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与相对论相关的分析数学是一种游戏，可以在规则范围内任意发挥；物理学需要数学结合物理实践，反复论证总结。相对论更多的或许属于数学游戏。光速不变或许应是：任何光线在“静止的”光介质中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。惯性系可以分为封闭惯性系、开放惯性系、部分封闭惯性系，光在(光介质)封闭惯性系具有惯性。伽利略速度变换不是简单地速度叠加。本文思路1、相对论自诞生起，争议就没有间断过，其核心是光速不变；2、本文试图对光速不变进行分析、解释；3、光速不变是受到声速不变的影响推测的；4、声速不变需要与宏观粒子运动状态进行比较；5、这种比较直接涉及坐标变换，所以会简单介绍伽利略坐标变换、洛伦兹坐标变换；6、本文提出的光速不变，可以对一些问题合理解释；7、之后的反复验证工作，不在本文范围，本文仅提出验证试验方法。本文的顺序：坐标变换分析惯性系分析声速不变分析光速不变猜测几个问题的解释相对论的矛盾分析第一章 坐标变换分析坐标变换通常指伽利略坐标变换、洛伦兹坐标变换。第一节 老生常谈伽利略坐标变换某人A对C有他的认识，某人B对同一C也有自己的观点，由于A、B所处角度不同，他们对同一C会产生不同的理解。伽利略坐标变换即是描述当A静止，B相对A匀速直线运动状态下，A、B对C的相对固定关系。下面是大家都熟悉的图例及公式： A y B y y y v C(x,y,z) vt x (x,y,z) o o x x z z xz z 当t=t=0时，o与o重合，空间任意一点P相对两坐标系有：1、坐标变换公式： x=x-vt y=y z=z t=t 且有：x2-x1= x2-x1 2、速度变换公式：vx=vx-v vy=vy vz=vz3、加速度变换公式：ax=ax ay=ay az=az4、力学变换： F=ma F=ma请注意：1、速度变换仅指A、B对C的认识关系，与惯性系统A、B是否封闭没有关系；2、速度变换与速度叠加不是一个概念（或者说，B系为封闭惯性系，速度叠加；否则，B系速度会受到外界因素影响，不再是简单的速度叠加）。第二节 伽利略相对性原理伽利略相对性原理举例萨尔维阿蒂的大船：从船舱中发生的任何一种现象，无法判断船究竟是在运动还是停着不动。萨尔维阿蒂的大船就是一种所谓惯性参考系。在一个惯性系(A)中能看到的种种现象(C)，在另一个惯性参考系(B)中必定也能无任何差别地看到(C)。亦即，所有惯性参考系都是平权的、等价的。我们不可能判断哪个惯性参考系是处于绝对静止状态，哪一个又是绝对运动的。伽利略坐标变换讲的是A、B、C之间的关系；伽利略相对性原理讲的是A、B、C、C中，C与C的关系。本节需要注意的是，萨尔维阿蒂的大船的种种现象，都是发生在船舱内，如果是发生在甲板上，伽利略相对性原理不再成立，因为甲板上会受到外界空气的影响，船舱的作用之一是对外界影响（例如空气）进行屏蔽，即：伽利略相对性原理成立的条件之一是在封闭惯性系内。第三节 洛伦兹坐标变换洛伦兹坐标变换讲的也是是A、B、C之间的关系；它把伽利略坐标变换中的不变量时间t大胆的分开，使之拥有独立意义；增加的k，主要说明一个系统相对于另一个系统变化是线性均匀的；洛伦兹坐标变换在数学上是一个进步。洛伦兹坐标变换，或许与伽利略坐标变换没有区别，具体分析见第四章第一节。第二章 惯性系分析惯性系可以分为封闭惯性系、部分封闭惯性系、开放惯性系。三种惯性系均符合坐标变换（A、B、C)。封闭惯性系符合相对性原理（A、B、C、C）。本章主要进行空气影响状态下惯性系分析。第一节 惯性系模型我们引用“萨尔维阿蒂的大船”，修改并建立如下模型（图2-1）： y 系统3系统2系统1 基础系统 A o x 图2-1 模型解释：此船共三层：相同的上下两层船舱、一层平滑甲板。