运动对光速以及声速的影响

自从麦克斯韦方程组推导出光速值为常数c之后的一段时期，物理学界认为常数c是电磁波在以太中的传播速度，是电磁波相对以太的速度，那么地球在自转以及公转过程中迎面吹来的以太风就会导致光源在不同方向发射的光波速率出现差异。为了寻找到以太存在的证据，迈克尔逊以及莫雷两人设计了相关实验用于测量不同方向上的光速差异，但是实验结果并没有发现不同方向上的光速存在差异。在此背景下爱因斯坦认为真空中的光速在任何惯性参考系中都是恒定不变的，与光源的运动状态以及观察者所在惯性参考系的运动状态均无关。并且在假设光速不变的基础上推导出时间膨胀、长度收缩、质量无穷大、黑洞奇点等匪夷所思的现象，与日常观测到物理现象严重不符。

当时一些科学家认为迈莫实验中的光源和仪器是相对静止的，如果光源以一定速度相对仪器运动，则光速将会改变。但反对意见认为，如果光速与光源运动状态相关的话，将无法解释观测到的“食双星”( “食双星”是指轨道平面与射向地球的光线平行的双星系统)。比如下图是某双星系统中的其中一颗恒星在不同轨道位置时的画面：

该恒星在a位置时以速度v远离地球，在b位置时以速度v向地球方向运动，当时一些科学家认为该恒星在a位置时向地球方向发出的光波速度为c-v，在b位置时向地球方向发出的光波速度是c+v，由于地球与双星系统相距很多亿光年，所以在b位置发出的光迟早会追上a位置发出的光，那么从地球上观测该双星系统，就会观察到运行轨道扭曲等现象，而实际观测并没有发现这种情况，所以物理学界普遍认为只有光速恒定不变才能解释“食双星”现象。

本文将“移动速度”定义为相对以太的速度，“运动速度”是相对观察者或者相对某个参照物的速度。

设地球表面静止光源发出的光波速率为c，根据光子论的《各向同速定律》：光源向任意方向发射的光波速率都与该光源在以太中的移动速率相同（此处光波速率是相对光源的）。可以得出静止光源在以太中的移动速度为光速c，所以地球在以太中的移动速度也为光速c(并不会导致质量无穷大，因为物体质量与它在以太中移动速度的平方成正比)，移动方向大概位于磁南极附近(具体方向需要实验验证) 。当光源以速度v相对地球表面运动时(不考虑地球自转以及公转的影响)，根据速度矢量叠加原理可以得出该光源发出的光波速率

等于c与v的矢量和(

，θ是c与v的夹角，

是光速的变量值，可以大于或者小于等于c)。

由于双星系统在以太中的移动方向总是与轨道平面垂直(下文有解释)，设双星系统的移动速度为c，由于轨道运行速度v与双星系统的移动速度c相互垂直，那么图中恒星在以太中的移动速度等于

(θ是c与v的夹角，θ=90°)，也就是说恒星在正圆轨道上任意位置向地球发射的光波速率都等于

，速率差为0，所以不会产生轨道扭曲。只不过远离地球时，发出的光波产生红移(频率减小，波长增大)，向地球方向运动时发出的光波产生蓝移(频率增大，波长减小)。所以在光速可变的理论基础上可以完美解释双星系统的光速问题，推导论证过程完全遵循经典物理学原理。 

也可以将上文图中的恒星替换为空气中飞行的飞机，在无风的天气，飞机以速率v在图中a点远离观察者，在b点以相同的速率v朝向观察者飞行，那么飞机在a点和b点向观察者发出的声音速度是相同的，只不过在a点向观察者发出的声音频率会降低、波长增大，b点向观察者发出的声音频率会升高、波长减小。如果观察者以速度u去追飞机(u的方向指向飞机)，那么观察者观测到的声速等于v+u，且观测到的声波频率增大、波长不变，所以当观察者的运动状态发生改变时，测量到的声速和频率也将发生改变，但观测到的声波波长依然不变。但是观察者以特定的角度去追飞机的话，比如设θ为v与u的夹角，且cosθ = u/2v，那么观察者观测到声速依然不变，但观测到的频率会增大、波长则减小(v和u均小于空气中的声速)。

声源运动状态以及观察者运动状态对声速的影响：

1、如果声源运动状态以及观察者的运动状态都不变，那么观测到的声速、频率、波长都不会变，此时观测到的声速与环境因素相关，比如空气温度、湿度、气压和空气密度等。

2、如果观察者运动状态不变，声源的运动状态改变了，那么观测到的声速就不会变，但观测到的频率和波长都将改变，频率和波长成反比(但在特殊情况下，比如声源环绕观察者做圆周运动，不管是逆时针还是顺时针运动，只要线速度不变，那么观测到的声速、频率、波长都不会改变)。 

