程碧波

摘 要：本文從中國傳統(tǒng)的炁的理念出發(fā)構(gòu)思炁的物理模型，其計算結(jié)果符合若干實驗和天文觀察現(xiàn)象。本文并比較了相關(guān)理論例如相對論的推導及其計算過程，指出其他理論所存在的待商榷的地方，以及炁模型的猜想更具有邏輯上的一致性。

關(guān)鍵詞：炁；相對論；時空

炁是中國傳統(tǒng)理論中構(gòu)成宇宙萬物的基本物質(zhì)，它無所不在又運動不息，形成宇宙萬物。炁分散而為場，凝聚而為粒子。（行炁，深則蓄，蓄則伸，伸則下，下則定，定則固，固則萌，萌則長，長則退，退則天。天幾舂在上；地幾舂在下。[1]）

炁場與粒子雖均由炁構(gòu)成，但已是兩種不同的物質(zhì)，好比電子和質(zhì)子構(gòu)成不同元素一樣。

炁與氣不同。氣由空氣分子構(gòu)成，炁比氣更加本原。換言之，沒有氣的空間可被稱為真空，但真空中仍會充滿炁場。

1 炁的運動定律

采用中國傳統(tǒng)炁的概念，則光即由炁場的波動而成，可稱之為炁波。炁波傳輸?shù)乃俣燃礊楣馑佟?/p>

粒子與炁場存在相互作用。粒子會吸附炁場。粒子越多、質(zhì)量越大，吸附炁場的強度越大、范圍越廣?？梢哉业筋愃频暮暧^模型：星球質(zhì)量越大，可以吸附的大氣越多；反之，可以吸附的大氣越少?？拷乔虮砻嬗?，大氣與星球表面愈相對靜止；靠近星球表面愈遠，星球的運動速度與大氣差距愈大——因為星球吸附大氣的能力愈弱。粒子對炁場的吸附亦是如此。

粒子在炁場中運動，就好比物體在空氣中運動一樣，會遇到炁場的阻力。此阻力隨著粒子相對炁場的速度增大而增大。當粒子相對炁場的速度接近光速時會產(chǎn)生光障，這與物體在空氣中速度達到聲速時產(chǎn)生音障的原理類似。正如達到音障時大氣對物體的阻力會急劇增大一樣，光障時炁場對粒子的阻力也會急劇增大。從理論上講，光障如同音障一樣，亦可能被突破，但是難度將會很大，因為物體在速度較低時，電磁場等各種場的波動可以對物體施加推動力以加速。但當物體的速度已經(jīng)到達光速時，電磁場等各種場波動的速度與物體速度相同，已沒有能力再加速物體。當然，通過噴射介質(zhì)的方式，可能進一步提高速度。

我們將粒子相對炁場靜止到接近光障這個速度區(qū)間，稱為光障區(qū)。在光障區(qū)內(nèi)，任何物體相對炁場的速度上限為光速。目前人類的科技水平尚未突破光障區(qū)。所以本文重點對光障區(qū)內(nèi)的運動定律進行探討。

1.1 炁場中的質(zhì)量關(guān)系

假定粒子質(zhì)量為，相對炁場的速度為，受炁場阻力為（為系數(shù)），則若有外力推動粒子繼續(xù)加速，加速度為，則有公式：

由（3）式可知，若測量者意識不到炁場對粒子的作用力，則他將發(fā)現(xiàn)：隨著粒子的速度增加，粒子的質(zhì)量增大；在粒子速度一定時，隨著粒子加速度增加，粒子的質(zhì)量減小。

顯然，讓粒子減速則極為容易，只要撤掉外力，粒子速度就會逐漸降下來。

1.2 炁場中的速度合成關(guān)系

在光障區(qū)內(nèi)，相對炁場的速度上限為光速。因此從表面看，速度合成不再遵從矢量合成法則。破壞矢量合成法則的力學原因，是因為有炁場的阻力。假使我們將炁場的阻力考慮進矢量合成，那么矢量合成法則仍將得到遵守。

但無論是否考慮炁場阻力，炁場中速度合成均遵守以下法則：

某物體（粒子或光）在某介質(zhì)中運動。若介質(zhì)相對炁場速度為0時物體相對介質(zhì)的速度為，則當介質(zhì)相對炁場速度為時，物體相對炁場速度為：

注意，（4）式并不一定遵從矢量合成法則。的具體形式要么需要進一步計算炁場阻力，要么需要實驗測量而得。并且，不同的介質(zhì)和物體，其的數(shù)據(jù)未必相同。但只要不突破光障，的絕對值不會超過光速。

