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摘要 现代物理学认为:经典物理学对于麦克尔逊—莫雷实验结果是无法在理论上进行分析说明的。然而事实上并非如此。在经典物理学框架内,根据麦克尔逊—莫雷实验光程图和实验结果,通过慎密的物理分析和数学逻辑推理后,我们就会发现:一百多年来,物理学家们在理论上始终没有搞清楚,麦克尔逊—莫雷实验结果中所隐藏的客观事物运动规律。麦克尔逊—莫雷实验结果事实上向人们揭示了一个非常重要的客观事实即:宇宙真空系就是牛顿力学中的绝对惯性系。 关键词 惯性系,相对论,坐标,绝对静止系,变换式,光速不变原理 1、坐标变换在迈克尔逊—莫雷实验中的内涵。
1.1、在宇宙真空系中,两个光子在相等时间内的运动距离相等。
当我们自宇宙真空系中观测时,假设A、B两个光子在宇宙真空系时间 时,都是从宇宙真空系原点O开始运动的。当A、B两个光子在T时刻同时到达同一终点时,那么A、B两个光子的运动距离都是相等的,即 。
举例来说,假设光子A在宇宙真空系中的运动轨道是一V型轨道,而光子B在宇宙真空系中的运动轨道是一M型轨道,当A、B两个光子运动的起点是运动的干涉仪分光镜N、而终点也是干涉仪分光镜N时,那么A、B两个光子在宇宙真空系中的运动时间TA和TB都等于干涉仪分光镜N 的运动时间T0 ,即 。于是A、B两个光子在宇宙真空系中的运动距离是相等的,即运动距离 。
1.2、自宇宙真空系观测,上下运动光子与水平运动光子的起点和终点是同一个点。
在迈克尔逊—莫雷实验中,物理学家自宇宙真空系中所观测的事件,是光子沿Y轴上下运动的光子 。而在地球系中所观测的事件,是沿X′轴水平往返运动的光子。由此可见,在迈克尔逊—莫雷实验中,被观测的光子运动有两个。迈—莫雷实验的光路图如下。

根据实验的光路示意图可知,上下运动光子与水平运动光子都是从干涉仪分光镜N开始的,经过上下和往返运动之后又同时到达了干涉仪分光镜N上,这就是说,两个光子的的起点相同、终点相同。两个光子的运动时间都等于干涉仪分光镜N透在宇宙真空中的运动时间。
进一步讲,当我们仅仅自宇宙真空系(S系)中观测时,那么上下运动光子的运动轨迹为∧型。而沿X轴线,水平往返运动光子的运动轨迹是水平往返折线(即两条相重合的直线)。由于上下运动光子与水平往返运动光子,在同一时间段T内的起点和终点分别相同,因此上下运动光子与水平往返运动光子,在宇宙真空系(S系)中的运动时间都等于干涉仪分光镜N 的运动时间T0即:
而光子的运动距离为CT0即:

由于光子在宇宙真空中的运动速度是相等的,因此无论干涉仪怎样转动,其上下运动光子与水平运动光子在宇宙真空中的光程都是相等的。由此可以确定:迈克尔逊—莫雷实验结果等于零是正确的。
1.3、在迈克尔逊—莫雷实验中,光子在宇宙系的运动距离。
假设地球系在宇宙真空系中的运动速度为U,而光子在地球系中垂直上下和水平往返的运动距离为d 。
对于上下运动的光子来讲,如果我们自地球系观测,那么上下运动光子的运动轨迹为垂直上下的两条直线段。如果我们自宇宙真空系中观测,那么上下运动光子的运动轨迹为∧型。
于是自宇宙真空系观测,光子沿∧型运动轨道上下运动的距离之和为 (为光子在宇宙系中的运动距离或观测值),而自地球系观测,光子沿上下两条直线运动的距离之和为2d(为光子在地球系中上下的运动距离或观测值)。
同理,对于水平往返运动的光子来讲,由于上下运动光子与水平往返运动光子,在宇宙真空系中的运动时间和运动距离都是相等的,因此自宇宙真空系观测,光子沿水平往返直线段运动的距离之和为 (为光子在宇宙系中水平往返运动的距离或观测值),而自地球系观测,光子沿水平往返直线段运动的距离之和为2d(为光子在地球系中水平往返运动的距离或观测值)。
2、S系与S′系之间水平运动的时间变换系数βT′。
2.1、自S′系(地面系)观测,光子在S′系中水平往返所需要的时间T′ 。
2.1.1、自S′系(地面系)观测,光子在S′系中水平往和返的运动距离都等于d。
根据干涉仪光路示意图,如果我们仅仅自S′系(地面系)观测,那么光子在S′系中垂直上和下,以及水平往和返的运动距离都等于d 。如下图所示。

