，如同质量、重量、能量、温度等等，它们中的大多数之所以没出现，并不是因为它的那个空间卷缩着，而是因为尚未形成它出现的条件，是否更能形象化，而不必连三维空间都相象不出来的人(比如大名典典的霍京所自称的那样），却从纯数学的推导中得想出无比抽象的256维、11维空间概念呢？ 而且，作为研究问题的技术手段，本无可厚非，你可以怎样方便就怎样选择。但空间就在那儿，无论你是按照欧几里德几何学，还是按照黎曼几何学，或者是选择高斯坐标系，还是选择笛卡尔坐标系，以及别的什么坐标系，空间本身不会因各种选择的不同而有所不同。 最后，说一点感言：我们应当尊重科学、尊重大师，追循科学大师研究进路，透析大师学术精髓。同时考虑时代背景和科技发展水平，不再死记硬背大师们的研究结论。最好不要让科学的殿堂高悬九天之上，变成纯数学游戏，而不接地气。 作者介绍：王兴，早年毕业于空军工程大学，任部队工程师，后转业于法院任研究室主任等职，通过了司法考试，并取得国家专利代理律师资格，曾担任员额法官多年，现退休。其君或为遗落在民间的科学理论界大伽。
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