關于光行差和光線構成的思考

郁 犁 孫澤信

(1.南京地鐵建設有限責任公司 江蘇南京 210000；2.江蘇省地質工程勘測院 江蘇南京 210000)

光速和光線構成問題是本文探討的關鍵問題。本文從邏輯上進行探討，數(shù)學的描摹盡量簡化。

關于光速，理論（麥克斯韋電磁理論）和宇宙觀測（如典型的交食雙星觀測結果）表明光速和光源運動無關，即光的運動不疊加光源的運動，光速是扣除了所有運動的凈結果，其對應的參照系必然沒有運動或為絕對靜系（見本人《關于狹義相對論基本假設的思考》文章）。對于動系而言如地球的背景輻射的偶極異性（多極異性）和光行差表明動系光速可變，前者反映徑向變化；后者反映橫向（當然也有其他方向的改變）變化。換言之，背景輻射參照系可視為絕對靜系，而宇宙中所有星系無論其運動狀況如何均因光速不疊加其運動而指向并承認和證明該絕對靜系的存在。同時，星系的絕對運動和星系之間的相對運動都有了衡量的手段和標準，體現(xiàn)出宇宙一統(tǒng)、天地同理的自然、簡單、和諧局面。隨之而來，愛因斯坦光速不變原理在理論、邏輯和實測等方面均不成立，不糾纏于狹義相對論（如果光速不變原理成立，在經典力學和經典電磁學兩者中選擇符合洛倫茲協(xié)變的經典電磁學而對經典力學和其對應的伽利略變換進行閔可夫斯基時空修正是必然的、革命性的和可接受的），電動力學參照系不協(xié)變問題值得重新審視。

關于光線，除非光源和觀察者均絕對靜止（此時兩者連線或幾何直線和真實光線或該線上光子束合二為一），否則真實光線不是幾何上的直線，而是固定于相對運動空間兩點幾何連線上符合該幾何條件的光子束的集合，它是在空間延展成因運動形成的平面或曲面上一系列光子束的合成。這正是光的絕對運動或者相對宇宙絕對靜系傳播和星系運動合成的結果，也是光行差揭示的真實事實（見本人《關于光線的思考》文章）。

一、關于光線的思考

在本文序言的論證和邏輯基礎上，開始探討光線構成問題。就宇宙星系本動和星系之間因其本動產生相對運動而言，光源和觀察者相互關系復雜但可以窮盡不同運動和光線構成的關系。本文討論地球觀測星光和地球上產生光線（如激光）兩種情況，前者為星系本動和地球運動合成效應即光行差情況下的光線構成；后者為地球運動但光源和觀察者無相對運動的情況，其中光行差依然決定了光線的構成。

（一）地球觀測星（系）光

地球觀測太陽、月亮、各行星及其衛(wèi)星（反射太陽光）、比鄰星、銀河系（恒星）、河外星系的光，我們直覺自然地認為其發(fā)射的光線是觀測者和星（系）點光源（對于較近光源如太陽和月亮的余弦面光源視野范圍內的平行光束）連線上的真實光線。事實非但和直覺不符，而且因星系本動（背景輻射參照系則為絕對運動）和地球運動（背景輻射參照系則為絕對運動）呈現(xiàn)出復雜的光線構成方式。從光行差角度分析，遠處恒星本動將改變其光線（光子束）在背景輻射參照系的空間排列但不影響觀察者觀測，可視為點光源，其到達地球運動范圍內的光線為平行光線（陣）。地球在該光線陣中穿行，光行差具有普遍性，按觀測周期和地球運動形式，可分為周日、周年、繞銀河、絕對運動等光行差。本文以布拉德雷地球周年光行差為例討論如下。