由上图可知,光子在S′系(地面系)中水平往返运动的距离 。
2.1.2、自S′系(地面系)观测,光子在S′系中水平往前运动的时间 。
假设光子从原点O发射的一瞬间即 时刻,S系(宇宙真空系)和S′系(地面系)两者坐标轴重合。当光子运动了T时间后,到达了O1反射点。如下图所示。

自S′系观测,光子在S′系中沿着正X′轴往前运动的距离 等于线段O′O1即:

所需时间T+′为:
。
2.1.3、自S′系(地面系)观测,光子在S′系中水平返回运动的时间T―′。
假设水平往前运动的光子是在宇宙系X轴O1反射点处被反射的。在光子被反射镜返射一瞬间,即 时刻,S系(宇宙真空系)和S′系(地面系)两者坐标轴重合。此时O1反射点在S系和S′系中的坐标 。如下图所示。

自S′系观测,光子在S′系中沿着X′轴,从O1反射点返回的运动距离 等于线段 即:

所需时间T―′为:

综合以上的分析可以确定:自S′系观测,光子在S′系中水平往返所需要的运动时间T′为:
(2―1)
2.2、自S′系观测,光子在S系中水平往返所需要的时间TS′
2.2.1、自S′系观测,光子在S系中沿着X轴往前运动所需时间TS+′
由于 S′系在S系中的运动速度为U,因此自S′系观测,S系原点O在S′系的运动距离为:―U T+′。
根据光子往前运动的示意图(2—3)可以确定:自S′系观测,光子从S系原点O往前运动的距离XS+′等于线段O O1即:

此外,当我们自S′系观测时,光子在S系中往前运动的速率C+′=(C―U)+ U =C,因此自S′系观测,光子在S系中沿着X轴往前运动所需时间TS+′为:
TS+′= = 。
2.2.2、自S′系观测,光子在S系中沿着X轴返回运动所需时间TS―′
根据光子返回运动示意图(2—4)可以确定:自S′系观测,光子从反射点O1返回的距离X S―′等于距离O′O1即:。
XS―′=d ―U T―′=d ― =
由于自S′系观测,光子在S系中水平返回的速率C―′=(C+U)―U =C,因此自S′系观测,光子在S系中沿着X轴返回运动所需时间TS―′为:

综合以上的分析可以确定:自S′系观测,光子在S系中水平往返运动所需要的时间之和TS′为:

上式的物理含义是:自地面系观测,光子在宇宙真空系中从干涉仪分光镜N开始,沿X轴往返运动之后又回到了干涉仪分光镜N上时,光子沿X轴往返运动的时间之和
把上式与(2―1)相比较可知,自S′系观测,光子在S系中水平往返运动所需要的时间TS′,与自S′系观测,光子在S′系中水平往返运动所需要的时间T′相等即:
。
2.2.3、自S系观测,光子在S系中上、下运动的时间之和TS
对于上下运动的光子来讲,如果我们自S系(宇宙真空系)中观测,那么上下运动光子的运动轨迹为∧型。如下图所示。

