程碧波

摘 要：本文从中国传统的炁的理念出发构思炁的物理模型，其计算结果符合若干实验和天文观察现象。本文并比较了相关理论例如相对论的推导及其计算过程，指出其他理论所存在的待商榷的地方，以及炁模型的猜想更具有逻辑上的一致性。

关键词：炁；相对论；时空

炁是中国传统理论中构成宇宙万物的基本物质，它无所不在又运动不息，形成宇宙万物。炁分散而为场，凝聚而为粒子。（行炁，深则蓄，蓄则伸，伸则下，下则定，定则固，固则萌，萌则长，长则退，退则天。天几舂在上；地几舂在下。[1]）

炁场与粒子虽均由炁构成，但已是两种不同的物质，好比电子和质子构成不同元素一样。

炁与气不同。气由空气分子构成，炁比气更加本原。换言之，没有气的空间可被称为真空，但真空中仍会充满炁场。

1 炁的运动定律

采用中国传统炁的概念，则光即由炁场的波动而成，可称之为炁波。炁波传输的速度即为光速。

粒子与炁场存在相互作用。粒子会吸附炁场。粒子越多、质量越大，吸附炁场的强度越大、范围越广。可以找到类似的宏观模型：星球质量越大，可以吸附的大气越多；反之，可以吸附的大气越少。靠近星球表面愈近，大气与星球表面愈相对静止；靠近星球表面愈远，星球的运动速度与大气差距愈大——因为星球吸附大气的能力愈弱。粒子对炁场的吸附亦是如此。

粒子在炁场中运动，就好比物体在空气中运动一样，会遇到炁场的阻力。此阻力随着粒子相对炁场的速度增大而增大。当粒子相对炁场的速度接近光速时会产生光障，这与物体在空气中速度达到声速时产生音障的原理类似。正如达到音障时大气对物体的阻力会急剧增大一样，光障时炁场对粒子的阻力也会急剧增大。从理论上讲，光障如同音障一样，亦可能被突破，但是难度将会很大，因为物体在速度较低时，电磁场等各种场的波动可以对物体施加推动力以加速。但当物体的速度已经到达光速时，电磁场等各种场波动的速度与物体速度相同，已没有能力再加速物体。当然，通过喷射介质的方式，可能进一步提高速度。

我们将粒子相对炁场静止到接近光障这个速度区间，称为光障区。在光障区内，任何物体相对炁场的速度上限为光速。目前人类的科技水平尚未突破光障区。所以本文重点对光障区内的运动定律进行探讨。

1.1 炁场中的质量关系

假定粒子质量为，相对炁场的速度为，受炁场阻力为（为系数），则若有外力推动粒子继续加速，加速度为，则有公式：

由（3）式可知，若测量者意识不到炁场对粒子的作用力，则他将发现：随着粒子的速度增加，粒子的质量增大；在粒子速度一定时，随着粒子加速度增加，粒子的质量减小。

显然，让粒子减速则极为容易，只要撤掉外力，粒子速度就会逐渐降下来。

1.2 炁场中的速度合成关系

在光障区内，相对炁场的速度上限为光速。因此从表面看，速度合成不再遵从矢量合成法则。破坏矢量合成法则的力学原因，是因为有炁场的阻力。假使我们将炁场的阻力考虑进矢量合成，那么矢量合成法则仍将得到遵守。

但无论是否考虑炁场阻力，炁场中速度合成均遵守以下法则：

某物体（粒子或光）在某介质中运动。若介质相对炁场速度为0时物体相对介质的速度为，则当介质相对炁场速度为时，物体相对炁场速度为：

注意，（4）式并不一定遵从矢量合成法则。的具体形式要么需要进一步计算炁场阻力，要么需要实验测量而得。并且，不同的介质和物体，其的数据未必相同。但只要不突破光障，的绝对值不会超过光速。

