神奇的光速

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——“双生悖论”随笔之五它的运动不需要参照物的参考,它的速度没有相对意义的绝对。它是万物运动速度之极限，它是这个物质世界中永不歇脚、亦不加速，特立独行的另类。一对孪生兄弟，弟弟居然变成了哥哥，哥哥转而成了弟弟。这种“天序”的逆转，归根到底是时间流逝在不同的人身上变得不一样。哥哥的生命过程的流逝相对于弟弟而言变得缓了，或者说他的生命钟比之于弟弟的生命钟走得慢了。时间的统一性是人们日常生活需求，如果每个地方、每个人的钟走时都不一样，时间几乎会丧失它存在的意义，必然会引起日常生活和社会秩序的混乱，即便是到车站接一位朋友——这样一件简单的事情，若车上与车下钟走时不一样，或者你与朋友的表走时不同，就会带来诸多麻烦。因此，在日常生活中，我们尽量把自己的钟，与大家公认的标准钟进行校对，或者与电台的正点播报来校钟，希望自己的钟与标准钟没有什么误差。这就在大家心里形成了这样一种观念，存在着一个绝对的、统一的走时精准的钟，大家的钟都以这只钟作为标准。然而，在20世纪初，爱因斯坦发现了时间不是绝对的。一位路基上的观察者，他会看到一列高速运动列车上的钟走慢了，而且在这个列车中的一切过程，都会变慢。如果孪生的兄长在车上，他生命流逝的过程变慢了，就可能变成了弟弟，双生悖论就是这样产生的。不过，这种情形在我们日常生活的低速世界里，人们是不会察觉到的。那么，为什么会出现这种奇特现象呢？物理学家说，这与光速相关。因此，讨论时间流速的差异，讨论双生悖论，还得从光速说起。