由上图可知,自S系观测,光子在S系中沿着Y轴上、下运动的距离都等于d 。于是自S系观测,光子在S系中上下运动所需要的时间之和TS为:
(2―2)
上式的物理含义是:自宇宙真空系观测,光子从干涉仪分光镜N开始,通过上下运动之后又回到了干涉仪分光镜N上时,光子沿∧型运动轨道上下运动的时间之和
2.3、S′系观测值TS′与S系观测值TS之间存在着变换系数βT′或βT 。
2.3.1、 S′系观测值TS′与S系观测值TS之间存在着变换系数。
在迈克尔逊—莫雷实验中,由于上下运动光子和水平运动光子,两者在宇宙系中运动的起点都是干涉仪分光镜N,而两者运动的终点也都是干涉仪分光镜N,因此自S系观测,光子上下往返的运动时间与光子水平往返的运动时间是相等的,即都等于干涉仪分光镜N在宇宙系中的运动时间 。
由于迈克尔逊—莫雷实验观察到的干涉条纹,是宇宙系中上下运动光波与水平运动光波两者互相作用的结果,而两者在宇宙系中的运动时间相等,即都等于时间 ,因此上下运动光波与水平运动光波的光程是相等的。由此可以确定:在迈克尔逊—莫雷实验中是观测不到干涉条纹移动的,即实验结果等于零。事实上也正是如此。
根据经典物理学,自S′系观测,光子在S系中运动的时间 ,与自S系观测,光子在S系中运动的时间 两者之差ΔT为:
(2―3)
然而根据前面的理论分析结果和迈克尔逊—莫雷实验结果都证明:运动时间之差ΔT=0。由此可以确定:S′系观测结果与S系观测结果之间,即时间TS′与TS之间,存在着一个使ΔT=0的变换系数。也只有利用时间TS′与TS之间的变换系数,才能正确地分析说明迈克尔逊—莫雷实验结果为什么等于零。
2.3.2.、光子在S系和S′系两者中运动时间的变换系数βT′或βT 。
假设运动时间TS′转化为运动时间TS的变换系数为βT(相当于变换系数A) ,或运动时间TS转化为运动时间TS′的变换系数为βT′(相当于变换系数A′) 。那么根据理论分析结果或迈克尔逊—莫雷实验结果,可以得到下面两式。

或 
由上式可得到下面两式。

由上式可知,时间变换系数βT与时间还原系数βT′互为倒数关系,即 。而不是相等关系即 。
2.4、把S′系观测的时间T S′,变换成S系观测的时间T S时,就会出现“时慢效应”。
根据(2―4)式可以得到下面重要的结论:
自S′系观测,由于光子在S系运动时间TS′的改正系数 ,因此S′系观测到的光子运动时间 ,大于S系观测到的光子运动时间TS,即 。
对于 关系式来讲,如果把运动时间TS′,改正变换为运动时间TS,那么由于把TS′变换成TS时,会出现收缩现象,即 ,因此这一现象自S系角度来看,即观测者在S系中观察时可以称为:S′系运动时间的“时慢效应”。此“时慢效应”在迈克尔逊—莫雷实验中得到了验证。
反之,如果把运动时间TS ,改正变换为运动时间TS′,那么由于TS变换成TS′时,会出现膨胀现象即 ,因此这一现象自S′系中看,可以称为:S系运动时间的“时快效应”。
3、S系与S′系之间的运动距离变换系数βL′或βL 。
3.1、自S系观测(宇宙真空系),光子在S系的上下运动距离之和XS。
对于上下运动的光子来讲,根据(2—2)示意图。自S′系观测,光子在S′系中上下运动的距离之和为2d。然而,根据(2—5)示意图,自S系(宇宙真空系)中观测,那么上下运动光子的运动轨迹为∧型。
于是自宇宙真空系观测,光子沿∧型运动轨道上下运动的距离之和XS为

上式的物理含义是:自宇宙真空系观测,光子从干涉仪分光镜N开始,通过上下运动之后又回到了干涉仪分光镜N上时,光子沿∧型运动轨道上下运动的距离之和
在迈克尔逊—莫雷实验中,由于光子在宇宙系运动的起点是干涉仪分光镜N,而运动的终点也是干涉仪分光镜N,因此自S系观测,光子上下往返的运动时间与光子在任何方向上往返的运动时间都是相等的,即都等于干涉仪分光镜N在S系中的运动时间TO 。由此可以确定:光子在任何方向上,上下运动与水平往返的运动距离都是相等的。
3.2、自S′系观测,光子在S系水平往返运动距离之和X S′。
自S′系观测,光子在S′系中水平往前运动的距离X+′=d 。而根据光子往前运动的(2—3)示意图,自S′系观测,光子在S系中水平往前运动的距离XS+′=O O1为:

