对光速可变理论及其相关问题的解读
时间:2011年05月05日来源:科技日报 作者:记者 曹丙利
“现有实验均未直接证实光速与方向无关这一论断，几个天文实验反倒证实了与其相反的结论。因此，作为狭义相对论基础的光速不变原理是存疑的。”董晋曦教授是国内最先公开提出光速可变观念的学者之一，2011年第1期《前沿科学》发表了他撰写的《光速可变理论及其相关问题》。日前，记者就光速的“可变”与“不变”采访了董教授。
光速不变性并未得到实验的全面证实
记者：光速不变原理的主要问题在哪里？
董晋曦：物理学从本质上讲是一门实验科学，凡是可被重复性实验全面证实的观点皆可成立，而不能被实验证实的观点则只能是假设。光速不变原理恰恰就是这样一个未被实验全面证实的结论。它存在的主要问题是现有的各类检验光速不变性的实验仅仅证明了往返平均光速的不变性，而并未证实单向光速的不变性。因此说光速不变原理已被实验证实是不确切的，物理学界对此是公认的。这也就是光速不变原理常常又被称为光速不变假设的原因。正因为如此，爱因斯坦在这一问题上也显得不是那么理直气壮，不得不承认“相对论常遭指责，说它未加论证就把光的传播放在中心理论的地位，以光的传播定律作为时间概念的基础”。
简而言之，光速不变性并未得到实验的全面证实。这就是光速不变原理所存在的主要问题。
光速可变与绝对坐标系之间并不矛盾
记者：能否进一步解释为何物理学需要一个绝对坐标系？光速可变与绝对坐标系之间是否存在矛盾？
董晋曦：这里所说绝对坐标系，与经典物理学中的绝对坐标系是相似的。它指存在着一个绝对静止的与数学上的3维笛卡尔坐标系相似的坐标系。在这样一个坐标系中尺子的长度是不变的，运用它研究物体与物体之间相互关系时更易于比较，使问题的处理得以简化和更加符合物理学实际；而不会出现相对论中由于认为一切是真正相对的而出现的一些似是而非的现象，如“双生子佯谬”等等问题，因此物理学需要一个绝对坐标系。
光速可变与绝对坐标系之间并不存在矛盾。在光速可变理论中，认为光作为一种波动它的速度在绝对坐标系中是不变的；但是对于顺着光发射方向和逆着光发射方向运动的观测者而言光速则是可变的。即顺时观测到的光速变慢，逆时观测到的光速变快。这就像在静止的空气中传播的声波速度一样，它对于空气而言是不变的；但是对于迎着它飞行的飞机所测声速将会变快，而顺着它飞行的飞机测得的声速将会变慢，当飞机飞得足够快时（飞机速度大于空气中声速时），飞机上的人将听不到原来静止于空气中的声源发出的声音，此即超音速飞行。
董晋曦：光速不变概念对应于狭义相对论的基础之一“光速不变原理”，因此它是一个更为根本性的物理学概念。由于它是狭义相对论的两大基础之一，其重要性是不言而喻的。超光速概念主要针对由狭义相对论所导出的光速不可超越结论而言的（因为若超光速存在，则相对论的一系列公式将会由于出现无穷大而不能成立）。光速可变是更为本质和更大的一个概念，它可以包含有超光速概念在内，事实上超光速现象为光速可变增加了一种类型实验依据。
记者：光速可变理论可通过哪些实验进行验证？实验的难点在哪里？实验的重要意义是什么？
董晋曦：光速可变理论的核心内容“光速可变性”可以通过各种不同的光速测量实验进行验证。这些实验可以是天文学实验，也可以是地面实验室实验。天文学实验，如光行差实验、微波背景辐射各向异性及遥远星系的无线电波各向异性实验等已证实了光速是可变的，但是由于它们存在着精度还不够高，似乎也可以用狭义相对论进行解释，故这些天文学实验尚未得到主流学派的广泛认同。因此最好的实验应当是地面实验室实验，而这类实验中最直接最具说服力的实验又当属单程光速测量实验。
单程光速测量实验的难点除了要求极高的灵敏度与精度以外，最大的困难在于需要从原理上找到一种克服异地对钟中存在的逻辑循环的方法。当年伽利略正是由于无法克服这一困难而不得不用往返平均光速的测量代替单程光速的测量，至今光速测量中人们仍然沿用伽利略这一测量原理。我曾发表“单程光速测量原理及其实验方法”，提出了解决这一难题的方法，并设计了一种实验方案。
物理学是一门实验性科学，它的所有结论都应由实验结果给出。因此可以说，如果这一实验结果证实光速确实不变，那它将以一种最直接的方式证实光速不变原理，从而对相对论作出最强有力的实验验证；如果证实光速可变，那它的意义怎么说都不为过，因为人们将会对相对论提出质疑，从而促进物理学的新发展。