地球日地軌道接近垂直方向天龍座伽馬星向該軌道面灑下一族平行光線陣，地球繞日運動和該星構成圓錐面，觀察者在該圓錐面和日地軌道截線（面）上按光行差20.5角秒方向拾取符合條件的光子束。觀察者得到的光線實際上是上述圓錐面上符合條件的空間光子束，而非宇宙背景輻射參照系中的真實光線。如果再疊加地球跟隨太陽繞銀河運動，其拾取的是進動圓錐面上符合100角秒左右的光子束；就地球絕對運動其光線是符合進動圓錐面上符合300角秒左右的光子束?？傊厍蛏瞎饩€是符合觀測線的空間光子束的截取或拾取集合。除上述特別情況不同星系真實光線和地球運動方向各不相同，但光線構成因光行差原因情況一樣，只是光行差角和空間面的對應改變。

上述光行差和地球上獲得星系光線的分析證明了本文序言論述，同時對電動力學分析結果如長度收縮、宇宙觀測如光譜等問題產生顛覆性認識（見本文后面分析）。

（二）地球上產生光線

本文討論激光，見下圖激光器產生的一束激光，該光線只要激光器不動，光線就不動；如果激光器動則光線隨之搖擺。似乎光線跟隨地球參照系或激光器一起運動，這和光不疊加光源運動好像不符。事實上，這正是光行差和光線構成問題。

激光器具有光線方向選擇能力，只有符合其諧振腔方向的光線才能被受激放大，這就確定了光的方向只和激光器指向相同；同時，地球運動使得從激光器發(fā)射的光線不是我們看到真實現(xiàn)象，該光線同樣是符合激光器運動面上拾取的符合其幾何條件即沿運動方向有光行差角的光子束集聚線。探照燈、投影儀等光學儀器產生的光束均同此理。

推而廣之，就日地體系而言，地球繞日運動過程中，具有公轉和自轉運動（赤道處自轉線速度400米每秒和公轉線速度30公里每秒，以公轉為主），就公轉而言地球穿行于陽光之中其接受和反射的光線符合上述1、2中分析結論。太陽的光線陣經空氣折射和散射后基本以原狀態(tài)進入地表并反射、再次折、散射而出。我們從兩個視角觀測，太空和地表：宏觀上，太陽發(fā)光和地球反光在地球看太陽和太空看地球時呈現(xiàn)出符合余弦面光源的性質，太空中可見地球呈現(xiàn)為一顆蔚藍星球，因而陽光的光線陣在地球構成的立體角范圍內縱、橫均勻，地球橫切該光線陣并拾取符合觀測方向宏觀為上述立體角范圍內的光子束；地面上，我們看到每一個陽光燦爛的景觀均為視野范圍內符合幾何的透視線上拾取的反射陽光束的集合（截取線不是真實光線，而是經光行差矯正光子束集合），就任一透視線而言，其光線構成和上述激光同理。

（三）小結

光行差普遍性具有兩個特性：一是絕對運動系在其運動方向略除或壓縮了星系光線的空間間隔（橫向空間疊合）；二是拾取光線方向和觀測方向存在光行差角（參照系轉動）。這種橫向和轉動效應與閔可夫斯基四維時空推導相對運動參照系洛倫茲變換的數(shù)學機理一致。

地球上觀測（拾?。┑男窍倒饩€是地球（絕對）運動軌跡線和星系光線（光子束）構成的空間面上符合星系和地球連線方向呈光行差角的光子束截取集合，它不是幾何上的線而是空間分布光子束的拾取點的集聚線；地球上任一束光線，無論接收、反射和產生，均非幾何的直線，而是符合幾何條件的光子束拾取和集聚集合。換言之，地球的絕對運動在沿其運動方向壓縮了背景輻射參照系的空間長度，其和光速比較壓縮了V/C，其空間效應就是洛倫茲收縮。然而，這種壓縮不是地球運動系的真實收縮，而是地球絕對運動沿其運動方向上的絕對空間掃描疊合。