自S′系观测,光子在S′系中水平返回运动的距离 。而根据光子返回运动的(2—4)示意图,自S′系观测,光子在S系中水平返回运动的距离 为:

自S′系观测,光子在S′系中水平往返运动的距离之和 。然而,自S′系观测,光子在S系中从干涉仪分光镜N水平往返运动的距离之和X S′为:

上式的物理含义是:自地面系观测,光子在宇宙真空系中从干涉仪分光镜N开始,沿X轴往返运动之后又回到了干涉仪分光镜N上时,光子沿X轴水平往返运动的距离之和
3.3、S′系观测值XS′与S系观测值XS之间存在着变换系数βL′或βL 。
在迈克尔逊—莫雷实验中,由于上下运动光子和水平运动光子,两者在宇宙系中运动的起点都是干涉仪分光镜N,而两者运动的终点也都是干涉仪分光镜N,因此自S系观测,光子上下往返的运动距离与光子水平往返的运动距离是相等的,即都等于干涉仪分光镜N在宇宙系中的运动距离 。
由于迈克尔逊—莫雷实验观察到的干涉条纹,是宇宙系中上下运动光波与水平运动光波两者互相作用的结果,而两者在宇宙系中的运动距离相等,即都等于距离 ,因此上下运动光波与水平运动光波的光程长度是相等的。由此可以确定:在迈克尔逊—莫雷实验中是观测不到干涉条纹移动的,即实验结果等于零。事实上也正是如此。
根据经典物理学,自S′系观测,光子在S系中运动的距离 ,与自S系观测,光子在S系中运动的距离 两者之差ΔX为:
(2―5)
然而根据前面的理论分析结果和迈克尔逊—莫雷实验结果都证明:运动距离之差ΔX=0。由此可以确定:S′系观测结果与S系观测结果之间,即距离XS′与XS之间,存在着一个使ΔX=0的变换系数。也只有利用距离XS′与XS之间的变换系数,才能正确地分析说明迈克尔逊—莫雷实验结果为什么等于零。
经典物理学的错误就是没有意识到,X S′是自S′系观测到的,光子在S系中运动的距离之和。此外也没有意识到,X S′与X S之间存在着变换关系。否则,物理学家们为什么不根据迈克尔逊—莫雷实验结果,来分析推导坐标变换系数。
3.4、光子在S系与S′系两者中运动距离的变换系数。
假设运动距离XS′转化为运动距离XS的变换系数为βL(相当于变换系数A) ,或运动距离XS转化为运动距离XS′的变换系数为βL′ (相当于变换系数A′)。那么根据理论分析结果或迈克尔逊—莫雷实验结果,可以得到下面两式。

