信息傳遞最大速度與‘光速不變’(1)
本文是一篇科普性質(zhì)的博文，目的是打算通俗地但比較深入地介紹‘光速不變’的結(jié)論是如何得出的。本文只局限于科普性的介紹，不打算討論有關(guān)相對(duì)論是否正確的問題。這是由于作者水平有限，還由于我年老力衰，命運(yùn)安排給我的時(shí)間已不多了，我只能吝惜時(shí)間，而且我覺得，目前在科學(xué)網(wǎng)中爭(zhēng)論相對(duì)論是否正確，似乎還缺少條件，難以得出大多數(shù)人都能接受的正確結(jié)論。故建議那些喜歡對(duì)相對(duì)論是否正確進(jìn)行討論并且自己有著看法和見解的網(wǎng)友，可通過發(fā)表各自的博文以開辟討論，也歡迎對(duì)本文進(jìn)行評(píng)論，但本文將不參與有關(guān)相對(duì)論是否正確的討論，敬請(qǐng)諒解。
本文作者認(rèn)為‘信息傳遞最大速度’是比‘光速不變’更為基本的物理概念，后者蘊(yùn)含在前者之中。著名理論物理學(xué)家?？耍ㄒ姼？恕犊臻g、時(shí)間和引力的理論》中譯本）和蘭道（Landau and Lifshitz 《The Classical Theory of Fields》）都持有這種看法(他們稱為信號(hào)）。本文將根據(jù)這種看法出發(fā)，來介紹‘光速不變’的結(jié)論是如何得出的。
（一）信息傳遞最大速度
讓我們先來介紹什么是信息傳遞最大速度，并進(jìn)行一些討論。
處在兩地的人們常常需要互通信息，現(xiàn)在互通信息最方便的方法是打電話或通E-mail,其信息傳遞速度是電磁波的速度。在應(yīng)用電磁波傳遞信息之前，人們要互通信息，只能寫信，用馬、信鴿、步行、火車、汽車、飛機(jī)等等來傳遞，馬、信鴿、步行、火車、汽車、飛機(jī)等等的速度以及電磁波的速度就是相應(yīng)的信息傳遞速度。物理學(xué)的發(fā)展使人們認(rèn)識(shí)到物質(zhì)間存在相互作用（包括引力、電磁、強(qiáng)、弱作用），這些相互作用也往往要由一地傳至另一地（如處于甲地的物質(zhì)對(duì)處于乙地的物質(zhì)施加引力，引力作用由甲地傳至乙地）。于是，在物理學(xué)中也就把相互作用的傳遞看成是一種信息的傳遞。
牛頓力學(xué)認(rèn)為信息的傳遞速度沒有限制，從很小到無限大都容許。例如牛頓萬有引力定律認(rèn)為萬有引力的傳遞速度是無限大，這也就是說，萬有引力的改變（例如兩個(gè)物體之間距離的突然改變所引起的引力的改變）可以在瞬刻間由一地傳遞到另一地。物理學(xué)對(duì)電磁現(xiàn)象和光現(xiàn)象深入研究后，發(fā)現(xiàn)光現(xiàn)象也是一種電磁現(xiàn)象，光波也是一種電磁波，兩者的速度完全相同。本文把光波的速度和電磁波的速度統(tǒng)稱為光速。物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)光速不可能是無限大，亦即光速是有限的，這也就是說，光不可能在瞬刻間由一地傳遞到另一地，而是須要經(jīng)歷一段時(shí)間。
在上面我們已經(jīng)談到過一些信息傳遞速度，在所有已知的各種信息傳遞速度之中，必定存在一個(gè)最大的速度（這正如在一個(gè)班級(jí)中必有一人的身長(zhǎng)是最高者），在物理學(xué)中把這個(gè)最大的速度稱為信息傳遞最大速度。目前物理學(xué)的主流學(xué)者認(rèn)為，信息傳遞最大速度是真空中的光速。這是因?yàn)椋?、目前物理學(xué)假定引力、強(qiáng)、弱作用也是以光速傳遞的，但這一假定，尚缺乏實(shí)驗(yàn)事實(shí)的驗(yàn)證；2、在一切已可確定的信息傳遞速度中，以真空中的光速為最大，介質(zhì)中的光速恒小于真空中的光速。
可是，認(rèn)為‘引力、強(qiáng)、弱等作用也是以光速傳遞’的看法，目前還只是假定，尚待進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)來加以判斷。因之只能說，這個(gè)看法有可能正確，也有可能不正確。如果實(shí)驗(yàn)證實(shí)這個(gè)看法不正確，例如若在在引力、強(qiáng)、弱等作用之中，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有的作用的傳遞速度大于真空中的光速，則認(rèn)為‘引力、強(qiáng)、弱等作用也是以光速傳遞’的看法就得修改。狹義相對(duì)論采用了這個(gè)看法，當(dāng)然狹義相對(duì)論也必須修改或被否定。然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果尚不足以肯定有的作用的傳遞速度大于真空中的光速，或者上述修改后的看法尚未獲得多數(shù)物理學(xué)者的承認(rèn)，按照物理學(xué)的傳統(tǒng)做法，舊看法和舊理論仍可不輕易地急于修改或否定而應(yīng)暫時(shí)保留。光速不變?cè)砭蛯儆谶@種情況。