01一、光速的测量

人类用眼睛看到了周围许多物体都在运动，而且运动有快有慢，但是几乎很少有人会关心光是怎么运动，及其运动的快慢。地球上每一个人都经历着从白昼到黄昏，从黑夜到黎明的过程，这种明暗、黑白的交错，也许会想到这是光在不停地赶路：光跑来了，天就亮了；光跑走了，天就黑了。光既然是在不停地赶路，那就一定是有速度的。如果光有速度，它的速度是多大呢？第一位想到要对光速进行测量的人，肯定不同凡响。人类有记载以来第一个测量光速的人是伽利略。伽利略在自己的著作中，写下了测量光速的办法，其大意是这样的：声音的快速运动使我相信，光的运动必然是非常迅捷的，我想到的测量光速方法是这样的。黑夜里，让相隔一定距离的A、B两人，各将一盏灯放入黑灯笼里，灯笼前有一块可打开的遮挡，叫灯遮。当A打开灯遮，B看到A灯的灯光时，就即时地打开自己的灯遮，让A看到B灯发出的光，两人就以这种方式让光信号持续地相互传递。如果A或B均能连续不断地看到光的传播，说明光是瞬间传递的，速度为无穷大；如果A或B的看到光的传播不连续，有间断，则说明光的传播是有限的速度，测出传递中间断的时间，就可以测得光速。当然，若要测量精确，可让A、B相距很远，用望远镜帮助观看灯光。由于光速要比伽利略预料的速度大很多，在这样的实验中，人操作所用的时间早就掩盖了光在短距离中行进的时间，因此，伽利略测量光速的尝试失败了。至此，读者也可以掩卷一思，当作一个智力测验题，看自己能否想出一个测量光速的办法来，哪怕是一种很难实现的方法，来考查一下自己的智力，也许通过你搜肠刮肚的沉思，就会体会到下面介绍的这些方法是多么地智慧。我想说，想出这些方法的人，都是人类中的智者。自伽利略以后，人们首先想到测量光速的方法是在广袤的天体间。因为在地球表面的测量距离太短，至多几千米，而光速很大，测量光速很难做到，而天体间的距离大，测量的时间间隔就会大一些，光速也就容易被测量到。第一个用天文的方法测量光速的人是丹麦天文学家罗麦。年，罗麦观察木星最里面那个卫星——木卫一，发现它并不是以相同的运动状态被地球上的观测者观测到。人们反复地观察到木卫一被木星掩食（当木卫一转到木星的背面，地球上观察不到木卫一天文现象）的周期会有所变动。当地球运动到太阳和木星中间时，比如太阳在地球的左边，地球在中间，而木星在地球的右边，地球上观察到掩食的周期约为42小时；又当过了半年以后，地球跑到太阳的左边，木星在太阳的右边时，掩食的时间要滞后22分钟，这个差值罗麦认为就是光多通过了地球绕太阳公转轨道的直径而产生的，公转轨道的直径的估值是2.83×厘米，由此可以计算出光速C=2.83×10^13厘米/22×60=2.14×10^10厘米/秒他的计算只涉及地球绕太阳公转轨道直径，没有涉及木星的轨道直径变化等因素，因此计算的值不大精确，但确实向世人表明，光传播是有一个有限速度的。年，英国天文学家布拉德雷对一些位于我们天顶的恒星（特别是天龙座γ恒星）观察其位置有明显的季节性周期变化，称作“光行差”现象。对于这一现象，我们可以作一个粗浅的比方，在无风的下雨天，你站在房檐下，看到雨线是垂直向下的；你若骑车向东行，雨像是从东方上空过来的；你若骑车向西行，雨又像是从西方上空过来的。由于车行方向不同，你就会感到雨线方向的差别。由于地球绕太阳公转方位的周期变化，你将会观察到的某个发光的星体在天穹位置发生的变化：有时在你的这一边，有时在你的那一边。这就是“光行差”现象。垂直向下的光束其速度是C，地球绕太阳公转的速度是V，观察者观测到星光射来的偏角若是α，则Tanα=V/C。地球绕太阳公转的速度V为30公里/秒（地球自转所产生的速率比之于公转要约慢倍，此处可以略去），布拉德雷测定某星体的倾角α为20秒，1度为60分，秒，Tanα≈α，可以计算出光速C。C=V/α=3×10^6/（20/×1/57.3）=3.1×10^10厘米/秒（注意，这里要化作弧度计算，10=3.14×2/=0.=1/57.3弧度）这一结果与现代的数值相比已经很接近了。年，法国物理学家菲佐第一个在实验室内完成了对光速的测量，到了19世纪70年代科尔尼又对实验进行了改进，此方法有清晰简单的思路：用一个快速旋转的齿轮，让一束光通过两齿间的某个间隙，再发送到几千米之外的一面反射镜反射回来，反射回来的光又恰好射入与发送出那个光束间隙相邻的间隙被接收到，如果转过的角度是Δφ，齿轮的角速度是ω，则来回所用的时间是Δφ/ω，齿轮到反射镜的距离若是L，则光速就是C=2L/(Δφ/ω)这里的旋转齿轮也可看作是这束光的开关，利用这个开关来测定一个闪光通过2L路程所用的时间。年科尼尔测得的光速是2.×10^8米/秒。年，傅科利用旋转镜进行了光速测量。测量的方法大致是这样的：狭缝右边有一光源S，当细窄的光束从狭缝中射出后，向左通过一个半涂银的镜M1后，透射出来的光束沿水平方向射到一个旋转镜R上，当R静止时，射到R镜上光束可以反射到它右下方的一个球面镜M2上，再通过M2的反射到R，由R再回到M1上，并有M1反射到它正下方的接收器O中成像。如果R在旋转，从M2反射回来的光因为旋转镜转过了一个角度，O处观察的像就会发生偏移,而且，光在飞行的时间内转过的角度越大，观察到像的角位移也就越大。傅科根据R到M2的距离L，像的角位移和R的角速度就可以计算出光速C的值。美国科学家迈克尔逊在他的科学生涯中花费了很多时间研究如何精确地测量光速。年，他得到的结果是（2.±0.）×10^8m/s。迈克耳逊对这一结果仍不满意。于是，在他生命的最后几年里，与同事对真空中的光速进行了直接测量。他们利用1英里（1.公里）的隧道，并把它抽真空，测量光在此隧道中往返次数的时间。年测量给出的光速为2.×10^8m/s.的结果。光速的测量，从伽利略到迈克尔逊，测量方法的不断进步，也是近代科学发展的一个标识。年，在巴黎召开的国际度量衡大会，正式确定了光速的值，被定为m/s，作为一个公认的结果，不管以后的测量如何精确，都不加改动。我们通常总说的光速值是每秒30万公里，或写作3×10^8m/s。