其中底层船舱是封闭的，上层船舱前后舱壁开有均匀孔洞，空气通过孔洞可以均匀进出船舱。在两层船舱及甲板的相同中心位置设置以下相同装置：一个小球，它可以在水平面自由滚动；一个点声源，可以向任意方向发出声波信号；一个点光源，可以向任意方向发出光波信号（下一章讨论）。暂且认为：底层船舱是封闭系统(系统1），上层船舱是部分封闭系统（系统2），甲板是开放系统（系统3）。当此船静止于地面时，系统1、2、3与地面系统（基础系统A）相同，A系统作为比较系统。惯性系之间关系：A包含B（如大地与船）；A、B相离（如船与船）。惯性系之间不可能重合，只能是离得很近时，可以认为“重合”。试验目的：模型中，小球代表宏观粒子，声波代表波，通过实验分析粒子与波的异同；将声波分析应用在光波上，看会出现什么结果。第二节 惯性系中的小球分析一、实验条件：空气相对地面静止（无风）；第一节中大船两艘，其中一艘A相对地面静止，另一艘相同大船B相对A惯性运动，速度u；两船“重合”时，分别对每个小球向右方施加一个相同的作用；经过单位时间后，如下图2-2：（两艘船，共有6个小球，第一节提到了A船3个小球状态相同，由基础系统A小球代替比较。） y y 系统B3 B3 B3 右侧舱壁示意 系统B2 u B2 B2 系统B1 B1 B1 基础系统 A o A x A 图2-2 其中左侧小球表示A、B重合时各小球位置，右侧小球表示经过单位时间后小球位置（移动后的大船未画出）。二、小球分析：我们暂时不考虑所谓的相对论效应，可以看到：1、A船（未画出）三个小球运动状态完全相同；其中A船甲板相当于地面系统；2、B船小球由于受到惯性影响，无论是由A来看，还是由B来看，B系3个小球都在A船小球右侧；3、由系统B内部来看，小球B1等于其静止时移动距离，或者说，等于静止系统A中小球A移动距离，即A=B1；由于受到风的影响不同，又有B1B2B3；4、由于受到风的影响不同，分别在各自系统测量，可有uA=uB1uB2uB3（图中未标出，见红色箭头线）。5、小球A、B1、B2、B3运动状态均符合伽利略坐标变换、速度变换、加速度变换、力学变换。（A、B、C）6、注意：所有小球，都受到本系统大船惯性影响；所有小球均受到空气影响，但只有小球B2、B3受到风的影响；只有小球A、B1符合相对性原理。另外：如果垂直方向（如向上）发出小球，与以上总结基本相同，只是要增加重力影响。（此处从略）三、几个概念：封闭惯性系：B船封闭船舱（系统B1)-小球与其相关联，且不受风影响；部分封闭惯性系：B船上层半封闭船舱（系统B2)-小球与其相关联，部分受风影响；开放惯性系：B船上层甲板（系统B3)-小球与其相关联，受到风的影响。四、动系与静系因为空气相对于A系静止，而且要考虑大地参考系，所以设A系为静系在理解和计算上都较反过来方便。五、真空中惯性小球分析：1、如果因为真空排除空气的影响，真的没有（？）其他影响因素，那么B系统三个小球的表现合并为B1状态。2、真空状态对小球影响是“小至可忽略”，还是真的不会对小球产生丝毫影响？第三节 惯性系中的声波分析一、实验条件：空气相对地面静止（无风）；第一节中大船两艘，其中一艘A相对地面静止，另一艘相同大船B相对A惯性运动，速度u；两船“重合”时，分别向右发出一个声信号；经过单位时间后，如下图2-3：（两艘船，共有6个声信号，第一节提到了A船3个声信号状态相同由基础系统A声信号代替比较。）其中左侧小球表示A、B重合时各点声源位置，右侧小球表示经过单位时间后声信号所在位置（移动后的大船未画出）。 