然后，根据矢量合成法则，此时物体相对介质的速度应为：

很显然，若此介质仅为与炁场不同速度的坐标系，则直接（5）式成立。即物体在介质坐标系中的速度与介质坐标系在炁场坐标系中之矢量和，等于物体在炁场坐标系中的速度。因此矢量合成法则仍然适用。

2 相关理论的拓展比较

相对论与炁理论的假设和结论均有所差别。下面我们对此拓展分析。

2.1 广义相对论介绍

2.1.1 广义相对论的坐标变换原理

闵可夫斯基发现狭义相对论中，同一事件在惯性系与惯性系中的各参数满足以下条件：[2]

表达式得出一个与局部坐标系方向无关的值，它是由时空测定确定的。属于四维连续体中无限接近两点的线素的值，爱因斯坦记作。对正在讨论的线素，或者说两个无限接近的事件点，任何选定参照系的四维坐标系（注意，是任意参照系，不一定是惯性参照系），其自变量分别为、、、，那么可表示为：

广义相对论认为，（10）式计算出来的线素与坐标系的方向和运动状态无关，因为中已经包含了时间和空间，是由钟尺测量时空中无限接近的事件点确定的量，它与特殊选择的坐标无关。

2.1.2 坐标钟、标准钟与固有时间

（1）坐标钟：对于弯曲时空的任意坐標系中的坐标点，若视为时间坐标，则以速率运行的钟，叫坐标钟，称为坐标时间，是从系来考察的此坐标点时间。为惯性系中的真空光速。

（2）标准钟：对时空中的任意观测者引入相对于他瞬时静止的局部惯性系。定义静止于系中的钟为标准钟，它所记录的时间为惯性系的固有时间，即静止于的观测者亲身经历的时间。此线素方程为：

（3）坐标时间与固有时间的关系：

由于线素大小与坐标系选择无关，而观测者在坐标系中的线素方程为：

由此即得观测者A的坐标时间t与固有时间的关系。坐标时间t是A所在坐标系S中的时间，固有时间是以A为坐标系的时间，即A亲身经历的时间，从而实现不同坐标系之间时间的变换。而这些变换中，固有时间始终是在局部惯性系中的。

2.1.3 坐标时间、固有时间与惯性系间的坐标变换

假设观测者A在惯性系S的原点沿x轴正向以速度V相对于S系作匀速直线运动。则：

观测者A在以A为参照系中的线素方程为：

（17）式也正好是狭义相对论中A在S系原点时的A坐标系和S坐标系之间的时间变换关系。广义和狭义相对论的这种等价性是很自然的，因为狭义相对论是利用不同惯性坐标系的光速不变原理推导而得，广义相对论的恒等条件亦是要求不同惯性坐标系的光速不变。

所以，无论狭义相对论还是广义相对论，都认同“任意惯性系中光速不变”。并且“任意惯性系中光速不变”是计算固有时间的基本前提，否则固有时间无从谈起。

注意：相对论并不是假设惯性系中任何物体相对光的速度均相同。例如：若某物体相对坐标原点向左的速度为，光相对坐标原点向右的速度为，则在此惯性系中，光相对于此物体的速度为，这是符合相对论假设的。然而，如果我们建一个新惯性系，新惯性系的原点与此物体相对静止，则相对论认为：这束光相对于此物体的速度为而不是。

2.2 多惯性系中不同方向的光速

然而，我们这里切实地计算一下多惯性系中不同方向的光速是否相同。

计算过程如下：

假设S系和系是两个相对作匀速运动的惯性系。规定系沿S系的轴正方向以速度相对于S系作匀速直线运动，、、轴分别与、、轴平行，两惯性系原点重合时，原点处时钟都指示零点。