02二、惯性系

为了讨论光的运动性质，我们先要从讨论一般物体的运动开始。对于一般物体的运动描述，首先要介绍一个讨论物体运动的第一概念——参考系。运动在普遍的意义上是相对的，每一个物体无论是静止还是运动，都是相对于一个参照物而言的，若不选定一个参照物，对一个物体的运动将无法描述。通常人们总是习惯选定一个与地球固定不动的物体作为参照物：跑百米，跑道就是参照物；旅行，城镇、村落就是参照物；日常生活中，你的家通常就是你和你的家人活动的一个参照物。为了能方便、精确地描述运动物体的位置、位移、速度，还有必要在这个参照物上建立一个恰当的坐标，物理上称作参考系。物理学中描述物体运动，指出运动变化及所遵从的规律，这些定量的表述都是相对于一个具体的参考系而言的。因此，参考系成为人们方便地描述或研究物体运动所使用的一个有效的工具，也是力学理论中一个最基本的概念。在物理学中讨论物体的运动，还有一个重要的概念——惯性系。所谓惯性系，就是没有加速运动的参考系。我们在实验室观测、研究一个物体的运动，通常选择一个与实验室固联的静止参照物作为参考系，这个参考系就是惯性系。选择惯性系最便于对被考察物体的运动描述，如果选择一个参照物自身有运动的快慢、方向的变化，即选择一个有加速运动的参考系来描写另一个物体的运动，显然不方便，因为这样的选择甚至对一个静止物体的描述，都会遇到麻烦。然而，要找到一个理想中的绝对没有加速度的参考系是很困难的，严格地讲并不存在。上面说到的与实验室固联的参考系，实际上就是选择了一个与地球固联在一起的参考系，而地球并不是一个没有加速的参考系。当你跑到地球的外面，来看与地球固联的任一个参考系，都是有加速度的：地球在自转，引起的加速度赤道表面为3.4×10^-2m/s^2；地球还绕太阳公转，公转引起的加速度为3.0×10^-10m/s^2；太阳也在绕着银河系的中心以25×10^4m/s在巡行，有加速度；这个银河系又以6×10^5m/s的速度向室女星系团的方向运动，这个运动过程也有加速度，而且，这个星系团也是在运动着的。由于引力的普遍存在，宇宙中的星体若不相互转动和运行，迟早会被引力拉到一起，因此天体都会有转动，而转动就会有加速度。这就是说，在宇宙中找不到一个星体参照物，在上面固联一个参考系是一个真正的没有加速运动的参考系，这种无加速的参考系只能是在人们的想象中。因此，宇宙间并不存在绝对意义上静止的、无加速运动的参考系，而只有一个具体的、近似的无加速度的参考系。因为地球既有公转又有自转，严格地讲不是一个惯性系，但因加速度很小，因此与它固联的参考系可以近似地看作是一个惯性系。地球上的人们研究大量物体的运动，大都是把这样的参考系作为惯性系的。当然，因为太阳的加速度更小，与太阳固定的惯性系会比与地球固定的惯性系“品质”更好些。由于运动的相对性，在牛顿理论中，一个静止的参考系与一个相对于它作匀速直线运动的参考系，二者是等价的，它们之间没有区别，都可称作惯性系。这一点对初学者往往想不通，脑子里会出现这样一些错误的场景：在一艘高速（匀速）航行的船舱里，若要把一个球向船头抛会扔不远，因为船头往前跑；向船后抛就会不费劲，扔得很远，因为船尾迎着球；……伽利略在他的著作中最早指出这些现象是不存在的。他的著作中，有人类首次关于惯性系的形象、精彩的描述：“把你和你的朋友关在一条大船甲板下的主舱里，让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其他的小飞虫，舱内放一只大碗，其中有几条鱼。然后，挂上一个小水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐中，你把任何东西掷给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向那个方向跳出的距离都相等，当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进（即使船运动相当快），只要运动是匀速的，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。……鱼在水中游向水碗前部用的力并不比游向水碗后部用的大，它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行，它们也决不会向船尾集中，并不因为它们长时间留在空中，脱离了船的运动，为赶上船的运动而显出累的样子。”如果有一架飞机，在稳定地沿直线匀速飞行（没有颠簸、没有转弯，或者说没有速度大小与方向的变化），在这架飞机的客舱没有窗户，也不能接受任何来自外部的信息，那么你在这个客舱里，无论做什么样的实验，都不能知道这架飞机是在飞驶，还是静止不动。这个客舱在力学理论中就是一个惯性系。当然这样的惯性系可以有无限多个。