若假定光速是信息傳遞最大速度，加上相對(duì)性原理就可推出光速不變?cè)?，這留在下次博文說明。信號(hào)傳遞最大速度與‘光速不變’(2)
在上次所引用的?？撕吞m道的著作中只討論了引力、電磁、強(qiáng)、弱四大基本作用，他們把這些作用稱為信號(hào)，把這些基本作用傳遞的最大速度稱為信號(hào)傳遞最大速度。由于這些基本作用傳遞的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在日常生活所見的其它信息的傳遞速度，這樣做是可以的。為了與文獻(xiàn)一致，今后我們也只討論基本作用，也稱它們?yōu)樾盘?hào)。福克和蘭道認(rèn)為或默認(rèn)四大基本作用傳遞的最大速度均為真空中的光速，除電磁作用外這個(gè)看法尚無實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在經(jīng)由實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和理論分析作出結(jié)論之前，對(duì)‘光速最大’和‘超光速存在’都不能否定。目前的狹義相對(duì)論不允許超光速存在，但作者認(rèn)為，適當(dāng)修改狹義相對(duì)論，是有可能允許超光速存在的。本博以前曾討論過這個(gè)問題，以后也可能再討論這個(gè)問題。而由于本文主要介紹‘光速不變’的結(jié)論是如何得出的，故不打算在本文中討論如何允許超光速存在。
（二）光速不變
如果發(fā)現(xiàn)超光速，若超光速信號(hào)的速度仍是有限數(shù)值，也必有一個(gè)信號(hào)傳遞速度為最大，若我們稱這個(gè)信號(hào)為H信號(hào)，則現(xiàn)在認(rèn)為傳遞速度最大的光速信號(hào)將由H信號(hào)來代替，光速不變將由H信號(hào)速度不變來代替?？墒?，由于還缺乏實(shí)驗(yàn)事實(shí)的驗(yàn)證，尚不能肯定超光速的確存在。（且一般來說，物理理論的確立和承認(rèn)總是落后于實(shí)驗(yàn)事實(shí)的。）因之，只能暫且認(rèn)為，真空中的光速C是信號(hào)傳遞最大速度。
現(xiàn)在我們根據(jù)真空中的光速C是信號(hào)傳遞最大速度這一基本事實(shí)以及相對(duì)性原理來說明光速不變。首先指出，相對(duì)性原理肯定，在全部慣性參照系中，物理規(guī)律都是相同的?，F(xiàn)在所指的物理規(guī)律就是：存在信號(hào)傳遞最大速度，而這個(gè)速度乃是真空中的光速。這是在某個(gè)慣性參照系中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。再應(yīng)用相對(duì)性原理，便得出：在其它任意慣性參照系中，也存在信號(hào)傳遞最大速度，而這個(gè)速度也是真空中的光速。這就推出了光速不變?cè)?。這個(gè)推論是建立在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)之上的，應(yīng)當(dāng)是可信的。
這里還需要解釋一下。大家知道，兩個(gè)慣性參照系之間，彼此作勻速直線運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)引力存在時(shí)，由于時(shí)空彎曲，不存在勻速直線運(yùn)動(dòng)，也就是不存在彼此作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參照系。那么如何應(yīng)用相對(duì)性原理呢？對(duì)此我們要指出，這里我們應(yīng)用相對(duì)性原理主要是在研究信號(hào)的傳遞。當(dāng)研究引力作用的信號(hào)傳遞時(shí)，若我們只研究這個(gè)信號(hào)的傳遞，不去涉及引力作用的其它現(xiàn)象和性質(zhì)時(shí)，我們可讓一束引力波在遠(yuǎn)離其它引力作用的空間傳播，來進(jìn)行研究。在這個(gè)空間可視為不存在其它引力作用，若這束引力波自身產(chǎn)生的引力場(chǎng)可忽略不計(jì)，則這束引力波就可近似地看為在慣性參照系中傳播。
如果肯定了光速不變?cè)?，再結(jié)合相對(duì)性原理就可推出洛倫茲變換。推導(dǎo)的過程在一些書刊和科學(xué)網(wǎng)的博客中已有不少的敘述和討論，對(duì)這個(gè)問題我們不多講了。只是指出一點(diǎn)：有人認(rèn)為，僅由光速不變?cè)砗拖鄬?duì)性原理是推不出洛倫茲變換的，必須增加條件，這可能意味著洛倫茲變換不存在。本文作者認(rèn)為，對(duì)必須增加條件的物理實(shí)質(zhì)還可進(jìn)一步深入研究，但洛倫茲變換是存在的；洛倫茲變換不僅是事件坐標(biāo)要滿足的變換，也是許多動(dòng)力學(xué)量，如4-維動(dòng)量（即能量+動(dòng)量）、能動(dòng)張量要滿足的變換。如果洛倫茲變換不存在，這就很難理解了。
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