然后，根據(jù)矢量合成法則，此時物體相對介質(zhì)的速度應為：

很顯然，若此介質(zhì)僅為與炁場不同速度的坐標系，則直接（5）式成立。即物體在介質(zhì)坐標系中的速度與介質(zhì)坐標系在炁場坐標系中之矢量和，等于物體在炁場坐標系中的速度。因此矢量合成法則仍然適用。

2 相關(guān)理論的拓展比較

相對論與炁理論的假設(shè)和結(jié)論均有所差別。下面我們對此拓展分析。

2.1 廣義相對論介紹

2.1.1 廣義相對論的坐標變換原理

閔可夫斯基發(fā)現(xiàn)狹義相對論中，同一事件在慣性系與慣性系中的各參數(shù)滿足以下條件：[2]

表達式得出一個與局部坐標系方向無關(guān)的值，它是由時空測定確定的。屬于四維連續(xù)體中無限接近兩點的線素的值，愛因斯坦記作。對正在討論的線素，或者說兩個無限接近的事件點，任何選定參照系的四維坐標系（注意，是任意參照系，不一定是慣性參照系），其自變量分別為、、、，那么可表示為：

廣義相對論認為，（10）式計算出來的線素與坐標系的方向和運動狀態(tài)無關(guān)，因為中已經(jīng)包含了時間和空間，是由鐘尺測量時空中無限接近的事件點確定的量，它與特殊選擇的坐標無關(guān)。

2.1.2 坐標鐘、標準鐘與固有時間

（1）坐標鐘：對于彎曲時空的任意坐標系中的坐標點，若視為時間坐標，則以速率運行的鐘，叫坐標鐘，稱為坐標時間，是從系來考察的此坐標點時間。為慣性系中的真空光速。

（2）標準鐘：對時空中的任意觀測者引入相對于他瞬時靜止的局部慣性系。定義靜止于系中的鐘為標準鐘，它所記錄的時間為慣性系的固有時間，即靜止于的觀測者親身經(jīng)歷的時間。此線素方程為：

（3）坐標時間與固有時間的關(guān)系：

由于線素大小與坐標系選擇無關(guān)，而觀測者在坐標系中的線素方程為：

由此即得觀測者A的坐標時間t與固有時間的關(guān)系。坐標時間t是A所在坐標系S中的時間，固有時間是以A為坐標系的時間，即A親身經(jīng)歷的時間，從而實現(xiàn)不同坐標系之間時間的變換。而這些變換中，固有時間始終是在局部慣性系中的。

2.1.3 坐標時間、固有時間與慣性系間的坐標變換

假設(shè)觀測者A在慣性系S的原點沿x軸正向以速度V相對于S系作勻速直線運動。則：

觀測者A在以A為參照系中的線素方程為：

（17）式也正好是狹義相對論中A在S系原點時的A坐標系和S坐標系之間的時間變換關(guān)系。廣義和狹義相對論的這種等價性是很自然的，因為狹義相對論是利用不同慣性坐標系的光速不變原理推導而得，廣義相對論的恒等條件亦是要求不同慣性坐標系的光速不變。

所以，無論狹義相對論還是廣義相對論，都認同“任意慣性系中光速不變”。并且“任意慣性系中光速不變”是計算固有時間的基本前提，否則固有時間無從談起。

注意：相對論并不是假設(shè)慣性系中任何物體相對光的速度均相同。例如：若某物體相對坐標原點向左的速度為，光相對坐標原點向右的速度為，則在此慣性系中，光相對于此物體的速度為，這是符合相對論假設(shè)的。然而，如果我們建一個新慣性系，新慣性系的原點與此物體相對靜止，則相對論認為：這束光相對于此物體的速度為而不是。

2.2 多慣性系中不同方向的光速

然而，我們這里切實地計算一下多慣性系中不同方向的光速是否相同。

計算過程如下：

假設(shè)S系和系是兩個相對作勻速運動的慣性系。規(guī)定系沿S系的軸正方向以速度相對于S系作勻速直線運動，、、軸分別與、、軸平行，兩慣性系原點重合時，原點處時鐘都指示零點。

現(xiàn)假設(shè)，，是比例系數(shù)，可保證變化是線性的。相應地，系的坐標變換為S系，有。另有，。

兩原點重合時，有。此時在共同原點向、正軸方向發(fā)射一光脈沖，在系，，在系，。

至此，證明過程就是狹義相對論的證明過程，（20）式也為狹義相對論的結(jié)論，沒有新現(xiàn)象出現(xiàn)。

現(xiàn)在我們構(gòu)造一束與之前傳播方向正好相反的光脈沖，即向、負軸方向傳播的光。按照之前的同樣證明過程有：

狹義和廣義相對論的假設(shè)中，不同慣性系中的時間變換關(guān)系只與慣性系的相對速度有關(guān)。既然同一慣性系中時鐘相同，那么同一慣性系中任何方向光脈沖的時鐘也是相同的。比較（19）和（23），這個比例系數(shù)均與狹義和廣義相對論吻合。但是，（24）式中的不等于（20）式中的。這說明，按照相對論的證明，若選擇不同方向的光脈沖作為計算基準，各慣性系的時間取值將不同。這違反了狹義和廣義相對論的前提假設(shè)。那么為什么會違反此假設(shè)呢？我們再來變換一下：