03三、加速度在不同惯性系中是一个不变量

不同的惯性系，虽然是等价的，但它们之间因为有相互运动，对于同一个观测者，有些物理量就会有变化，而有些量则是不变的。在牛顿理论的范畴内，在不同的惯性系中，哪些东西是可变的，而哪些东西又是不变的，可以归纳以下三种情况。第一，在不同的惯性系中，观测同一物体的运动速度是不一样的。说得通俗一点，就是在不同速度的惯性系中，看到同一个事物的运动速度是不一样的。在E城的活动中，一个路基上的观测者，看到列车上的一个实验者沿列车前进的方向或相反的方向，水平抛出的一只垒球的速度，等于列车相对于路基的速度V加上（或减去）此球相对于列车的速度V’，即V±V’，称作伽利略速度变换公式。再举一例，旅客A坐在高铁列车上，从北京去上海，当列车向南行驶车速为V时，A也向南以速度V’向餐厅走去，列车上的人只看到A有一个向餐厅行进的速度V’，若路基正好有一位观察者，他测得A的速度将必定是车速加上A的速度，即V+V’。这个结论是指导我们行为的常识：因为没有V，A将到不了上海；没有V’，A将去不了餐厅。正是这类被长期实践证明了的“真理”，就成为了指导我们日常行为的准则。第二，在不同的惯性系中，观测同一物体的加速度是一样的。在力学理论中，速度是位移对时间的一阶导，而加速度是位移对时间的二阶导。因为惯性系相互之间都是做匀速运动，显然，在不同惯性系中看到同一个物体运动的加速度都应当是一样的，因此加速度是不同的惯性系之间变换的不变量。第三，在不同的惯性系中，相关的力学定律是不变的。牛顿理论的核心是说在一个惯性系中，一个物体的受力与它的运动状态改变（加速度）之间的关联，既然加速度在不同的惯性系之间的变换是一个不变的量，这就表明牛顿理论中的动力学方程在不同的惯性中具有相同的形式，也可以这样说，牛顿运动定律不能区分不同的惯性系。这一思想称作伽利略或牛顿“相对性原理”。它在物理学的发展中起到了重大的作用。可以说，爱因斯坦的重要贡献，就是不断地扩充了这个原理的使用范围。