3、如果观察者运动状态改变了，但声源的运动状态不变，那么观测到的声速以及频率也将发生改变，观测到的波长却不变。但需要注意在特殊情况下，比如设声波向静止观察者传播的速度为v，当观察者以速度u运动时，设u与v的夹角为θ，假设恰巧cosθ=u/2v，那么观察者观测到的声速依然是v，但观测到的频率增大、波长减小。

    声源以及观察者的运动速度均小于空气中的声速。

光源运动状态以及观察者运动状态对光速的影响：

4、如果光源运动状态以及观察者的运动状态都不变，那么观测到的光速、频率、波长都不会变；此时观测到的光速，与观察者以及光源在以太中的移动速度相关。

5、如果观察者运动状态不变，光源的运动状态改变了，但光源相对以太的移动速率没有变(比如恒星环绕双星的质心做圆周运动，虽然时刻在改变运动方向，但它在以太中的移动速率始终没变)，那么观测到的光速就不会变，但观测到的频率和波长都将改变，频率和波长成反比(不包括特殊情况，比如“食双星”的其中一颗恒星在近地点与另一颗恒星在近地点的运动方向是相反的，假设它们在近地点的线速率相同，那么这两颗恒星发出的光波，被地球观察者观测到的光速、频率、波长都是相同的，不会因为运动方向相反而改变)。

6、如果观察者运动状态不变，但光源的运动状态以及移动速率都改变了，那么观测到的光速以及频率也将改变，但波长不变，此时光速和频率成正比。

7、如果观察者运动状态改变了，但光源的运动状态不变，那么观测到的光速以及频率也将发生改变，观测到的波长却不会变。但在特殊情况下，比如设光波射向地球表面静止观察者的速度为c，当观察者以速度v运动时，设c与v的夹角为θ，假设恰巧cosθ=v/2c，那么观察者观测到的光速依然是c，但频率增大、波长减小(通常v远小于c，θ角非常小，所以频率和波长的变化可以忽略不计)。 

为方便深入理解运动与光速之间的关系，建议继续阅读以下内容：

迈克尔逊-莫雷实验证明了同一光源在地球表面(水平方向上)发射的光波速率都是相同的，不能随意将其结论延伸，该实验既不能证明以太不存在，也不能证明光速不可变。如果光速是相对光源的，那么当光源的运动状态发生改变时，光速也将随之改变。

带电粒子的电荷量与它的质量成正比，当质量变化时，电荷量也会发生变化(所以带电粒子的荷质比都是固定不变的)。电荷量的变化会导致真空磁导率μ0发生变化，而真空磁导率μ0的变化会导致麦克斯韦推导出的光速值

发生变化，可以间接证明光速是可变的。

假设宇宙在宏观以及微观领域都遵循经典物理学原理，由于真空中的磁铁可以互相吸引或排斥，显然真空中有一种介质可以传递电磁力，本文沿用20世纪之前的名称，将这种介质称为“以太”，并假设以太是一种可以被极大限度压缩的流体。

空气是由互相碰撞的气体分子构成，遵循动量守恒定律，根据相同的原理，以太也应当是由互相碰撞的粒子构成，本文将这种粒子称为光子，也就是说以太是由互相碰撞的光子构成，遵循的也是动量守恒定律。 

本文中的“刚体粒子”是指球形微观粒子，根据之前篇章可知只有荷质比最大的粒子才可能是刚体粒子，目前已知电子的荷质比最大，本文将电子假设为刚体粒子，质子和中子的荷质比小很多，说明它们都不是刚体粒子，都是由一些更小的粒子环绕其共同的质心而构成，这些更小粒子可能都是刚体粒子，也可能还存在更小的层级，但最小层级的粒子一定都是刚体粒子。

根据流体力学原理，球体在空气中旋转速度越快，其旋转中心的空气密度以及气压就越低，当旋转速度足够快时，其旋转中心可以形成真空。由于构成地球的刚体粒子以光速c在以太中旋转，而且宇宙已经存在很多亿年，说明刚体粒子的旋转中心应当形成了绝对真空(本文中的“绝对真空”是指既没有空气，也没有以太)，在以太中移动时几乎无法撞击到以太，阻力以及阻力系数极其接近0，所以由刚体粒子构成的物体、星体、星系可以在以太中长期存在。旋转以太风从电子的腰线擦边而过时的斜率等于两电子之间万有引力与电场力的比值，比值越小则阻力以及阻力系数也就越小（假设斜率完全为0，则阻力系数完全为0，那么万有引力将不复存在，而且粒子的寿命将无限长）。

