三　伽利略变换与光速不变实验事实的矛盾

1.伽利略变换下的光速问题

设坐标系S、S’在起始时刻坐标原点重合，两坐标系各坐标轴平行，坐标系S’相对于坐标系S以速度u向x轴的正向运动。如果在S系中沿x轴的正向发射一光波。则按伽利略变换，有：

在S系中测得的光速为：c

在S’系中测得的光速为：c-u

结论：在伽利略变换下，光速在不同惯性系下的速度不同。

讨论：伽利略变换下的光速问题

(1).不同惯性系下光速不同必然导致麦克斯维理论与伽利略变换之间的不可调和的矛盾。

光速(真空中)是直接由麦克斯维方程组解出来的。或者说，只要麦克斯维理论正确，就必然有光速为C的结论[1]。且真空中光速按麦克斯维理论有：

而伽利略变换表明，在不同惯性系下光速不同，意味着麦克斯维方程组在不同惯性系下变换时具有不同的物理结构(因为相同结构的麦克斯维方程组会解出相同的常数――光速C)。因此，伽利略变换下的光速问题与麦克斯维理论之间的矛盾可以表述为：

表述一：麦克斯维理论在伽利略变换下不满足力学的相对性原理。

表述二：满足力学相对性原理的麦克斯维方程组不满足伽利略变换。

(2). 不同惯性系下光速不同必然导致“绝对参考系”的存在。

由于不同参考系下的光速不同，而麦克斯维理论表明：总存在一个惯性参考系，在该参考系下，光速为C。因而，我们可以定义这个参考系为“绝对参考系”，别的惯性系相对于“绝对参考系”的运动情况可以由在该参考系下测得的光速来确定。于是，我们可以得到结论：不同惯性系下光速不同必然导致“绝对参考系”的存在。显然，这与力学的相对性原理相矛盾。

(3).在任意惯性参考系下，对电磁波的传播而言，空间不是均匀的。

由于有特定的绝对参考系存在，便存在了特定的方向。光波只有沿这个特定方向运动，其速率才为C，而沿别的方向运动，其速率必须进行伽利略变换，因此，其速率便不为C了。或者说，对电磁波的传播而言，空间不是均匀的（各向同性的）。

2.光速不变的实验事实――迈克尔逊―莫雷实验

　　如图6-1-4，电光源S发出的光线在半反射镜M处分为两列，一列透过M经镜M1反射回到M再到目镜T，另一列由M到M2，反射后回到M再到目镜T。MM1=MM2。

假设宇宙间的确存在“绝对参考系”，则地球相对与它一定有一相对速度，假设地球相对于“绝对参考系”的速度沿MM1方向（实验时，总可以改变实验装置的方位以达到这一要求），那么，光线MM1和MM2的光程就不相等。在目镜处一定会出现干涉现象。根据干涉条纹移动的情况可以计算出地球相对于“绝对参考系”的速度。

精确的实验表明：光线沿各个方向的传播速度均为C，并不存在“绝对参考系”。继迈克尔逊―莫雷实验以后，物理学家又在许多物理领域做了大量实验，结果表明：光速在各种不同惯性参考系中的传播速度均为C。光速与惯性系的选择无关。

3.解决伽利略变换与光速不变结论的可能方案

方案一：坚持伽利略变换、麦克斯维理论（光速不变），否定力学的相对性原理。

理由：伽利略变换是牛顿力学的必然要求，而牛顿力学、麦克斯维理论是经过大量事实检验并且是正确的。

后果：必须否定力学的相对性原理。也就是说，物理规律在不同惯性系下应当具有不同的物理结构（物理形式）。由此，

       又必然得出结论：不同的观察者观察到的物理规律必然不同！――物理规律是因人而异的。这显然有些哲学上的

　　　　困难――因为自然界已经没有规律可言了。

方案二：坚持力学的相对性原理和光速不变的实验事实，进而否定麦克斯维理论遵从伽利略变换。

理由：光速不变是实验事实，不容否定。力学的相对性原理是一种自然观，与其否定一种科学观念，不如否定一种

　　　特定的变换――伽利略变换――因为所有证明伽利略变换的科学事实都来自于宏观、低速物体的运动。而电

　　　磁场是一种高速运动，没有理由断言适合于低速物体运动的变换一定对高速运动的物体同样适用！

后果：伽利略变换代表牛顿力学的时空观，否定它必然否定牛顿力学的时空观。

必须寻求一种新时空观下的数学变换，这种变换必须既能保证光速在任何参考系下保持不变，同时，在低速、宏观情形下又能回到伽利略变换中去――毕竟代表牛顿时空观的伽利略变换是经过大量科学实践检验的。一定存在其合理性。

4.光速不变与牛顿时空观矛盾的根源

　　设坐标系S、S’在起始时刻坐标原点重合，两坐标系各坐标轴平行，坐标系S’相对于坐标系S以速度u向x轴的正向运动。在t=0时，由O点发射一列光波。

经过一段时间t后（如1秒），在坐标系S中观察光波同时到达P1，P2两点，即光波到达P1，P2两个事件是同时发生的。在S系中，光波是以O为圆心的球面波。经过相同时间t后（如1秒），在坐标系S’中观察光波到达P1，P2两点的情况，由于在S’系中光波的速率仍为C，而此时O’已经离开了O点，并离p2较近，离p1较远。因此，在S’系中观察到光波要先到达p2，后到达p1。此时S’系中的观察者观察到的光波波阵面是虚线所示的圆。由此可见，坚持光速不变，就会得出结论：

在一个惯性系下观察到的两个同时发生的事件，在另一个惯性系中并不是同时发生的两个事件。或者说，时间对不同的参考系并不是均匀流逝的。而是与物体的运动状况相关。综上分析可见：光速不变与牛顿时空观的根本矛盾在于光速不变要求时间、空间都必须与物体的运动状况相关。不存在绝对流逝的时间和独立存在的绝对空间