y B3 y 系统B3 B3 B3 右侧舱壁示意 系统B2 u B2 B2 系统B1 B1 B1 基础系统 A o A x A 图2-3 二、声波分析：我们暂时不考虑所谓的相对论效应，可以看到：1、A船（未画出）三个声波运动状态完全相同；其中A船甲板相当于地面（基础系统）；2、需要注意的是：声信号B3的运动状态与声信号A运动状态完全相同（频率发生改变，但波速不变）即A=B3；两个声信号在速度上：“就像一个声信号一样，不分彼此，齐头并进”；静系A中声速为通常我们说的空气中声速0，但在动系中测量B3声速，因为受到外界逆向风的影响，此声速小于0。 原因：理想状态下，点声源B3在发出声信号后，其原有惯性瞬间降为零，此声信号的运行规律就与声源再无关系，只会遵循其在外界空气中的传播规律。3、B船另外两个声信号，由于受到惯性影响，无论是由A来看，还是由B来看，其终点位置都在声信号A右侧；由系统B内部来看，声信号B1等于其静止时移动距离，或者说，等于静止系统A中声信号A移动距离，即A=B1；由于受到风的影响不同，又有B1B2B3；4、由于受到风的影响不同，分别在各自系统测量，可有uA=uB1uB2uB3（图中未标出，见红色箭头线）。仅在基础系统测量，则有：uAuB3，当然，此声速不变与相对论的光速不变含义不同。5、声信号A、B1、B2、B3运动状态均符合伽利略坐标变换、速度变换、加速度变换、力学变换。（A、B、C）6、请注意：理想状态下，仅有声信号B1（有惯性的声信号）、B2（有部分惯性的声信号）受到本系统大船惯性影响，声信号B3（没有惯性的声信号）受到惯性影响为零；但只有声信号A、B1符合相对性原理。另外：如果垂直方向（如向上）发出声信号，与以上总结基本相同。（此处从略）总结：理想状态下，声信号的传播，只与传播它的介质有关。介质受到惯性影响，声信号也会受到影响（关联）；介质独立于某惯性系统，声信号则与此惯性系统无关（速度也不会叠加）。三、几个概念：封闭惯性系：B船封闭船舱（系统B1)-声波与其相关联；部分封闭惯性系：B船上层半封闭船舱（系统B2)-声波与其部分关联；开放惯性系：B船上层甲板（系统B3)-理想状态下，声波与其无关联。四、动系与静系因为外界空气相对于A系静止，声波的传播本质上与惯性系无关，设A系为静系应该在情理之中了。五、真空中声波分析：1、声波不能在真空中传播；2、光能在真空中传播。注意：空气相对A船静止，此惯性系只能设定A为静系，B为动系，不能反过来设置。六、静态空气声波恒定举例分析：1、火车鸣笛试验及解释，如图2-4： y 基础系统 A C o B x 图2-4 图形说明：基础系统相对地面静止，无风，原点处静止C设置声信号测速仪，火车A匀速驶向C、鸣笛；火车B匀速驶离C鸣笛。已有的经验告诉我们，C处测得声信号均为空气中声速0，并无通常认为的速度叠加导致的声速增加或减少。原因就是上面提到的：声信号的传播，只与传播它的介质有关。介质受到惯性影响，声信号也会受到影响（关联）；介质独立于某惯性系统，声信号则与此惯性系统无关，速度也就不会叠加。火车发出声信号，经过一段距离后，由于火车运动产生的空气涡旋不再影响此声信号，此声信号脱离火车惯性系统，进入外界静止的空气系统（基础系统），则此声信号波速仅遵循外界静止空气传播规律，而与原始声源运动状态无关。需要注意的是：是C处测得声速为0，而不是A或B处测得声速为0。2、进入惯性系统声信号分析（未见相关实验，猜测），如图2-5： y S1 C u 基础系统 A o S2 C x B 图2-5 (1)、图形说明：基础系统相对地面静止，无风，火车B匀速u右向行驶，火车内C点设置声信号测速仪，基础系统静止A点右向同时发出两个声信号。(2)、则应有：火车内C点测得的声速为0；同时，外界另一声信号位置滞后，如图C点，其测得的声速也为0。解释：声信号进入火车后，有一个加速过程，使之最终达到火车内静止空气中的声速，拥有火车同样的惯性。（为什么会发生此种情况，不知，不在本文考虑范围）(3)、若其他不变，火车左向行驶，则应有：火车内C点测得的声速为0；同时，外界另一声信号位置传播较远，其测得的声速也为0。