由于是系中的時間，則以系為參照系且光脈沖沿正軸方向傳播時，光脈沖在中經(jīng)過的距離為：

根據(jù)相對論的假設(shè)，S慣性系和慣性系內(nèi)的長度變換關(guān)系只與兩慣性系的相對速度V相關(guān)，所以S慣性系中反向光脈沖經(jīng)過時，反向光脈沖在慣性系內(nèi)經(jīng)過的距離也應是。根據(jù)（24）式，反向光脈沖在慣性系中經(jīng)過的時間為

因此，當S慣性系中光速在各方向上均為c時，可以證明：與S慣性系有相對運動速度的慣性系中，光速不可能在各方向上也均為c。

這證明，相對論中關(guān)于“任何慣性系中光速不變”的假設(shè)是有問題的，數(shù)學邏輯不支持這樣的假設(shè)。

回頭來看（20）與（24）式。根據(jù)這兩式，在S慣性系中光速恒為c且光速沿、正軸方向運動時恒為c，則慣性系中經(jīng)過距離為：

在S慣性系中光速恒為c且光速沿、負軸方向運動時恒為c，則慣性系中經(jīng)過距離為：

這兩個距離極其接近坐標系之間遵從經(jīng)典時空觀下矢量合成法則時的結(jié)論?？砂唇?jīng)典時空觀的矢量合成法則計算如下：

若光脈沖相對S慣性系的速度為c，運動時間為，則當光脈沖沿正軸運動時，慣性系中光脈沖運動距離為：

當光脈沖沿負軸運動時，慣性系中光脈沖運動距離為：

比較（27）與（29）、（28）與（30）式可知：當確定S慣性系的光速恒為c時，慣性系中的計算結(jié)果將極其接近經(jīng)典時空觀下矢量合成的結(jié)果，這是因為慣性系中的光速不可能恒為c。

顯然，若確定慣性系的光速恒為c，則S慣性系的光速就不可能恒為c，此時S慣性系中的計算結(jié)果就將極其接近經(jīng)典時空觀下矢量合成的結(jié)果。確定哪個慣性系中的光速恒為c，將對慣性系中的結(jié)果帶來巨大的不同。

更進一步地，若取一束與x軸有傾斜夾角的光脈沖，若光脈沖的速度c在x軸方向上的速度分量為mc（），因為此光脈沖與軸的夾角等于其與x軸的夾角，所以c在軸方向上的速度分量也應為mc。故有式子：

這下連k都變了。并且隨著m從-1到1之間取不同傾角的光脈沖，k也會隨著變化。事實上，隨著光脈沖方向的變化，任何小于光速的速度都可以成為不同慣性系中既定方向上恒定的速度基準。這意味著同一慣性系中，不同方向光脈沖的時鐘不同，或換言之，不同方向光脈沖的速度不同。

2.3 邏輯學上的推論

邏輯學上關(guān)于“不一致”有如下推論：“若某邏輯體系不一致，則此邏輯體系可以推導出任何真或假的結(jié)論”。

相對論亦是如此。如果我們無視相對論邏輯體系的不一致，那么相對論可以推導出任何結(jié)論。如果我們只揀選其結(jié)論中符合現(xiàn)實的部分而不考慮其矛盾部分，那么相對論可以符合任何現(xiàn)實。以上面推導為例：當需要光速不變時，這本身是相對論的假設(shè)，自然可以滿足；而當需要經(jīng)典時空觀時，相對論同樣可以給出經(jīng)典時空觀的結(jié)果。這就是為什么到目前為止，大量的物理實驗和現(xiàn)象既可以用經(jīng)典時空觀來解釋，又可以用相對論來解釋的根本原因——雖然經(jīng)典時空觀與相對論時空觀相差極大。

當相對論在慣性系中存在這些根本性問題后，其在非慣性系也就不可能規(guī)避這些問題。因為其必須把非慣性系問題處理為局部慣性系。

3 炁模型對相關(guān)實驗的解釋

3.1 麥克爾遜干涉儀測光速實驗

麥克爾遜干涉儀測試出光速在各個方向上均相同[3]。按照本文對炁的猜想，由于地球質(zhì)量太大，在近地表面吸附了大量的炁，形成與地面相對靜止的炁場。而麥克爾遜干涉儀測試光速時相對地面靜止，也就是相對其周圍的炁場靜止。而相對炁場靜止的參考系中，光速各向均相同。因此干涉儀測得的光速各向相同。