现假设，，是比例系数，可保证变化是线性的。相应地，系的坐标变换为S系，有。另有，。

两原点重合时，有。此时在共同原点向、正轴方向发射一光脉冲，在系，，在系，。

至此，证明过程就是狭义相对论的证明过程，（20）式也为狭义相对论的结论，没有新现象出现。

现在我们构造一束与之前传播方向正好相反的光脉冲，即向、负轴方向传播的光。按照之前的同样证明过程有：

狭义和广义相对论的假设中，不同惯性系中的时间变换关系只与惯性系的相对速度有关。既然同一惯性系中时钟相同，那么同一惯性系中任何方向光脉冲的时钟也是相同的。比较（19）和（23），这个比例系数均与狭义和广义相对论吻合。但是，（24）式中的不等于（20）式中的。这说明，按照相对论的证明，若选择不同方向的光脉冲作为计算基准，各惯性系的时间取值将不同。这违反了狭义和广义相对论的前提假设。那么为什么会违反此假设呢？我们再来变换一下：

由于是系中的时间，则以系为参照系且光脉冲沿正轴方向传播时，光脉冲在中经过的距离为：

根据相对论的假设，S惯性系和惯性系内的长度变换关系只与两惯性系的相对速度V相关，所以S惯性系中反向光脉冲经过时，反向光脉冲在惯性系内经过的距离也应是。根据（24）式，反向光脉冲在惯性系中经过的时间为

因此，当S惯性系中光速在各方向上均为c时，可以证明：与S惯性系有相对运动速度的惯性系中，光速不可能在各方向上也均为c。

这证明，相对论中关于“任何惯性系中光速不变”的假设是有问题的，数学逻辑不支持这样的假设。

回头来看（20）与（24）式。根据这两式，在S惯性系中光速恒为c且光速沿、正轴方向运动时恒为c，则惯性系中经过距离为：

在S惯性系中光速恒为c且光速沿、负轴方向运动时恒为c，则惯性系中经过距离为：

这两个距离极其接近坐标系之间遵从经典时空观下矢量合成法则时的结论。可按经典时空观的矢量合成法则计算如下：

若光脉冲相对S惯性系的速度为c，运动时间为，则当光脉冲沿正轴运动时，惯性系中光脉冲运动距离为：

当光脉冲沿负轴运动时，惯性系中光脉冲运动距离为：

比较（27）与（29）、（28）与（30）式可知：当确定S惯性系的光速恒为c时，惯性系中的计算结果将极其接近经典时空观下矢量合成的结果，这是因为惯性系中的光速不可能恒为c。

显然，若确定惯性系的光速恒为c，则S惯性系的光速就不可能恒为c，此时S惯性系中的计算结果就将极其接近经典时空观下矢量合成的结果。确定哪个惯性系中的光速恒为c，将对惯性系中的结果带来巨大的不同。

更进一步地，若取一束与x轴有倾斜夹角的光脉冲，若光脉冲的速度c在x轴方向上的速度分量为mc（），因为此光脉冲与轴的夹角等于其与x轴的夹角，所以c在轴方向上的速度分量也应为mc。故有式子：

这下连k都变了。并且随着m从-1到1之间取不同倾角的光脉冲，k也会随着变化。事实上，随着光脉冲方向的变化，任何小于光速的速度都可以成为不同惯性系中既定方向上恒定的速度基准。这意味着同一惯性系中，不同方向光脉冲的时钟不同，或换言之，不同方向光脉冲的速度不同。

2.3 逻辑学上的推论

逻辑学上关于“不一致”有如下推论：“若某逻辑体系不一致，则此逻辑体系可以推导出任何真或假的结论”。

相对论亦是如此。如果我们无视相对论逻辑体系的不一致，那么相对论可以推导出任何结论。如果我们只拣选其结论中符合现实的部分而不考慮其矛盾部分，那么相对论可以符合任何现实。以上面推导为例：当需要光速不变时，这本身是相对论的假设，自然可以满足；而当需要经典时空观时，相对论同样可以给出经典时空观的结果。这就是为什么到目前为止，大量的物理实验和现象既可以用经典时空观来解释，又可以用相对论来解释的根本原因——虽然经典时空观与相对论时空观相差极大。