（此图未画出，仅简述）第四节 一个有点意思的推论如图2-6： y y o B x x o A x AB x 图2-6 图形说明：地面，无风，xoy静止于地面，x、x表示光滑地面；xoy右向匀速u运动，当y、y重合时，同时对两系统相同小球施加一个右向相同作用。我们知道，虽然受到外界空气的影响，但因B小球具有惯性，单位时间后，x x。相同体积的小球，质量越大，受到外界空气单位影响越小，单位时间后AB越大；相同体积的小球，质量越小，受到外界空气单位影响越大，单位时间后AB越小；质量趋近于0时，AB也趋近于0。-波的质量不考虑，这一条与波有联系？本章总结一、坐标变换（ A、BC）与相对性原理（A、B、C、C）说的不是一码事；速度变换与速度叠加是两个概念；二、 宏观粒子与声波在惯性系内都具有惯性，在惯性系外，都会受到外界因素影响；三、声速不变：在静止空气中测得的声速，为固定值0340m/s，而与声源的运动状态无关。第三章 光速分析波与粒子在能量传播上有明显不同：粒子依靠其本身传播能量，粒子本身空间位置产生位移；波是依靠（粒子间？）相互作用传播能量，相互作用的粒子本身，并不随能量的传播产生位移。从这个角度来说，波粒二象性不可想象。高频超声波，随着频率越高，其特性与光相似性越接近。不同种波之间，有共性存在，下面试图把声波分析结论，应用到光分析上。第一节 与声信号类似的光信号模型-气态以太本文认为，就像声信号一样：光信号在封闭惯性系具有惯性；在部分封闭惯性系，具有部分惯性；在开放惯性系，不具有惯性。请注意：能对声信号介质（如空气）进行有效封闭的，不一定对光信号介质有效封闭，需要通过实验检验。 y B3 y 系统B3 B3 B3 右侧舱壁示意系统B2 u B2 B2 系统B1 B1 B1 基础系统 A o A x A 图3-1 上图3-1同图2-3，物理意义由声信号修改为光信号。具体来说，因A=B1=B3，故有：1、在基础系统看来，静系A发出光信号光速为c；2、在动系B看来，动系B1发出光信号光速为c；3、在基础系统看来，动系B3发出光信号光速为c；光信号A与B3可以认为“齐头并进”。结论：在静止的光介质中，光速不变，为c。此结论可以解释一些问题：一、迈克尔逊-莫雷试验分析：此实验否定了固态以太概念。本文认为的是气态以太概念（光介质）。此实验是在封闭实验室甚至是在地下深处进行，这本身就组成一个光介质的封闭惯性系，按照本节分析，本实验的光信号各向同性，无论怎样转换仪器角度，都不会受到外界光介质影响，自然不会出现不同的干涉条纹。再次强调：伽利略变换中的速度变换，不是简单的速度叠加，是否速度叠加要看系统是否封闭。二、麦克斯韦方程组结论解释：类比第二章第三节六中，火车鸣笛试验解释，是静态的C点测得声速为0。同样，麦克斯韦方程组所推导的光速c，据说也是相应“C点测得的”，与相对论所说的A、B点光速不变不同。我们不能以我们静态测得的光速c，来推断此光信号相对发出的光源速度为c。三、投球光信号分析： c 球投出前： t1=d/c 有：t1t2 v c+v 球投出后： t2=d/(c+v) d 观察者 图3-2此图结果：观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球。本节观点解释：此图混淆了伽利略变换的含义，更是没有考虑到惯性系是否封闭；即本文认为，此光信号发出后，即脱离原惯性系，进入空间光介质传播，其速度相对观察者为c。上图应修改为图3-3： c 球投出前： t1=d/c v c 有：t1t2 球投出后： s t2=d/c+s(c-v)/(cv) d 观察者 图3-3 公式应为：t1=d/c ；t2=s/v+(d-s)/c=d/c+s(c-v)/(cv) ；有t1t2即还是观察者先看到投出前的球，后看到投出后的球。