到光速不变
第三章从经典的速度合成
到光速不变
上一章的核心问题是速度合成规律，它是经典力学的重
要规律之一。这一章我们来讨论，当从经典力学发展到相对
论时，速度合成这个概念应有怎样的发展。
首先我们要指出，经典速度合成规律的正确性是有限度
的。
现在，我们用速度合成公式来分析一下有关光的传播现
象。根据光学知识，我们知道，我们之所以能看到某个物体，
那是由于该物体发出的光（或者它反射的光）传到了我们的眼
睛里。不发光、不反射也不吸收光的东西，是不能被看到的。
下图表示
K及
K' 两个人在玩投球运动。K投球，K'接
球。K'看到球是由于球发出的（或反射的）光到达了
K'。当
球在
K手中静止时，如果球发出（或反射）的光的速度是
c，而
K与
K'的距离是
d，则
K'看到
K即将投球的时刻要比
K本
身即将投球的时刻晚Δt＝d/c。
当
K刚刚将球投出去时。球速为
u。如果光的运动也和
·19·
运动员投掷标枪一样，满足经典力学的速度合成律，那么，这
时球发出的光的速度应当大一点。是
c＋u。因而，K'看到
球刚刚从
K手中投出的时间要比
K作这个动作的时间晚
Δt'
＝d /（c＋u）。
图
3-1 投球运动中的怪现象
比较
Δt 和
Δt'，就会发现，由于
c＋
u＞c，故有
Δt' ＜Δt 。意思是说，
K' 会先看到
K已将球投出，随后才看
到
K即将投球。更形象地说，K'将先看到球飞出，而后才看
到
K的投球动作！这就是把前述速度合成公式应用到光传播
问题上得到的一个混乱结果，它使我们先看到后发生的事，后
看到先发生的事。然而，这种颠倒先后的怪现象谁也没有看
·20·
到过。这就证明，光速并不满足速度合成公式！
到过。这就证明，光速并不满足速度合成公式！
而
Δt及
Δt'实际上都近于
零。所以即使
Δt'＜Δt，也是觉察不到的。的确，在日常生活
中涉及的速度与光速相比都是很小的，把光速看成无限大上
述矛盾就没有了。但是，在天体的大尺度上，光速不能被认为
是无限大的，光传播中的矛盾就不可能避免。下面就是一个
真实的例子。
超新星爆发和光速
九百多年前。有一次非常著名的超新星爆发事件，当时北
宋王朝的天文学家做了详细的记载。据史书称：爆发出现在
宋仁宗至和元年五月（即
1054年）。在开始的二十三天中这
颗超新星非常之亮，白天也能在天空上看得到它，随后逐渐变
暗，直到嘉祐元年（公元
1056年）三月，才不能为肉眼看见，前
后历时二十二个月。这次爆发的残骸就形成了著名的金牛座
中的星云，叫做蟹状星云。
这条古老的记录同光速颇有关系。当一颗恒星发生超新
星爆发时。它的外围物质向四面八方飞散。也就是说，有些爆
发物向着我们运动（图中
A处）。有些运动方向则在垂直方向
（图中
B处）。如果光线服从前面所讲的速度合成公式。那么，
按照类似于对投球运动的分析即知，
A点向我们发出的光的
速度是
c＋u，而
B点向我们发来的光的速度则大约仍
是
c。
·21·
图
3-2 超新星爆发过程中光线的传播
这样，由
A点发的光到达地球的时间是
t＝L／c ＋
u，
而由
B点发的光到达地球的时间是
t'≈L／c。蟹状星云与
地球的距离
L大约是
5千光年，爆发速度是每秒
1500公里左
右。用这些数据来计算，很容易得到
t' －t ≈ 25年。
也就是说，我们至少在
25年里都可以看到开始爆发时所
产生的强光。然而，这是错误的，不符合事实的。历史的记录
是：岁余稍没，即一年多就看不见了。这就证明上面的推算
有问题。结论似乎应该是：从
A点或
B点向我们发射的光，
速度是一样的。即光速与发光物体本身的速度无关，无论光
源速度多么大，向我们发来的光的速度都是一样的。光速并
不遵从经典的速度合成律。
以太假说
对于上面的现象，可以有另一种解释。
如果我们仔细观察一下在海面上行驶的船，就会发现，由
·22·