二、關于邁克爾遜莫雷實驗零結果

對邁克爾遜莫雷實驗零結果與光行差現(xiàn)象的矛盾問題，洛倫茲認為存在一種物理效應即尺子在絕對靜系以速度v運動的時候，會沿運動方向有一個縮短；而與運動方向相垂直的尺，不產生這一效應。洛倫茲提出的收縮效應恰好抵消了地球絕對運動引起的光程變化，所以干涉條紋不會有移動。

事實上，按“一（三）”小結中分析，邁克爾遜莫雷實驗中的光線無論來自星系還是產自地球，其根本特性就是沿運動方向拾取符合幾何條件的光子束，在截取過程就截除（或壓縮）了沿運動方向的長度，其效應就是洛倫茲收縮，其結果就是邁克爾遜莫雷實驗的零結果。收縮比例就是光速和地球運動速度矢量差的模量和光速之比即洛倫茲收縮比例。因此沒有也不是空間沿運動方向的收縮，而是光行差的普遍性或者說光線構成恰好抵消了地球絕對運動引起的光程變化才導致邁克爾遜莫雷實驗零結果。事實上，晶體雙折射實驗也否定了上述洛倫茲收縮。

本文上述論證表明，邁克爾遜莫雷實驗的零結果正是地球絕對運動的描摹。當然，知道了光作為電磁波可在絕對靜止空間自行激發(fā)并脫離光源自行傳播，以太媒介成為多余，但“以太空間”或背景輻射參照系（絕對靜系）不能絕對地、教條地、武斷地否定，否則就違背了宇宙觀測事實和物理真實。

光行差的普遍性既是宇宙觀測事實，又是光只在宇宙背景輻射參照系按C速傳播和地球（包括其他星系）絕對運動系（和光運動合成）光速可變的直接證據(jù)。光速不變原理就是強行給每個動系綁定一個光速參照系并認為兩系一體，這種做法既多余又錯誤，事實上，各動系均指向唯一的光運動參照系（背景輻射參照系）。錯誤的光速不變原理按數(shù)學描摹就是四維時空類光間隔為零，其結果就是相對運動參照系之間相互認為對方有運動方向的鐘慢尺縮。

三、關于電磁方程參照系協(xié)變問題

（一）協(xié)變問題

對于電磁方程不符合相對運動參照系伽利略變換問題，有三種觀點：其一，麥克斯韋電磁方程只在絕對靜系成立；其二，麥克斯韋電磁方程和牛頓力學均應符合相對性原理，伽利略變換和牛頓力學要修正；其三，麥克斯韋電磁方程不正確，所以不符合相對性原理。下面逐一分析這三種觀點。

第一種觀點：1904年洛倫茲提出了新的坐標變換來取代伽利略變換，用這一變換可以推出洛倫茲收縮變換公式，并且麥克斯韋電磁方程組的形式在洛倫茲變換下不變。伽利略變換中的s系和s'系是任意兩個作相對運動的慣性系，它們的相對運動速度v與絕對空間沒有關系（但指向絕對空間）。而洛倫茲變換中的s系不是任意的慣性系，而是一個特殊的慣性系，是相對于以太靜止（就是本文的背景輻射參照系），也即絕對靜止的參考系。s'系相對于s系的運動速度v，同時也就是相對于以太（背景輻射參照系）的運動速度，當然也就是相對于絕對空間的速度。這正是本文序言中論述的邏輯和觀點，本文“一、二”中論證了s'系沒有運動尺縮，當然就不會有鐘慢結果，s系和s'系也沒有根本差別，對牛頓力學由于運動疊加兩系符合伽利略變換；對于電磁學方程由于光速只在s系中為c，表現(xiàn)為麥克斯韋電磁方程組的形式在洛倫茲變換下不變，而這種變換正是光行差和光線構成的必然結果，并非s'系的鐘慢尺縮。