四、超新星爆发分析：公元1054年5月形成了金牛星座的蟹状星云，距地球5000光年，按照所谓光速叠加为依据，可得理论观测持续时间约为25年，实际持续时间为22个月。本文解释同上，此例计算同样混淆了伽利略变换的含义，没有考虑到惯性系是否封闭；即此光信号发出后，脱离原惯性系，进入空间光介质传播，其速度仅相对观察者为c。第二节 以太光信号模型以太是固定在空间中不动的（固态），上节光介质像空气一样可动，本节为模型对比如图3-4： y B3 y 系统B3 B3 B3 右侧舱壁示意系统B2 u B2 B2 系统B1 B1 B1 基础系统 A o A x A 图3-4 需要说明的是，上图仅为示意图，因为事实上没有相对以太完全静止的系统；本文假设基础系统相对以太静止。从上图可以看出，所有光信号都“齐头并进”；由基础系统来看，所有光信号速度均为c，但在动系B看来，所有光信号速度都相同，且小于c。当然，固态以太的概念，迈克尔逊-莫雷试验的结果给以否定。但麦-莫试验不能否定第一节的气态以太概念。第三节 相对论光信号模型相对论光信号模型，恐怕不能建立起来，下一章详细讨论。第四章 相对论分析本章直接引用相对论观点，其证明过程见最后附录。第一节 洛伦兹变换讨论洛伦兹坐标变换，主要集中在x轴方向。故有x=k(X+uT) (1) ；逆变换X=k(x-ut) (2)k的含义是，在A系看来，B系在x轴方向上均匀变化（收缩或膨胀），反之亦然。其实，由以上两公式即可求出k值：1、两系在整个惯性运动过程中，我们考虑最简单的情况，当两系原点重合时，有t=0，T=0 带入(1) 、(2)式，有：x=kX (1) ；X=kx(2) 因两式k相等，故有：x/X=k=X/x 即X2=x2 故有：x=X（沿x轴正、反向运动），简单来说，相对论提到的情况下，有x=X 相应的，有k2=1 故有k=1（沿x轴正、反向运动），简单来说，相对论提到的情况下，有k=1 。2、 另外，由T=kt+(1-k2)/(ku)x (5) ，将以上条件“当两系原点重合时，有t=0，T=0” 带入，有：0=(1-k2)/(ku)x ，此公式x可取任意值，等式成立只有1-k2=0，即上述的k=1 。3、 k=1是洛伦兹坐标变换几何成立的解。由于k=1，看来可能出现的尺缩、尺胀应该仅为猜测。本节结论：洛伦兹坐标变换与其逆变换，本质上与伽利略坐标变换相同。第二节 尺缩效应讨论好吧，第一节暂时就当没有说。在相对论的尺缩效应情况下，我们试图建立数学模型。第一步，设静系A、静系B原点重合，红色、黑色两个重合正方形分别为A系、B系随动示廓线，正方形中心点为各自原点，为计算方便，设示廓线边长均为2c，如下图4.1（z、Z轴略，下同） y Y o O xX 图4.1第二步，设A系静止，B系速度为u（为计算方便，可设u=0.6c，则=1.25），沿x轴正向；此时，A系及其红色示廓线不动，B系随动黑色示廓线在A系看来，Y轴方向没有变化，由尺缩效应可知，X轴方向均匀收缩，边长为1.6c，当两原点重合时，应如下图4.2： y Y o O xX 图4.2注意：此时在A系看来，A系红色示廓线包围着B系黑色示廓线，可简称A包含B。第三步，由相对性原理，反过来设B系静止，A系速度为u（为计算方便，可设u=0.6c，则=1.25），沿x轴正向；此时，B系及其黑色示廓线不动，A系随动红色示廓线在B系看来Y轴方向没有变化，由尺缩效应可知，X轴方向均匀收缩，边长为1.6c，当两原点重合时，应如下图4.3： y Y o O xX 图4.3注意：此时在B系看来，B系黑色示廓线包围着A系红色示廓线，可简称B包含A。现在，问题来了：上述第二步、第三步究竟应该谁包含谁？进一步说，(1)如果只承认其中之一，则违背相对性原理；(2)如果两者都同时成立，会发生空间跳跃，实在过于违背常识。