当刚体粒子在以太中的移动速率发生变化时，显然它就会撞击到以太中的大量光子，从而辐射电磁波，由于电子的质量远大于光子质量，根据动量守恒可以得出电子发出电磁波的速率等于它在以太中的移动速率(此处描述的波速是相对光源的，移动速率是相对以太的)，由于地球表面静止光源发出的光波速率可以近似为c，所以地球在以太中的移动速度可以近似为光速c（根据电磁波产生的原理可知单个光子无法形成电磁波，如同单个水分子无法形成水波）。

旋转的粒子周围存在旋转的以太风，旋转以太风的方向就是环形磁场的方向，旋转以太风具有的向心加速度就是粒子的电场加速度。根据电子在磁场中运动时的偏移方向可以判断出电子是逆时针旋转的粒子(视线方向与电子运动方向相同)，质子是顺时针旋转的粒子。 

刚体粒子以速度

在以太中移动时，它的旋转速率总是等于移动速率

，且旋转轴总是与移动方向平行。

根据旋转定律可知，高密度的天体在以太中移动时一定会产生旋转(自转)，且旋转轴总是与移动方向平行，由于恒星的质量和密度相对较大，所以所有恒星都一定存在自转(天文观测也是如此)，星体密度越高则旋转角速度越大，假设某星体密度可以与电子密度相同(这只是假设，事实上是不可能的)，那么该星体的旋转速率将等于它在以太中的移动速率。可能有人会用史瓦西黑洞来反驳，认为现有理论支持存在不旋转的黑洞。首先目前所有观测到的黑洞均表现出显著的自转特征，尚未发现不旋转的黑洞案例。再者黑洞是通过求解引力场方程而得出来的，在数学上可以推导出黑洞，不代表物理世界真的存在黑洞，包括爱因斯坦本人都始终对黑洞持否定态度，他在文中写道：“史瓦西奇点并不存在于物理现实中，因为物质无法被压缩到无限密度的点。”（爱因斯坦时期还不叫黑洞，被称为史瓦西奇点）。而且哈勃以及韦布望远镜拍摄的海量星系照片，可以清楚的看到所有星系的中心都是明亮，没有黑点或暗点(已知的各种强行解释在逻辑上都是无法自洽的)。黑洞的所谓“照片”以及各种黑洞理论的相关问题不在本文探讨范围内，具体可以阅读光子论关于黑洞的相关篇章。

恒星自转时，其周围存在旋转的以太风，当旋转以太风扫过其它星体时，就会对该星体产生电磁力，也就是说旋转的星体之间除了有万有引力，还具有电磁力(只不过星体自转速度远远小于它在以太中的移动速度，所以太阳与地球之间的电磁力远小于它们之间的万有引力）。旋转以太风具有指向旋转轴的加速度，而引力场加速度指向的是星体质心，假设某星体环绕恒星的轨道平面不与旋转轴垂直，那么恒星对环绕的星体产生的引力场加速度可以分解为指向旋转轴的加速度分量以及与旋转轴平行的加速度分量，而与旋转轴平行的加速度分量产生的分力会将轨道平面拉成与旋转轴垂直(比如太阳系的行星轨道平面总是与太阳的旋转轴近似垂直)，所以星体系统在以太中的移动方向总是与该系统的轨道平面垂直，且轨道中心位于星体系统的质心，星体在此轨道平面运行时，与旋转轴平行的加速度分量等于0。 

恒星发出的可见光通常是由核外电子从高轨道向低轨道变轨时，撞击以太中的光子而产生的，设恒星在以太中的移动速度为c，由于电子质量远大于光子质量(且核外电子受到原子核束缚)，根据动量守恒可以得出核外电子撞击光子发出的电磁波速度等于电子在以太中的移动速度c，设变轨过程中的椭圆轨道周期为T，那么辐射电磁波的波长等于cT，频率为1/T，设变轨过程花费的时间为t，那么电磁波的波列长度为ct（波列长度可简称列长，波长与列长的区别就像弹簧的螺距与弹簧长度的区别），该电磁波的振幅等于轨道半长轴的长度。根据可见光的产生机制，结合各向同速定律即可得知上文图中的恒星在某一时刻向地球发射的光波速度只与该恒星在以太中的移动速度相关，不管是在图中a点还是b点，只要该恒星在以太中的移动速度不变，那么该恒星向地球发射的光波速率就不会变。

总结，双星系统的观测“证据”无法证明光速不可变，根据光子论的逻辑推理以及数学推导可得知光速是可变的，光源运动状态的改变可以影响光速值，观察者运动状态的改变也可以影响观测到的光速值。