04四、光速是相对于一个特殊的惯性系？

我们先从一个数学方程对光或电磁波的描述，来看一下光速的大小。一个沿X轴传播的平面波的波动方程，是一个二阶的偏微分方程，方程中总包含有一个常数，是这个平面波的波速。对于真空中的电磁场来说，按照麦克斯韦在年发表的《电磁场的动力学理论》中的阐述，可以有相应的沿X传播的平面电磁波方程，也是一个形式一样的二阶的偏微分方程。相对应的波速用C来表示，C=1/√μοεο，式中的μο和εο分别是真空中磁导率和介电常数，用国际单位制代入这两个值的大小，可得此值为2.×10^8米/秒，正好就是光速的值。这说明了从麦克斯韦方程得到的光波波速和实验值吻合得很好。式中的磁导率μο和介电常数εο是两个不变的常数，显然与光源是否运动无关，与观测者在测量中是否运动也无关，与光的传播方向、光的频率都不相关。这就出现了一个问题：这个方程中的光速或电磁波速度是对于什么样的参考系的呢？这像是摆在当时物理学家面前无法回避的一道试题，必须寻找一个合理的答案。为一个试题写的出答案，大都是由应试者脑子里储备的知识决定的。当时物理学家脑子储备了什么样的相关知识，就大致地决定了他们会提出什么样的答案，当然也会有灵光一现例外。在19世纪未到20世纪初这个时期，物理学家受波动力学观点的思想影响，认为波动是靠介质的振动来传播的，介质的振动传播了波形，也传输着能量，这就是波动。光的传播若不需要介质那是既无法理解、也是不能接受的事实。他们把光波与声波进行类比，仿照声波在空气中传播的力学模型，提出光也必须是在一种介质中传播的。当我们说0摄氏度的干燥空气中声音的速率是.3米/秒时，这个测量的结果是相对于与静止空气固联的参考系而言的；光速是依靠这种介质传播，它的速度C=（√μοεο）=2.×10^8米/秒，当然也就是相对于与这种介质固联的参考系而言的。那么，这是一种什么样的介质呢？笛卡尔把这种介质称作“以太”，后来的物理学家们也就把这种介质叫做“以太”，而且还估摸着它应当具有的性质。由于光速极大，以太应当具有非常强的恢复力的弹性介质，但它又不能对天体运动产生阻碍，因此还必须十分稀薄，质量极轻微，万物从其中穿越而不受阻碍。因此以太像是弹性极好、密度几乎为零、完全透明、充满了整个宇宙空间、没有任何运动的一种媒质。法拉第在电磁场中提出了力线的概念，他相信以太的存在，认为以太可能就是力线的载物；麦克斯韦相信以太的存在，认为光的传播靠以太，光就是依赖于以太传播的电磁横波。如果“以太”存在，光或电磁波是在以太中传播的，那么其速度就是相对于这个与以太固联的特殊参考系的，这就必然会引出两个重要推论。第一，根据伽利略速度变换公式，如在以速度V相对于以太运动的惯性系中，观察者测得的光速应当不是C，而是在C+V到C－V的范围内变化的各种速度。第二，麦克斯韦方程中存在的不变的光速C，说明方程只能在与“以太”固联的那个特殊参考系中才能成立，而与这个特殊的参照系有相对速度的其他惯性系中，波速就会发生变化，其方程的形式也不是这个样子了。这样，电磁学理论不像牛顿理论那样，将不符合伽利略的相对性原理。这两个推论是否正确呢？这当然要由实验来检验。

05五、光速不变的实验验证

如果以太在宇宙中是静止的，而地球绕太阳公转，其速度为v，就可当作是相对于以太的运动速度。若在静止以太中运动的一束光，速度为c，由于地球有速度v相对于以太运动。按照伽利略速度变换公式，在与地球相固联的参照系中，应该能够测量到光速的变化。如果地球运动的方向与光束方向一致，测得的光速应是c-v；如果地球运动的方向与光束的运动方向相反，则测得的光速应是c+v。因为地球公转速度只有光速的万分之一，显然，在这种情形下要测量到光速的变化，就要有非常精密的测量仪器。年，这是麦克斯韦生命中的最后一年，他分析了在地球上测量光速的可能性。他指出，地面上测量光速的方法，应当是这样的：发射一束光，射向一面镜子，再由镜面反射回来。以太若是静止的，那么地球相对于以太的速度为V。这样在地球上测量光速可以有以下的情况。光行方向与地球运动方向一致，地球的速度为v，则测得的光速应是c－v；如果光行方向与地球运动方向相反，则测得光速应是c＋v；光行方向与地球运动方向垂直，则测得光速往与返的速度大小都是√c^2－v^2，只是光行方向相反而已。根据以上分析，麦克斯韦指出：让光线分别在平行和垂直于地球运动方向等距离往返传播，平行于地球运动方向所化的时间将会略大于垂直方向所化的时间。“略大于”是一个很小的量，容易分析就可以得到这个量是(v/c)2。这就是说，只有测得(v/c)2这样小的量，才能观测到在以太中行走的光相对于运动的地球速度发生的细微变化。因为v只的c万分之一，因此(v/c)2是一亿分之一的效应。若往返于水平与垂直之间的光程差在10米范围内，分析可知这个时间差约为3×10^-16秒。这么小的量的测量，显然让人们会感到束手无策。年，美国物理学家迈克尔逊按照麦克斯韦的指点，设计了一台光学干涉仪，这种仪器有非常高的灵敏度。迈克尔逊认为可以来完成这个实验。他通过这台精密的仪器把光线沿两个相互垂直方向往返产生的时间变化，转换成把一束光劈成两束光（一束平行地球运动方向，一束垂直于地球的运动方向）的相干，产生干涉条纹，再转动仪器，由于水平方向光行速度发生的变化，就会引起干涉条纹的移动。迈克尔逊根据地球的轨道速度v=30km/s，光行水平距离（水平仪器臂长）与垂直距离（垂直仪器臂长）均为1.2m，用波长为5.90×10-7米的单色的黄光，根据理论计算，干涉条纹应当有百分之四的条纹移动，但实验的结果观测到的条纹的移动量比预期值小，这个移动量很可能是实验中出现的误差。迈克尔逊经思考后认为：“实验结果只能解释为没有干涉条纹的移动。”年，迈克尔逊与一位化学家莫雷一起改进了实验装置，这次干涉仪更加精密，甚至可以测量出一株植物在1秒内的生长量，其精度达到头发丝直径的几千分之一。在这次实验中，光行水平臂长与垂直臂长增大到11米，用的仍然是波长为5.9×10-7米单色钠黄光。如果静止的以太存在，实验可以显示有十分之四的条纹移动，而实验中只要出现百分之一的条纹移动就可以肯定地探测到。迈克尔逊干涉仪经过一年四季、白昼黑夜进行的观测，结果都没有观测到干涉条纹的移动，实验揭示的事实是：根本不存在条纹的移动，或者说是干涉条纹移动是“零结果”，遗憾的是迈克尔逊本人却认为没有探测到以太相对于地球的飘移，其实验是失败的。迈克尔逊由于其创造的精密的干涉仪于年获得诺贝尔物理奖，成为美国获得此殊荣的第一人。自迈克尔逊的工作之后，一直到年，又有十多位科学家在不同的季节，不同的地点重复进行了实验，得到的都是“零结果”。到年，有人用微波技术做实验，年用穆斯堡尔效应做实验，都没有观察到干涉条纹的移动。迈克耳逊不仅测得了地球的运动对光的传播没有任何影响，而且发现光在真空中的传播速度是永远严格不变的，不管用什么样的系统来测量它，也不管发光的光源是不是在运动，也就是说在不同的惯性系中，测得的光速都是如此。如果把一束光比喻作一只“垒球”，它在那一个惯性系中的速度都一样，我想，当时除爱因斯坦之外，估计谁都很难说清楚这只“垒球”是怎么运动的，这似乎是在人类的经验之外无法理解的一种运动形态。光速不变的结果使不少物理学家都感到茫然与困惑，他们在思考着，这个问题的答案在哪里。