若要測試光速相對干涉儀是否可變，干涉儀必須要相對炁場運動。這要求在近地表面上干涉儀相對地面作高速運動。

3.2 sagnac實驗

Sagnac實驗就是在干涉儀相對地面高速旋轉(zhuǎn)時測試光速[4]。由于炁場相對地面靜止，因此干涉儀相對炁場在做高速轉(zhuǎn)動。按照前述關(guān)于炁的猜想，利用經(jīng)典的速度矢量合成法則可以精確計算出圓盤轉(zhuǎn)速與兩束光脈沖程差的關(guān)系數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果吻合。

因為干涉儀放置在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上，其相對轉(zhuǎn)盤靜止。如果以干涉儀建立參照系，則圓盤沒有轉(zhuǎn)動。按照相對論，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動速度不會影響兩束光的光程差，但這不符合實驗事實。于是相對論主張此轉(zhuǎn)盤為非慣性系，不能按照狹義相對論那樣建立坐標系來計算，而必須使用廣義相對論來計算。根據(jù)廣義相對論計算的數(shù)據(jù)也能相當精確地吻合實驗數(shù)據(jù)。但這事實上是因為在廣義相對論的計算中，假定了地面參照系為S慣性系，將轉(zhuǎn)盤分解為無數(shù)的局部慣性系。根據(jù)本文前面結(jié)論：“當確定S慣性系的光速恒為c時，慣性系中的計算結(jié)果將極其接近經(jīng)典時空觀下矢量合成的結(jié)果”，從而導致了廣義相對論似乎也可以解釋sagnac實驗。事實上，當相對論如此解釋sagnac實驗之后，即使人們再設(shè)計干涉儀高速勻速直線運行（以使得運動的干涉儀可以構(gòu)成慣性系，來適用干涉儀參考系中光速不變條件）的實驗，已經(jīng)沒有意義。因為沒有誰能保證自己設(shè)計的高速勻速直線運動是沒有任何誤差的勻速直線運動，而只要有誤差（這個誤差一定會產(chǎn)生，先不說設(shè)計者的工程精度，單單說地球圍繞太陽轉(zhuǎn)動、太陽圍繞銀河系轉(zhuǎn)動），相對論支持者就會主張干涉儀參照系不是嚴格的慣性系，不能直接適用光速不變的假設(shè)，而必須適用廣義相對論，從而得到與經(jīng)典時空觀下速度矢量合成同樣的結(jié)論。

從另外一個角度，我們亦可推斷：即使按照相對論，在人類所能觀察或制造的所有慣性系中，光速并非不變，而是符合矢量合成法則的。因為人類觀察或制造的慣性系不能確保是絕對的慣性系，因而應該適用廣義相對論的結(jié)論。換言之，人類無法觀測到光速不變的現(xiàn)象。

3.3 雙星觀察效應

在遙遠的星際，有A、B雙星相互圍繞旋轉(zhuǎn)。人們發(fā)現(xiàn)兩顆星的光線幾乎同時到達地球。然而，當一顆星A逼近地球時，另一顆星B會遠離地球。假如光速遵從經(jīng)典的矢量合成法則，那么星A向地球發(fā)出的光相對地球的光速大，星B向地球發(fā)出的光相對地球的光速小。經(jīng)歷若干億光年到達地球后，兩束光應該會有很大的光程差。這與觀察數(shù)據(jù)不吻合。所以人們認為這驗證了光速不變假設(shè)。

首先，按照本文炁的猜想，A、B雙星各自吸附了近地炁場，因此在雙星的近地炁場中，的確星A向地球發(fā)出的光速大，星B向地球發(fā)出的光速小。但當兩束光射出雙星的近地炁場后，將經(jīng)過相同的宇宙炁場，此時兩束光的速度將相同，這保證了兩束光基本同時到達地球。

其次，即使按照廣義相對論，由于觀察者所在的地球不是慣性系，所以不能適用光速不變的條件，因此應該是觀測不到雙星光線的速度相同的。所以雙星光線幾乎同時到達地球的現(xiàn)象亦不能證明光速不變。

參考文獻

[1]愛因斯坦著，楊潤殷譯.狹義與廣義相對論淺說[M].上海科學技術(shù)出版社，1964.

[2]錢鋒，潘人培.大學物理實驗（修訂版）[M].高等教育出版社，2005：230-231.

[3]Sagnac，G.，Léther lumineux démontré par leffet du vent relatif déther dans un nterféromètre en rotation uniforme，in C.R[J].Acad.Sci.（Paris）1913，（157）：708-710.

（作者單位：中國民航管理干部學院）