第二種觀點：這是狹義相對論的觀點，即各系光速不變和慣性系等價，前者否定絕對靜系（當然也否定了該系時間）；后者指向相對性原理。本文認同慣性系等價，同時認為絕對靜系只是沒有運動的慣性系（它不優(yōu)越也不特殊）；對各慣性系光速不變而言，由于光速不疊加任何運動，因而各系均對應各自的絕對靜系，各絕對靜系由于沒有運動本質上就是一個系。本文序言和上述論證均否定了光速不變原理（或假設），故狹義相對論時空觀及其對牛頓經典動力學的修正結論值得探討。事實上，狹義相對論的兩個基本原理（或假設）光速不變起主導作用，它通過顛覆時空觀得出了洛倫茲變換，麥克斯韋方程在該變換下的不變就是必然結果。然而，洛倫茲變換下的相對性原理就必然要修改牛頓力學，這種修改是否符合物理事實成為關鍵。既然光速不變原理不成立且運動參照系不存在鐘慢尺縮，四維時空變換只能在數(shù)學上保持動體電動力學的形式不變而無需對不符合物理事實標量、矢量和張量進行改變。本文認為具有慣性的物質在任意慣性系中符合伽利略變換才有物理意義，對動體電動力學性質要從其是否符合運動疊加來判斷其是否符合伽利略變換才有探討的必要，否則就是線性空間和線性變換的數(shù)學游戲，同時當把相對運動參照系由于其運動差引起的空間沿其運動方向的疊合誤認為其相互指認的尺縮和借此產生的鐘慢時（閔可夫斯基四維不變時空），這種數(shù)學游戲就偏離了物理本質，這當然是不能接受的。

第三種觀點：麥克斯韋電磁方程要重新認識。本文換個視角來認識相對性原理，慣性系等價或者牛頓力學在一切慣性系中表達形式相同的本質就是慣性定律，其實質就是物質的運動疊加。光不疊加光源運動，光子靜質量為零，其必然只在背景輻射參照系中以c速度傳播；但這不影響其他動系光速可變測量，地球背景輻射的偶極和多極異性正是光速可變的證據(jù)和相對性原理符合的寫照。不過要格外注意參照系的選擇，對絕對時空觀的否定已經變得絕對化和教條化，以至于只討論相對運動的參照系，不承認絕對靜系也就無法就光現(xiàn)象的相對性原理進行闡述。就宇宙觀察而言，背景輻射參照系中光速不變；星系本動在此系中就是其絕對運動，不同星系的不同本動構成星系間的相對運動，這些運動均可由背景輻射的方向異性進行測量，這就構成了靜、動系中光運動的伽利略變換一致性。一般地，伽利略變換對慣性物質由于運動疊加可在任意慣性系中不變；但對非慣性物質如光則要追溯其所在參照系，前者由于有共同的疊加運動不必溯源；后者沒有共同的疊加運動需要溯源。

（二）電動力學

第一種觀點對應的電動力學，洛倫茲的電子論似乎更符合物理事實，應當研究采信。第二種觀點就時空扭曲來強行推動方程變換形式一致性不可取，導致很多物理量的改變和牛頓力學修正沒有必要。第三種觀點已在上述論述，經典電動力學要區(qū)分其有慣性的量和無慣性的量來確定參照系的選擇和變換的適用性。

總之由于光速不變原理不符合理論、邏輯和宇宙觀測，即便該原理導出的洛倫茲變換對經典電動力學適用，也不能在經典力學和經典電磁學中二選一，強行修改絕對時空觀和經典力學，這種數(shù)學描摹與物理事實不符。

（三）實驗驗證

本人和孫澤信《關于地球引力場方向零改變的思考》文章指出，引力場、靜電、磁場均和其慣性物質源同步運動；電磁感應只在相對運動中以凈運動（運動差）形式體現(xiàn)。此外，質量、介子壽命增加和其凈運動增加有關；鐘慢和運動的關系應為物理變慢，其參照的時間沒有變慢。光行差、背景輻射偶極和多極異性等均指向和支持本文論證。

四、關于星系光譜和宇宙膨脹問題

在“一”中論述的基礎上，討論星系光譜紅移問題。光譜是光線或一束光（衍射光譜的線光源同理）折射展開的結果，由于地球上獲取的星系光線是空間光子束的集聚線，它反映的是星系光線陣的空間特性。星系的星光在背景輻射參照系中傳播過程就是其面密度隨傳播距離呈平方反比；其波面任意截線上的線密度隨傳播距離呈反比。地球絕對運動除運動方向外，其獲得的光線均或多或少地沿星光波面拾取符合條件的光子束，由此獲得的光譜體現(xiàn)了星系光線陣的縱、橫向合成效應。星系的星光即使縱向不變；其橫向必定隨傳播距離呈正比變得稀疏。在一定范圍內，橫向稀疏不明顯故不影響拾取光線光譜；超過某個臨界范圍，星光的縱向分布不足以彌補其橫向間距的不斷擴大，拾取光線中光子束排列間距不斷拉大且和距離呈正比增加，其結果就是光譜紅移不斷加大并和星系與地球距離呈正比增加。這正是哈勃定律揭示的星系觀測結果，但其原因似乎不是星系退行或者宇宙紅移。隨星系距離繼續(xù)加大，當超過一定范圍，星系光線的拾取變得極其稀疏以至于不能構成光線而成像，則該范圍之外的星系將無法觀測，該范圍似乎又構成了和宇宙年齡無關的視界（該視界不會隨宇宙年齡增加而擴大，并且每個星系均有自己的視界）。視界之外的星系（假設其空間分布和視界之內一致且在宇觀上均勻）的星光如在宇宙年齡范圍內將以各向同性的背景輻射的方式到達地球（除我們測得的微波背景輻射外，似乎還應有某波段以外的連續(xù)波長的背景輻射）。

上述討論和初步結論恐難被學界認同，需進行實證，本文提出如下思路：

如光譜紅移是宇宙膨脹引起，則任意星系的紅移量會隨其退行量增大而增大，可對照歷史星系光譜型和當今觀測，在可對照的歷史跨度下，分析其光譜有無變化（在宇宙紅移提出100年的跨度內這種變化可能無法觀測）。

由于地球的絕對運動，沿其運動方向不同的觀測方位光線的拾取密度不同。沿地球絕對運動垂直方向光線拾取密度正切而稀疏影響最??；隨斜切角不斷增大或者和地球絕對運動方向不斷靠近光線拾取密度不斷稀疏；在地球的絕對運動方向上要么無光線拾取要么拾取同一光線。如宇觀范圍內星系分布大致各向同性，則地球上可觀測的同等距離范圍內的星系在其絕對運動方向上要比垂直方向上少。這可以由宇宙巡天資料得到證實。同時，同等距離范圍內星系光譜紅移程度在靠近地球絕對運動方向應比其垂直方向強，這也是可統(tǒng)計證實的宇宙觀測事實。

另外，可通過既有確定的星系距離、視星等（絕對星等）、光度學分析驗證光譜紅移和距離的幾何關系，從而證明本文光線構成和光譜紅移的關系，同時可幾何地、解析地、物理地給出哈勃常數(shù)（紅移距離比而非退行速度距離比）。

五、結束語

地球上獲得和產生的光線是地球絕對運動和絕對靜止空間真實光線陣合成拾取的空間光子束符合幾何條件的集聚線，這是光行差普遍性的結果。

洛倫茲收縮是地球絕對運動沿其運動方向按V/C截?。▔嚎s）絕對靜止空間長度的結果，不是地球絕對運動參照系的真實收縮，也沒有該系的時間膨脹，推而廣之，這是參照系相對運動差引起的共有空間疊合。愛因斯坦光速不變原理不成立，其鐘慢尺縮的洛倫茲變換不是物理真實，電動力學的相對性原理符合性要按洛倫茲經典電子論觀點理解。

只要星系光譜紅移不隨時間增加，則宇宙膨脹至少不在觀測階段存在。