十七,推导出光速和光源速度的函数关系
光速作为矢量,其方向是可以变化的。变化的原因恰恰是因为光速不变。
设想有两个参照系xoy和x'o'y',原点分别是o和o',在时刻为零的时候重合在一起。后x'o'y'系以速度V沿着x轴正方向匀速直线运动。

我们观察者静止在xoy系原点o上,而以上提到的质点o静止在x'o'y'的原点o'上。
有两个几何点px和py在0时刻,从o点出发,分别沿x轴和y轴以光速c远动。
这样质点o沿x轴以速度V运动,按照相对论光速不变的看法,在我们观察者看来,几何点px仍然以光速c沿x轴运动,但是,几何点py沿y轴的光速在我们看来发生变化,变成了√(c ²- v ²),v是V的标量。
这样几何点py在我们看来,总的运动速度为:
√【{√(c ²- v ²)} ² +v ²】 = c
可见几何点py在质点o运动时候沿y轴光速度的变化是光速不变决定的。
对于光速,我们要区分几何点相对于光源【或者质点】的速度和相对于我们观察者的速度。这里有3个速度,
1,质点o相对于我们观察者的运动速度是V。
2,在我们观察者看来,几何点相对于质点o的速度,沿y轴为√(c ²- v²),沿x轴为c - v.
所以在我们观察者看来,几何点相对于质点o的速度无论是沿x轴还是沿y轴都可以写为矢量式C - V。
3,几何点相对于我们观察者的速度,沿y轴为√(c ²- v ²),和速度V合成后,总的速度为
√【{√(c ²- v ²)}²+ v ²】 =c
几何点沿x轴为c – v +v = c,或者为:-c – v +v = - c
统一场论认为,光速度和光速率都遵守相对论的速度变换法则。统一场论对光速的看法,本质上不是和相对论相矛盾的,应该是相对论对光速的认识不够全面。
统一场论认为,光速度作为矢量是可以变化的,光源的运动速度V可以引起V垂直方向的光速度的变化。光速度C在V上的投影如果等于V,可以确保V垂直方向光速为√(c ²- v ²),这样光速度C和和光源速度V以及它们之间的夹角a满足以下函数关系:
cos a = v /c
由上式可以导出sin a = √(1-v ²/ C ²),这个实际上是相对论因子产生的原因。
总结统一场论对光速的看法,宇宙任何物体周围空间都以光速度C辐射式的运动,光是静止于空间中被空间这种运动带着向外跑的。
一旦光源相对于我们观测者以速度V运动时候,会引起与V垂直方向的光速度方向发生变化,光速度方向的变化不应局限于与V方向垂直的光线,与V夹角不为0、不为180°的光线,其速度方向均应改变。)
并且矢量 C - V和C、V满足直角三角形的关系,光速度C是斜边,V 和C- V 相互垂直。
十八、对洛伦茨变换和光速不变的解释。
洛伦茨变换是狭义相对论的基础,而洛伦茨变换中光速不变是主要依据,光速为什么不变?相对论没有深入解释,而是把光速不变作为依据展开对牛顿力学的修改。我们这里结合以上对光速的认识,用统一场论来给出解释。
首先我们给出洛伦茨变换的推导过程。
设有两个笛卡尔直角惯性坐标系s系和s'系,任意一事件在s系、s'系中的时空坐标分别为(x,y,z,t)、(x',y',z',t')。
在洛伦茨变换中y= y',z= z',为了简单所见,我们现在只考虑x, t,和x', t'之间的变换。
在下图中,x轴和x'相互重合,在t'= t=0时刻,o和o'点相互重合在一起, s'系的原点o'相对s系的原点o以速率V沿x轴正方向运动。

我们来求出由两个坐标系测出的在某时刻发生在x轴上p点的一个事件(例如一次爆炸)的两套坐标值之间的关系。
在s'系中测量,发生在p点的爆炸的空间、时间的坐标分别为x', t',也就是说爆炸发生在t'时刻,发生的地点是在x'轴上离原点o'距离为x'处。
在s系中测量,发生在p点的爆炸的空间、时间的坐标分别为x, t,也就是说爆炸发生在t时刻,发生的地点是在x轴上离原点o距离为x处。
在上图中,可以直观的看出
x'= x-vt (1)
x = x'+vt' (2)