06六、光速是一切物质运动速度的极限

如果光速在各个惯性系中都是一样的，且与光源的运动也无关，则伽利略的速度变换公式就存在问题。19世纪未到20世纪初，荷兰物理学家洛伦兹探讨了在相互作匀速直线运动的参考系中速度变换公式，根据光速不变的性质，提出了所谓洛伦兹变换式：V=（V1±V2）/(1±V1*V2/C2)如果V1与V2是两个要相加的速度，比如这里的V1是列车的速度，V2是列车上的人奔跑的速度，若V1和V2同方向，则用加号；若V2与V1反方向，则用减号。合成的速度就是V，是相对于路基上的观察者看到列车上那个人的速度。从这个公式可以看出，如果原来两个速度都很小（与光速比较），则分母就是1，就得到了伽利略的速度变换公式。如果两个速度都不算小，能与光速相比较，则这个新的变换公式就与伽利略的速度变换的结果不一样了。设想有一辆跑得非常快的火车，火车的速度可以是光速的3/4，还有一个人在车顶上向前奔跑，他也跑得很快，也等于光速的3/4。按照伽利略速度合成的法则，人的速度可以达到1.5倍的光速，他应当能够赶上并超过路边的信号灯发出的光束，并跑到这个光束的前面。但实验告诉我们没有物体的运动能超过光速，此人的速度是不可能超光速的。按照新的速度变换公式，可得到合成速度是V=(3/4C+3/4C)/（1+9/16）=24/25C仍然是小于光速的。在一些特殊的场合下，即原来两个速度有一个等于C的时候，不管另一个速度多大，从上式中得到的速度仍然等于C。由此可见，不管是多少个速度相加，也不会超过光速，这一结论为实验所证实。而且，在这个速度合成公式中，如果有一个速度是C，则无论是加或减一个小于C的速度，合成的结果仍然是速度C，你不妨试一试。比如在上例中假定列车的速度是C，人在车顶上奔跑的速度是1/2C，则路基上的观察者看到车顶上人的速度将是（C+1/2C）/（1+1/2C×C/C2）=C；如果车顶上的人逆着车前进的方向奔跑，路基上的观察者看到他的速度将仍然是（C－1/2C）/（1－1/2C×C/C2）=C。类似的情况，如果有一个观测者坐在一艘与光速接近的飞船上向东飞驰，而此时正好有一束光经过他的身边，无论此光束与飞船的飞行的方向相同（向东）还是相反（向西），这束光相对于飞船上的观测者的速度都是C。从新的速度合成公式可以看到，与我们经验相符的伽利略速度变换公式，在低速的情况是完全成立的，它只能是这这个新变换公式的一种特殊情形。从高速运动物体的速度合成看，无论怎样合成，都不允许超过光速，如果新的速度合成公式为实验所证实，那么，光速就是物体运动的极限速度。在我们生活的宏观世界里，无论是物体的运动，还是机械波的传播，其速度都大大的小于光速。比如环绕地球的人造卫星，其运动速度只有光速的百万分之二十七；在温室下声波在空气中传播的速度只有光速的百万分之一。然而，在微观世界里，可以容易找到速度十分接近光速的粒子。用10Mev加速一个电子，这是在实验室里容易做到的事情，电子的速度就可达0.C。如果让电势差增加到原来的4倍，即达到40Mev，按牛顿理论计算，它的速度应能达到1.C，但其实际速度仍然低于C。它仅从0.C提高到0.C，增大了0.11%。实验告诉我们，牛顿理论在这里失效了，电子的速度不能超过光速c。年，有人做过一个实验，在这个实验中，一个接近光速运动的亚原子粒子，向前、向后都发射电磁波，按伽利略的速度相加方式，随亚原子粒子向前的辐射应当比向后的速度快得多，但实际的测量表明，两束辐射对于某实验室的测量者都是以光速C运动。当你拧开电灯的开关，光出现了，随即照亮了你的卧室。光不是从速度为零加速到C的，相反，它出现的那一刻便精确地以光速c运动，而且永不停歇，也永不减缓脚步。光速没有相对的意义，不需要参照物的比较。它与任何的实物物体运动都不一样，它似乎是这个物质世界中的另类，这显然是这个世界中极端离奇的事情，是匪夷所思的一种存在形式，也使整个科学界都为此震惊。光的这种性质确实让人难以理解，在19-20世纪之交的那些年里，曾有许多物理学家想尽办法来否定它，但都失败了。爱因斯坦接受了这个事实，由此也就解释了困扰了他10年的难题：为什么你无论以多大的速度去追光，光总是以光速跑在你的前头。爱因斯坦还发现，光速不变意味着牛顿的时空观要变，牛顿建立的物理学也要变。科学城里遇到的怪事(三)如果光速只有50公里/小时，会发生什么现象科学城里遇到的怪事——光速

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