http://rcs.wuchang-edu.com/Resource/Book/Edu/KPTS/TS009036/0051_ts009036.htm
二、关于光速不变原理
狭义相对论的第二个基本假设是光速不变原理,即假定在任何惯性参考系中,光在真空中的速度都等于常数c。这个原理是否已经为实验所证实呢?
要测量两个分离点A和B之间的单程光速,就必须确定从点A发射的光脉冲传播到点B所通过的距离和所需要的时间间隔。这个时间间隔的测量必须使用两个分别置于A处和B处的同步(校准)的时钟。异地时钟的同步(校准)实质上就是不同地点的同时性问题。我们可以在tA时刻从点A发出一个信号,假设信号速度为u,到达点B时,B处的时钟读数为tB,如果tB=tA+AB/u,可以认为两处的时钟已经校准。
这里出现了一个难题:为了测量单程速度,需要校准不同地点的时钟;而为了校准不同地点的时钟,又需要知道信号的单程速度。这就是异地时钟校准和单程速度测量之间的逻辑循环。在狭义相对论的体系中,这个逻辑循环不可避免。在这一点上,爱因斯坦本人早先也已承认,尽管他后来(1946年)实际上否定了这个看法。
爱因斯坦是如何解决这个问题的呢?他在1905年创立狭义相对论的论文《论动体的电动力学》中说:“要是没有进一步的规定,就不可能把A处的事件同B处的事件在时间上进行比较。……只有当我们通过定义,把光从A到B所需要的‘时间’规定为等于它从B到A所需要的‘时间’,我们才能够定义A和B的‘公共时间’。设在‘A时间’tA从A发出一道光线射向B,它在‘B时间’tB又从B被反射向A,而在‘A时间’tA回到A处。如果tB-tA=tA-tB,那末这两只钟按照定义是同步的。”这就是说,爱因斯坦是通过约定光速与方向无关,即单程光速不变来定义不同地点的同时性,来校准异地的时钟。
由此可见,“单程光速不变”完全是一种逻辑约定,或者按照爱因斯坦的说法,它“仅是为了得出同时性定义,我按照我自己的自由意志所能作出的一种规定。”除非发现并利用超光速信号(超光速信号的存在是违背狭义相对论的),仅用电磁学方法是无法测量单程光速的。因此,也不可能检验爱因斯坦的(单程)光速不变原理。
要注意的是,测量从点O发出的通过一段回路距离再回到O点的回路平均光速,是不难通过测量距离和只用一个置于O点处的时钟测量时间来完成的。这里不涉及异地时钟校准和不同地点同时性的问题。事实上,关于光速不变原理的检验实验的分析表明,各种实验都只证明了回路平均光速不变,并没有证明单程光速的不变性。因此,通常所谓的“光速不变原理已经为实验所证实”的说法是不确切的。
1963年,爱德华从回路平均光速不变这一假定出发,舍弃光速不变原理,导出了各向异性空间中各个惯性系之间的普遍的时空坐标变换式(称之为广义的洛伦兹变换)。当应用于可观察效应时,这些新变换给出了与狭义相对论完全相同的结果。
二、关于光速不变原理
狭义相对论的第二个基本假设是光速不变原理,即假定在任何惯性参考系中,光在真空中的速度都等于常数c。这个原理是否已经为实验所证实呢?
要测量两个分离点A和B之间的单程光速,就必须确定从点A发射的光脉冲传播到点B所通过的距离和所需要的时间间隔。这个时间间隔的测量必须使用两个分别置于A处和B处的同步(校准)的时钟。异地时钟的同步(校准)实质上就是不同地点的同时性问题。我们可以在tA时刻从点A发出一个信号,假设信号速度为u,到达点B时,B处的时钟读数为tB,如果tB=tA+AB/u,可以认为两处的时钟已经校准。
这里出现了一个难题:为了测量单程速度,需要校准不同地点的时钟;而为了校准不同地点的时钟,又需要知道信号的单程速度。这就是异地时钟校准和单程速度测量之间的逻辑循环。在狭义相对论的体系中,这个逻辑循环不可避免。在这一点上,爱因斯坦本人早先也已承认,尽管他后来(1946年)实际上否定了这个看法。
爱因斯坦是如何解决这个问题的呢?他在1905年创立狭义相对论的论文《论动体的电动力学》中说:“要是没有进一步的规定,就不可能把A处的事件同B处的事件在时间上进行比较。……只有当我们通过定义,把光从A到B所需要的‘时间’规定为等于它从B到A所需要的‘时间’,我们才能够定义A和B的‘公共时间’。设在‘A时间’tA从A发出一道光线射向B,它在‘B时间’tB又从B被反射向A,而在‘A时间’tA回到A处。如果tB-tA=tA-tB,那末这两只钟按照定义是同步的。”这就是说,爱因斯坦是通过约定光速与方向无关,即单程光速不变来定义不同地点的同时性,来校准异地的时钟。
由此可见,“单程光速不变”完全是一种逻辑约定,或者按照爱因斯坦的说法,它“仅是为了得出同时性定义,我按照我自己的自由意志所能作出的一种规定。”除非发现并利用超光速信号(超光速信号的存在是违背狭义相对论的),仅用电磁学方法是无法测量单程光速的。因此,也不可能检验爱因斯坦的(单程)光速不变原理。
要注意的是,测量从点O发出的通过一段回路距离再回到O点的回路平均光速,是不难通过测量距离和只用一个置于O点处的时钟测量时间来完成的。这里不涉及异地时钟校准和不同地点同时性的问题。事实上,关于光速不变原理的检验实验的分析表明,各种实验都只证明了回路平均光速不变,并没有证明单程光速的不变性。因此,通常所谓的“光速不变原理已经为实验所证实”的说法是不确切的。
1963年,爱德华从回路平均光速不变这一假定出发,舍弃光速不变原理,导出了各向异性空间中各个惯性系之间的普遍的时空坐标变换式(称之为广义的洛伦兹变换)。当应用于可观察效应时,这些新变换给出了与狭义相对论完全相同的结果。