按照伽利略相对性原理的思想,时间、空间长度的测量于观测者的运动速度v没有关系,上式可以成立。但是,相对论认为时间、空间长度的测量于观测者的相互运动速度v有关,所以(1)式和(2)式要分别乘上一个系数k和k'才能够成立。
x'= k(x–vt) (3)
x = k'(x'+vt') (4)
由于s系相对于s'系是匀速直线运动,因而我们应该合理的认为x' 和(x–vt) ,x 和(x'+ vt')之间的关系应该是线性的,所以k和k'应该是常数。
相对论的相对性原理认为物理定律在所有的惯性参考系中都是相同的。也就是说,不同惯性系的物理方程形式是相同的。所以k和k'应该相等。
对于k的值,洛伦茨变换用的是光速不变求出的。
设想由原点o(o')在重合时刻发出一束沿x轴正方向的光,设该光束的波前坐标在s系中为(x,y,z,t),在s'系中为(x',y',z',t'),以波前这一事件作为考察对象。
由于光速c在s系和s'系是相同的,有
x =ct (5)
x'=ct' (6)
由(3),(4),(5),(6)式联合可以求出洛伦茨变换:
x'= (x –vt) 1/√(1- v²/c²) (7)
x = (x'+ vt') 1/√(1- v²/c²) (8)
t'= (t–vx/c²)1/√(1- v²/c²) (9)
t= (t'+ vx'/c²)1/√(1- v²/c²) (10)
y'=y (11)
z = z' (12)
下面我们用统一场论对以上的光速不变x = ct, x'= ct'给出解释。
在以上的s系和s'中,设想在t'= t=0时刻,o 和o'点相重合时候,一个几何点p以光速c从o 和o'出发,过一段时间到达p点,对于几何点从o点出发达到p点这件事情,s系中的观测者认为,这个几何点走了路程x,用了时间t,而在s'中的观测者认为,这个几何点走了路程x',用了时间t'。由于时间与观测周围空间中几何点以光速走过的距离成正比(见前面的“三维螺旋时空方程”),所以有以下关系成立:
x/ x' = t/t'
由上式可以推理出x/ t = x'/t'
由于x/ t和x'/t'都是位移比时间,并且是几何点以光速c在运动,量纲是速率,所以
x/ t =x'/t' = 速率 = 光速c,
这个就证明了(5)式和(6)式中的光速c应该是相等的,这也说明了有一个与时间密切相关的速率c,在相互运动观测者看来c的值是相等的。
我们还有一个问题:就一个参考系来讲,为什么光速也是常数?这一点可以这样理解,时间完全的等价于观测者周围空间的运动,也就是
运动的空间 = 时间。
为了在物理上使“运动的空间 = 时间”成立时量纲不发生混乱,我们需要在时间前面乘上不随时间、运动空间变化的一个常数---光速,
运动的空间 = 光速乘以时间
对于两个相互运动的参考系来说,两个相互运动的观测者发现同一束光的光速是相同的(就是光速不随观察者、不随光源的运动而变化),原因是空间以光速运动,光是静止于空间中被空间这种运动带着向外跑的。
两个观测者都发现产生时间的运动空间的位移(光速中的分子)变化了,而时间(光速中的分母)一定随之同步变化【原因就是光速运动空间和时间是同一个东西,是我们观察者把光速运动空间叫了另外一个名字:时间】结果光速(数学上是一个方式,分子----几何点的位和分母----时间同步变化,这个分式的值不变)仍然不变。
可能有人认为光线可以向任意方向跑啊,那空间岂不是也向任意方向跑吗?描述任何运动需有参照物,空间的运动是参照谁呢?
空间的运动是参照物体的,我们描述空间的运动都是指某个物体周围空间是如何运动的。特殊情况下,没有物体,我们描述空间的运动是相对我们人的身体。没有任何物体的情况下,单纯的描述空间的运动是没有意义的。
下面我们再来考虑,一束沿x轴垂直方向运动的光的光速不变情况。
设想有一个物质点o处于某处空间区域里,我们以 o点为原点作一个二维直角坐标系oxy ,观测者甲相对于o点静止,当然相对于直角坐标系oxy 也是静止的。而观测者乙相对观测者甲以速度为v沿x轴作匀速直线运动,如下图所示:
