狹義與廣義相對論淺說 · 7．光的傳播定律與相對性原理的表面牴觸

在物理學中幾乎沒有比真空中光的傳播定律更簡單的定律了， 學校 里的每個兒童都知道，或者相信他知道，光在真空中沿直線以速度ｃ＝３００，０００公里／秒傳播。無論如何我們非常精確地知道，這個速度對於所有各色光線都是一樣的。用力如果不是這樣，則當一顆恆星為其鄰近的黑暗星體所掩食時，其各色光線的最小發射值就下會同時被看到。荷蘭天文學家德西特（Ｄｅ＿Ｓｉｔｔｅｒ）根據對雙星的觀察，也以相似的理由指出，光的傳播速度不能依賴於發光物體的運動速度。關於光的傳播速度與其「在空間中」的方向有關的假定即就其本身而言也是難以成立的。 總之，我們可以假定關於光（在真空中）的速度ｃ是恆定的這一簡單的定律已有充分的理由為學校里的兒童所確信。誰會想到這個簡單的定律競會使思想周密的物理學家陷入智力上的極大的困難呢？讓我們來看看這些困難是怎樣產生的。 當然我們必須參照一個剛體（坐標系）來描述光的傳播過程（對於所有其他的過程而言確實也都應如此）。我們再次選取我們的路基作為這種參考系。我們設想路基上面的空氣已經抽空。如果沿著路基發出一道光線，根據上面的論述我們可以看到，這道光線的前端將相對於路基以速度ｃ傳播現在我們假定我們的車廂仍然以速度ｖ在路軌上行駛，其方向與光線的方向同，不過車廂的速度當然要比光的速度小得多。我們來研究一下這光線相對於車廂的傳播速度問題。顯然我們在這裡可以應用前一節的推論，因為光線在這晨就充當了相對於車廂走動的人。人相對於路基的速度Ｗ在這晨由光相對於路基的速度代替。Ｗ是所求的光相對於車廂的速度。我們得到： ｗ＝ｃ－ｖ。 於是光線相對於車廂的傳播速度就出現了小於的情況。 但是這個結果是與第５節所闡述的相對性原理相牴觸的。因為，根據相對性原理，真空中光的傳播定律，就象所有其他普遍的自然界定律一樣，不論以車廂作為參考物體還是以路軌作為物體，都必須是一樣的。但是，從我們前面的論述看來，這一點似乎是不可能成立的。如果所有的光線相對於路基都以速度ｃ傳播，那麼由於這個理由似乎光相對於車廂的傳播就必然服從另一定律——這是一個與相對性原理相牴觸的結果。 由於這種牴觸，除了放棄相對性原理或放棄真空中光的傳播的簡單定律以外，其他辦法似乎是沒有的。仔細地閱讀了以上論述的讀者幾乎都相信我們應該保留相對性原理，這是因為相對性原理如此自然而簡單，在人們的思想中具有很大的說服力。因而真空中光的傳播定律就必須由一個能與相對性原理一致的比較複雜的定律所取代。但是，理論物理學的發展徑。具有劃時代意義的洛倫茲對於與運 動物 體相關的電動力學和光學現象的理論研究表明，在這個領域中的經驗無可爭辯地導致了關於電磁現象的一個理論，而真空中光速恆定定律是這個理論的必然推論。因此，儘管不曾發現與相對性原理相牴觸的實驗數據，許多著名的理論物理學家還是比較傾向於捨棄相對性原理。 相對論就是這個關頭產生的。由於分析了時間和空間的物理概念，人們開始清楚地看到，相對性原理和光的傳播定律實際上絲毫沒有牴觸之處，如果系統地貫乇這兩個定律，就能夠得到一個邏輯嚴謹的理論。這個理論已稱為狹義相對論，以區別於推廣了的理論，對於廣義理論我們將留待以後再去討論。下面我們將敘述狹義相對論的基本觀念。