这恐怕是没有相对论模型的原因。第三节 那个光信号好吧，第二节也当没有说。我们说说那个光信号：A、B谁发出的？如果A、B各自同时发出一个，是“就像一个光信号一样，不分彼此，齐头并进”；还是各自有自己的轨迹，没有齐头并进？第一种情况一：A、B各自同时发出一个，是“就像一个光信号一样，不分彼此，齐头并进”，经过1s；此时，A系及其红色示廓线不动，B系及其随动黑色示廓线在A系看来，形状不变，位置右移0.6c，应如下图4.4： y Y e E m M o O n N xX 图4.4其中：A系原点o，其示廓线交x轴于m、n点，交y轴于e点；B系原点O，其示廓线交X轴于M、N点，交Y轴于E点；此时：由A系看，光信号（蓝色线）由o点发出后沿x轴正向到达n点；由B系看，光信号（粉色线）由O点发出后沿X轴正向到达n点；分析：(1)A系没有问题：光信号由o点沿x轴正向发出，经过1s，到达本系示廓线n点，距离为c，即ton=1s，lon=c，与我们的经验相符；(2)由相对性原理，B系并不认为自己在运动，其原点O会坚持认为：两系原点重合时发出的光信号，在经过本系的1s后，应到达本系的N点；实际此光信号却是到达的O、N之间的n点，由相对论公式TOn=（ton-uxon/c2）=5/4*（1-3/5*c*c/c2）=1/2 （s），与上图比例相符；(3)本文没有理解的是，钟慢效应：t=T，有T=t/=1/1.25=0.8s难道是B系O发出光信号轨迹不同？二：沿x轴反向发出：A、B各自同时发出一个，是“就像一个光信号一样，不分彼此，齐头并进”，经过1s；此时，A系及其红色示廓线不动，B系及其随动黑色示廓线在A系看来，形状不变，位置右移0.6c，应如下图4.5（图4.4基础上修改）： y Y e E m M o O n N xX 图4.5此时：由A系看，光信号（蓝色线）由o点发出后沿x轴负向到达m点；由B系看，光信号（粉色线）由O点发出后沿X轴负向到达m点；分析：(1)A系没有问题：光信号由o点沿x轴负向发出，经过1s，到达本系示廓线m点，距离为c，即tom=1s，lom=c，与我们的经验相符；(2)由相对性原理，B系并不认为自己在运动，其原点O会坚持认为：两系原点重合时发出的光信号，在经过本系的1s后，应到达本系的M点；实际此光信号却是到达的M之外的m点，由相对论公式TOm明显大于1s；两个（组）反向光信号产生结果矛盾？三沿y、Y轴正向发出，即A、B各自同时发出一个（图略）；这下麻烦大了，还想象前两个方向一样，“就像一个光信号一样，不分彼此，齐头并进”已经不可能，因为我们不知道应该按照y、Y轴哪一个轴线传播。第二种情况一：A、B各自同时发出一个，各自具有自己系统的惯性，经过1s；此时，A系及其红色示廓线不动，B系及其随动黑色示廓线在A系看来，形状不变，位置右移0.6c，应如下图4.6： y Y e E m M o O n N xX 图4.6图4.6情况可以解决第一种情况中光信号反向、沿y轴传播的问题。但这是相对论想表达的意思吗？为什么相对论强调“在重合原点发出一个光信号”？分析：尺缩效应是我们一开始就依照相对论设定好的，钟慢效应看来不会发生了（各自光信号都到达各自系统右示廓线，用时都为1s），与相对论所想表达意思不符。第三种情况一：A、B各自同时发出一个，经过1s；此时，A系及其红色示廓线不动，B系及其随动黑色示廓线在A系看来，形状不变，位置右移0.6c，应如下图4.7： y Y e E m M o O n N xX 图4.7图中粉色O点发出光信号到达O、N之间0.8c位置 处，其他与第一种情况相同。目的是试图对相对论钟慢效应公式t=T进行图解。由图可以看出，此情况介于第一种情况与第二种情况之间。但此图更加难以解释。本节总结：考虑以上三种情况，难以用图形表达相对论内容，而这还