爱因斯坦相对论可以穿越时空吗（真空中光速不变）

爱因斯坦的相对论已经发表了100多年了，现在已经是科学界公认的现代物理学两大支柱之一，然而仍然有很多人质疑相对论的正确性，其中反相人士质疑最多的就是光速不变原理。本文，老郭利用光行差分析以反证法来证明真空中光速不变。

之所以要用反证法，是因为目前测量光速的实验都是用光线往返双程的测量方法，这种方法为很多人所诟病。同时，利用反证法，只考虑光速变还是不变的问题，不考虑具体的光速是多少，怎么测量，交给别人去做好了。如果光速是变化的这个假设与我们观测到的现象相违背，这就证明光速是不变的。

图一、光行差的物理解释

如今，我们已经可以确定地球是太阳系的一颗行星，它同时拥有自转和围绕太阳的公转；太阳携带着地球和太阳系中的其它天体，位于银河系的分支悬臂猎户臂上，离银河系中心有2.61万光年，围绕银河系中心转动的速度约240㎞/s，2.26亿年转一圈。

当我们站在地球上仰望星空，由于地球的自转、公转、及太阳携带着地球在银河系中的运动，会造成光行差现象。地球公转造成的光行差较大，最大可以达到20.5角秒；地球自转造成的光行差，比周年光行差小两个数量级，约为零点几角秒；太阳绕银心旋转造成的光行差，约为13角秒，但方向不变；太阳系绕银河系自转造成的光行差，约为100多角秒，但周期很长。

本文以地球的公转造成的光行差现象来证明真空中光速不变。

图二、深空摄影作品

不论是天文爱好者架设的天文望远镜，还是太空中的哈勃望远镜，拍下来的照片中，所有的恒星都是一个个的小圆点、其相对位置保持不变，这说明了，第一，所有恒星的发出来的所有光线速度都相同。第二，同一个恒星发出来的所有光线速度相同。

先来看第一个问题：所有的恒星发出来的光线速度都相同。

让我们假设有两颗距离地球10光年，角视距为10'的两颗恒星A和B，分别发出速度不同的两种光线，其速度分别为v和v'，另v>v'，由于我们看到的恒星，没有灭掉又迅速亮起来的情况，可以看出，光线都是连续不断的，所以，我们在望远镜中可以同时看到速度分别为v和v'的光线。

设：恒星A发射出速度为v的光线，其发出时刻为0；恒星B发射出速度为v'的光线发出的时刻为t；恒星A在零时刻的位置为A；恒星B在t时刻的位置为B，这两个恒星的光线同时进入我们的望远镜当中。

由于地球的公转，如果我们采用恒星年作地球公转周期的话，那么地球公转的平均角速度就是每年360°，也就是经过365.2564日地球公转360°，即每日约0.986°，，其角速度约为0.041"/s。

所以，由于地球的公转带来的A、B之间的角距φ=ωt，

t=φ/ω=10×60÷0.041≈14635秒

v传播的时间T1=L/v=L/c=10（年）≈315 360 000（秒）

v'的传播时间T2=L/v'

T2=T1 t=L/c t=315 360 000 14635=315 374 635

v'=L/T2=0.999 954v（假设光线v的速度为300000Km/s）

则，v-v'≈13.8（Km/s）

前面这个分析过程我们可以看出，位于10光年处，相距10'的恒星A和恒星B，分别在0时刻和t时刻发出的光同时到达我们的望远镜，由于两颗恒星发出的光线有13.8Km/s的速度差，在地球的公转影响下，恒星在Δt时间间隔（地球观察者的时间）后发出的光线不能同时到达地球，将产生角视距变化。

换句话说，就是恒星在天空中的相对位置会发生变化。这与我们在望远镜中观测到的事实不符，人类从来没有从望远镜中观测到由于地球公转导致的恒星位置变化。

所以说，我们假设的命题“真空中光速可变”是错误的，因此，正命题“真空中光速不变”正确。

图三、深空摄影作品

再来看第二个问题：同一个恒星所发出来的光线的速度都相同

其证明过程与前面类似，这里就不详细证明了。如果同一个恒星所发出来的光线的速度不同，则由于地球的公转影响，我们可以看到一个线段，而不是一个亮点。这与我们观测到的事实相违背，所以正命题，同一个恒星所发出来的光线的速度都相同。

如果用地球自转数据，采用前面同样的方法，也能够得到同样的结果。

第一、天文学家的长期观测表明，任意恒星光行差都长期保持不变，光行差不随时间变化，所以光速也不随时间变化。所有恒星的光行差都为20.5〃角距，证明：所有恒星的光速都相同。

第二、1887年，美国物理学家阿尔伯特.迈克尔逊（Albert Abrahan Michelson）和爱德华.莫雷（Edward Morley）利用迈克尔逊干涉仪做了一个著名的实验，即迈克尔逊-莫雷实验。这次实验的结果是，光速在不同惯性参考系以及不同的方向都是不变的。

图四、迈克尔逊干涉仪的结构及光路

通过前面的分析我们可以看到，每一张星空照片，不论是专业的还是业余的天文人士拍摄的，也不论是地面上的，还是太空中的望远镜拍摄的的照片都能证明：同一颗恒星发出来的不同光线，以及所有的恒星发出来的光线，它们的速度都相同。

由此可见，爱因斯坦根据观测到的现象，大胆地把光速不变上升为原理，从而解决了麦克斯韦方程组中光速需要为常数的问题，也解决了争论不休的以太问题，是多么的睿智。如无必要，务增实体，这就是爱因斯坦当年的基本思路。

小伙伴们，你们看明白了吗？

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