由上式可以得到下面两式。

应该指出的是:(2―6)式与(2―4)式实质上是同一个关系式即

由于βL是运动距离的变换系数,而βT是运动时间的变换系数,因此距离变换系数与时间变换系数是同一个变换系数[1]。
4、S系与S′系之间的“尺缩效应”。
4.1、把S′系观测值 (X′+ UT′)变换成S系观测值X时,会出现“尺缩效应”。
自S′系观测,光子在S系中的运动距离XS′=X′+ UT′。根据(2―6)式可以确定:由于变换系数βL<1,因此运动距离XS′大于运动距离XS ,即XS′>XS 。
对于XS′>XS关系式来讲,如果把运动距离XS′,变换为运动距离XS,那么由于XS′变换成XS时,会出现收缩现象即βL XS′=XS,因此这一现象从S系角度看,可以称为:S′系运动距离的“尺缩效应”。而这一“尺缩效应”在迈克尔逊—莫雷实验中得到了验证。
反之,如果把运动距离XS ,还原(变换)为运动距离XS′,那么由于XS还原(变换)成XS′时,会出现膨胀现象即 =XS′,因此这一现象自S′系中看,可以称为:S系运动距离的“尺胀效应”。
4.2、物理学家对“尺缩效应”的解释是错误的。
为了解释麦克尔逊-莫雷实验结果,斐兹杰诺和洛仑兹先后提出过 “尺缩时慢”的假说。他们认为:一切物体都要在它的运动方向上收缩,即相对于以太运动的钟走慢了、尺长缩短了。
在麦克尔逊-莫雷实验中,地球是运动的,而以太(宇宙真空系)是静止的,由此洛仑兹-斐兹杰诺才提出了“尺缩时慢”这一假说。该假说显然是站在宇宙真空系的角度,来解释麦克尔逊-莫雷实验结果的。
按照斐兹杰诺给出的“尺缩时慢”定量关系,当火箭速率达到光速的一半时,火箭长度在运动方向收缩百分之十五。当火箭速率达到每秒26万公里时,收缩百分之五十,也就是说原来1米长的尺,现在只有五十厘米了。
由于洛仑兹-斐兹杰诺不知道麦克尔逊-莫雷实验中 “尺缩时慢”的效应,在本质上是所观测到的物体运动距离和运动时间的收缩,不是物体原长的收缩,因此他们的“尺缩时慢”假说应修改为:当S′系运动距离变换成S系运动距离时,那么S′系运动距离和运动时间就会在运动方向上出现收缩。
4.3、“尺缩效应”不具有相对性。
由于两个物体之间的运动是相对运动,即自S′系观测,S系在S′系中的速率为-U,因此物理学家们相当然地认为:“尺缩时慢”效应具有相对性,即自S系看,S′系的时空坐标“尺缩时慢了”。反之,自S′系看,S系的时空坐标也同样地“尺缩时慢了”。
然而,在麦克尔逊-莫雷实验中,自S′系(地面系)观测时,光子在S系(宇宙真空系)中的运动距离X S′(或者运动时间TS′),比自S系观测时,光子在S系中的运动距离X S(或者运动时间TS)大,即: 。

上式关系式显示,自S′系看,S系的时空坐标是“尺胀时快了”。而不是“尺缩时慢了”。由此可以确定:“尺缩时慢”效应不具有相对性。
5、高速粒子的近似坐标变换式 [2]。
通过坐标变换线性方程组分析推导出的(4―3)式为:

式中的系数A是把S′系坐标变换成S系坐标的变换系数。把(2―6)式代入上式后,可得到高速粒子(非光子)的S′系运动距离(X′+UT′)与S系运动距离X两者之间的近似变换式。

或

应该指出的是:上面两式中的变换系数,是在双系事件为光子这一条件下推证出来的。从这一点讲,上面两式对于光子来讲是正确的变换式,而对于高速运动物体来讲仅仅是一个简单近似的坐标变换,对于低速运动物体来讲则是一个错误的坐标变换。
当质点P是低速运动的物体时,S′系与S系两者坐标变换所使用的变换式是另外的新变换式。而上面的(2―7)式和(2―8)变换式,是新变换式在一定条件下的简化式。(有关新变换式的详尽推证请看第九章)。
利用(2―7)式可以把光子S′系的时空坐标(X′、0、0、T′),变换成S系的时空坐标(X、0、0、T)。
同理,利用(2―8)式可以把光子S系的时空坐标(X、0、0、T),还原(变换)成S′系的时空坐标(X′、0、0、T′)。
(2―7)式和(2―8)式在数学转换关系上,是完全符合数学运算法则要求的。
6、迈克尔逊—莫雷实验证明了宇宙真空系就是绝对静止系。
6.1、人们否认绝对静止系存在的理由。
为了解释麦克尔逊-莫雷实验结果,爱因斯坦提出了“光速不变原理”假说,即光速在惯性系内是常量和光速与源速无关。这两条假设如果同时成立,那么必然导致牛顿绝对时空观的崩溃。由于麦克尔逊-莫雷实验是在地面上进行的,而实验结果始终接近于零,因此人们根据实验结果很容易地误认为:光速在惯性系内是一个常量。又根据电磁理论“光速与光源的运动无关”,因此物理学家们认为,牛顿力学中的绝对静止系是不存在的。
人们之所以认为:麦克尔逊-莫雷实验结果证明了“光速在惯性系内是常量”这一假说,是因为人们对实验结果本质不了解,是人们对事物运动规律的一种误解。这就如同历史上人们曾经误认为,地球是宇宙的中心一样。本文下面分析讨论一下这个问题。
6.2、地面上的光速C′不等于宇宙真空中光速C的理论证明。
自S系观测,光子在S系中的运动距离为X,运动时间为T。根据速度公式,自S系中观测,光子在S系中的速率C为:

同理,自S′系观测,光子在S′系中的运动距离为X′ ,运动时间为T′。根据速度公式,自S′系中观测,光子在S′系中的速率C′为:

根据(2―7)变换式可知,自S′系观测,光子运动距离的变换式为:

把上面两式对时间T微分后得关系式

由上面两式得下面的关系式:

上式表明:光子在S系中的速率C等于光子在S′系中的速率C′,与S′系在S系中的速率U之和。由上式得光子在S′系中的速率C′即:
C′=C―U
上式表明:当S′系(地球系)在S系(宇宙真空系)中的速率U≠0时,那么光子在S′系中的速率C′(与速度U方向一致的地面光速)就不等于光子在S系中的速率C(宇宙真空中的光速C),即C′≠C。并且光子在S′系各方向上的速率是不相等的。
由于地球在宇宙中的速率U≠0,因此光子在地球上的速率C′≠光速C。并且根据C′=C―U关系式,光子在地面上各方向上的速率是不相等的。由此可以确定:地球系不是绝对静止系。
6.3、宇宙真空系就是绝对静止系的理论证明。
当我们说,在温度为00C的条件下,声音在干燥空气的传播速率为331.7米∕秒,此时我们暗示着一个参照系,这个参照系相对于空气而言是固定不动的。然而,当我们说,光在真空中的速率为30万公里∕秒的时候,那么我们此时所暗示的参照系又是什么呢?
根据麦克斯韦电磁理论,以及大量的物理实验结果可知,光在宇宙真空系中各个方向上的速率都是相等的。从这一点来讲,麦克斯韦电磁理论此时所暗示的参照系应该是宇宙真空系。
当我们在匀速运动的火车上用相等的力,向各方向上投掷同一个物体时。自火车上观测,物体被投掷出的距离是相等的。由此可以确定:匀速运动的火车系就是惯性系。然而,如果我们自地面上观测物体被投掷出的距离时,那么物体被投掷出的距离在各方向上是不相等的。从这一点讲,火车系不是绝对静止系。
由于光子运动的速率与发光源的运动状态无关,因此从理论上讲,当光子在某一个惯性系各方向上的速率都等于光速C时,那么这个惯性系即为绝对静止系。
假设X′轴为S′系(地面系)在宇宙系中的运动方向,并且光子在S′系中沿着Y轴上或下的运动距离都是d 。于是自S系(宇宙系)观测,光子在S′系中上下运动所需要的时间T为:

上式时间T是光子在宇宙系中的运动时间,不是光子在地球系中的运动时间。
由于光子在S′系(地球系)中往前运动的距离X+′=d ,因此自S′系观测,光子在S系中往前运动的距离XS+′为:

由于光子在S′系中返回运动的距离X―′=―d,因此自S′系观测,光子在S系中返回运动的距离XS―′为:

应该指出的是:光子在S′系中水平往返的运动距离之和X′=2d。而自S′系观测,光子在S系中水平往返的运动距离之和XS′为:

根据(2―7)坐标变换式得光子在S系中水平往返的运动距离之和ΔXS

应该指出的是:等号左边的运动距离XS是观测者,自S系观测时所得到的光子运动距离,而等号右边的运动距离XS′则是观测者,自S′系观测时所得到的光子运动距离。
根据速度公式可知,光子在宇宙系中的运动距离XS与运动时间TS之比即 ,就是光子的宇宙速度,把上面的数据代入得:

历史上许多人在不同季节、不同时刻、不同方向上反复地做过麦克尔逊-莫雷实验。特别是近些年来,利用激光使这个实验的精度大为提高,但是所得到结论却没有任何变化。这一事实表明:光子在宇宙真空中的每一方向上的速率都等于光速C。由此可以确定:宇宙真空系就是绝对静止系。
参考文献:
[1]、用经典物理学对加速度变换式所做的分析与探讨。王建华著。
[2]、用经典物理学对坐标变换式所做的分析与探讨。 王建华著。
——完——
作者:王建华
邮箱:wangjianhua850@yahoo.com.cn
地址:济南市花园路5号
2003年6月
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