實物物質達不到真空中光速C的理想實驗

劉保垣

真空中的光速相對于任何慣性系沿任意方向恒為C，并與光源運動無關，這一假設已成為了相對論兩大基本原理之一。由此原理建立起來的相對論理論還推出了物質最大傳播速度不能大于真空中的光速這一結論。雖然這一結論在理論和實踐中都得到了驗證，為了能對這一有悖于人類“感覺經驗”的結論有更加深入的認識和理解，下面以光速不變作為基礎，通過一個理想實驗的分析，從運動學角度推證出“實物物質不可能達到光速C”這一時空運動邏輯上的限制。

愛因斯坦在早期曾經考慮過追光的理想實驗［1］，即以速度C追一條光線運動，好像應看到一個在空間里振蕩而停滯不前的電磁場。但愛因斯坦判斷認為，無論是依據經驗還是按麥氏方程，都不會有這樣的情況發生。他認為追光所觀察到的應當像一個相對于地球是靜止的觀察者所看到光的一些定律進行，即追光者看到的光線仍然是以相對速度C傳播。愛因斯坦這一追光的理想實驗為他之后建立狹義相對論提供了一定的思想基礎。

受到這一追光理想實驗的啟發，本文設計的理想實驗是:設想相對于某一慣性系∑有甲、乙兩個觀察者(可看成兩個實物)以同樣的速度V沿x正向運動，在保持兩者相同速度的前提下，兩觀察者可做加速運動。在速度V小于C時，兩個觀察者之間的相對運動速度始終為零(這對于經典力學和相對論力學都是成立的);當兩觀察者速度V無限接近真空中光速C時，兩個觀察者之間的相對運動速度仍然為零。如果一旦兩觀察者相對于∑系的速度V都達到了光速，并維持這一速度C時，似乎我們根據“經驗”，還可以認為甲、乙之間的相對運動速度為零的結論不應當由于速度V增加一點點而改變。但是根據光速不變原理，此時奇跡可能會發生:首先，設∑'系固定在甲觀察者上(注意此時乙觀察者相對于∑系的速度也為V)。因此，∑'系和甲觀察者相對于∑慣性系沿x方向都以速度V運動。當速度V達到光速時，根據相對論速度變換公式［2］:

∑'系上的甲觀察者觀察乙的速度為u'x:

即甲觀察者會突然看到乙觀察者相對自己以光速C沿x正方向遠離自己(兩者之間的相對運動速度突然不為零了);用上述分析方法，還可以分析出乙觀察者也同樣看到甲觀察者相對自己以光速C沿x正方向遠離自己。甲、乙兩觀察者的觀察結果都是符合光速不變原理及相對論理論的，這本身就是一個悖論問題;另外當甲、乙觀察者相對于∑系均沿x正向以光速C運動時，到底是按相對論光速不變原理，甲、乙互看對方均沿x正方向以光速C運動呢?還是因兩者都相對于∑系有相同的運動速度，從而使兩者仍保持相對運動速度為零呢?這又是一個悖論問題。面對這兩個悖論問題，在實際的過程中出路只有一個，那就是只有承認兩觀察者(實物)相對于∑系永遠也不可能達到光速C，即在實際過程中不存在實物達到光速這一情況，才能使上面的兩個佯謬避免發生，才應是我們觀察到的實際情況。

通過這一理想實驗，我們進一步證明和認識了實物運動速度不僅不能超過光速，而是根本就達不到光速這一結論，只有“場”物質才可以達到光速C的傳播速度。通過這一理想實驗，還可得到一個推論——可達到光速C的“場”物質不能作為參照系來約定和使用，不然勢必要在作為參考系的“場”中鑲嵌實物觀察者，而這樣的觀察者又達不到“場”以光速C傳播的運動特性，因此將“場”作為參考系是不合時宜和極不明智的，例如光速加光速仍然等于光速的說法，實際上至少設了一個參考系以光速運動，因此“光速加光速等于光速”這一常用的物理模型是不可實現和不科學的。

［1］許良英.愛因斯坦文集(第一卷)［M］.北京:商務印書館，1997:24.

［2］郭碩鴻.電動力學［M］.北京:高等教育出版社，1997(2):254.