当相对论在惯性系中存在这些根本性问题后，其在非惯性系也就不可能规避这些问题。因为其必须把非惯性系问题处理为局部惯性系。

3 炁模型对相关实验的解释

3.1 麦克尔逊干涉仪测光速实验

麦克尔逊干涉仪测试出光速在各个方向上均相同[3]。按照本文对炁的猜想，由于地球质量太大，在近地表面吸附了大量的炁，形成与地面相对静止的炁场。而麦克尔逊干涉仪测试光速时相对地面静止，也就是相对其周围的炁场静止。而相对炁场静止的参考系中，光速各向均相同。因此干涉仪测得的光速各向相同。

若要测试光速相对干涉仪是否可变，干涉仪必须要相对炁场运动。这要求在近地表面上干涉仪相对地面作高速运动。

3.2 sagnac实验

Sagnac实验就是在干涉仪相对地面高速旋转时测试光速[4]。由于炁场相对地面静止，因此干涉仪相对炁场在做高速转动。按照前述关于炁的猜想，利用经典的速度矢量合成法则可以精确计算出圆盘转速与两束光脉冲程差的关系数据，这个数据与实验结果吻合。

因为干涉仪放置在高速旋转的转盘上，其相对转盘静止。如果以干涉仪建立参照系，则圆盘没有转动。按照相对论，转盘的转动速度不会影响两束光的光程差，但这不符合实验事实。于是相对论主张此转盘为非惯性系，不能按照狭义相对论那样建立坐标系来计算，而必须使用广义相对论来计算。根据广义相对论计算的数据也能相当精确地吻合实验数据。但这事实上是因为在广义相对论的计算中，假定了地面参照系为S惯性系，将转盘分解为无数的局部惯性系。根据本文前面结论：“当确定S惯性系的光速恒为c时，惯性系中的计算结果将极其接近经典时空观下矢量合成的结果”，从而导致了广义相对论似乎也可以解释sagnac实验。事实上，当相对论如此解释sagnac实验之后，即使人们再设计干涉仪高速匀速直线运行（以使得运动的干涉仪可以构成惯性系，来适用干涉仪参考系中光速不变条件）的实验，已经没有意义。因为没有谁能保证自己设计的高速匀速直线运动是没有任何误差的匀速直线运动，而只要有误差（这个误差一定会产生，先不说设计者的工程精度，单单说地球围绕太阳转动、太阳围绕银河系转动），相对论支持者就会主张干涉仪参照系不是严格的惯性系，不能直接适用光速不变的假设，而必须适用广义相对论，从而得到与经典时空观下速度矢量合成同样的结论。

从另外一个角度，我们亦可推断：即使按照相对论，在人类所能观察或制造的所有惯性系中，光速并非不变，而是符合矢量合成法则的。因为人类观察或制造的惯性系不能确保是绝对的惯性系，因而应该适用广义相对论的结论。换言之，人类无法观测到光速不变的现象。

3.3 双星观察效应

在遥远的星际，有A、B双星相互围绕旋转。人们发现两颗星的光线几乎同时到达地球。然而，当一颗星A逼近地球时，另一颗星B会远离地球。假如光速遵从经典的矢量合成法则，那么星A向地球发出的光相对地球的光速大，星B向地球发出的光相对地球的光速小。经历若干亿光年到达地球后，两束光应该会有很大的光程差。这与观察数据不吻合。所以人们认为这验证了光速不变假设。

首先，按照本文炁的猜想，A、B双星各自吸附了近地炁场，因此在双星的近地炁场中，的确星A向地球发出的光速大，星B向地球发出的光速小。但当两束光射出双星的近地炁场后，将经过相同的宇宙炁场，此时两束光的速度将相同，这保证了两束光基本同时到达地球。

其次，即使按照广义相对论，由于观察者所在的地球不是惯性系，所以不能适用光速不变的条件，因此应该是观测不到双星光线的速度相同的。所以双星光线几乎同时到达地球的现象亦不能证明光速不变。

参考文献

[1]爱因斯坦著，杨润殷译.狭义与广义相对论浅说[M].上海科学技术出版社，1964.

[2]钱锋，潘人培.大学物理实验（修订版）[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.

（作者单位：中国民航管理干部學院）