§4-3　光速与光源的运动无关

我们知道，标枪运动员在投掷标枪前助跑可以提高投掷速度，行舟时顺流而下会加快舟的速度，而逆流而上则将降低舟的速度，两个运动速度会按照同向相加、反向相减的规律进行合成（见图4-27）。那么，光源朝向或者远离观察者运动会不会加快或者降低光的速度呢？这里，如果不做特别说明，我们所说的光速是指真空中的光速。

人们在对一些波动的研究中发现，在各向同性的介质中，这些波的传播速度与波源的运动速度无关，只与介质的性质有关。声波在空气中传播的速度约是340米/秒，在无风的天气，声源朝向或者远离观察者运动，观察者观察到的声波速度都是340米/秒。这个事实可以用下面的例子来观察。炮弹在空气中飞行时会产生呼啸声，高射炮炮弹的发射速度大于声速，如果声速遵循普通的速度合成规律，那么炮弹所产生的声音向后传播的速度将会小于零，炮弹射手将听不到炮弹的呼啸声，只能听到炮弹落地后的爆炸声，而在炮弹射击的目标方则既能听到炮弹的呼啸声又能听到爆炸声。同样，步枪射手也将听不到自己射出的子弹的呼啸声。事实上，炮弹和子弹的呼啸声在任何一个方向都能听到，说明声速并不遵循普通的速度合成规律。用石子打水漂时会在水的表面产生水波。如图4-28所示，在静止的水面上打水漂，作为波源的石子所产生的水波向外扩散的形状是圆形的，显示了水波向四周等速传播。如果水波向石子运动的前方传播速度快而向后方传播速度慢的话，由于石子的速度往往比水波的速度快，那么扩散的形状将不会是圆形而是向前方拉伸成很扁的椭圆形。这说明了水波传播的速度也与波源的运动速度无关。

在上面的例子中，波源的运动速度为何没有影响到波速？一个简单易于理解的解释是，波是振动在介质中的传播，声源发声与石子接触水面之前，空气和水并没有参与声源和石子的运动，而标枪在投掷脱手之前已经参与了运动员的运动，舟在划动之前已经参与了水流的运动，所以波速与波源的运动无关。好比坐在火车上的司令员下命令给铁路旁边的部队，一种方式是让火车上的传令员从火车上向前或者向后跑过去通知，另一种方式是让地面的传令员跑过去通知，那么前者传令速度因为传令员参与火车运动而与火车的速度相关，后者传令速度则因为传令员没有参与火车运动而与火车的速度无关。如图4-29所示，在以50米/秒速度前进的火车上，射击手分别向火车前方和后方射出速度为800米/秒的子弹，那么在地面上的观察者会观测到向前方射出的子弹速度为800米/秒+50米/秒=850米/秒，向后方射出的子弹速度为800米/秒-50米/秒=750米/秒。如果在火车上用喇叭分别向前方和后方播音，那么无风时地面观察者观测到向前后方的声音速度都是340米/秒。

运动光源的光速，是遵循经典的速度合成规律，还是类似声波或水波的波速与波源运动无关呢？根据麦克斯韦的理论，光是一种电磁波，是电磁振荡在空间的传播，振荡的电场在周围产生振荡的磁场，振荡的磁场又在周围产生振荡的电场，如此循环往复向远处传播。这个电磁振荡传播的速度是固定的，真空中的电磁波只与真空介电常数和真空磁导率有关。真空中的光离开了光源，就以这个固定速度传播，这个传播的速度并不因光源运动的快慢而加快或减慢。那么我们可以知道，光作为一种波动，与声波一样，光速与光源的运动速度无关。这是由电磁学原理和光的电磁波本性决定的。

由于光速实在太快了，对这一结论的实验验证是不太容易的。然而，还是得到了一些证据的支持。

（1）光行差的观测证据。

对恒星光行差的观测表明，不同距离恒星的光行差都相同，而且任意恒星的光行差都长期保持不变，说明光行差不随时间和距离改变。所以所有恒星发出的光的速度都相同，也不随时间变化。

（2）蟹状星云的观测证据。

蟹状星云（见图4-30及彩插）位于金牛座，是北宋时期一颗超新星爆发的遗迹，距离地球约6500光年，直径达11光年，并以约每秒1500千米（0.005c）的速度膨胀。史书《宋会要》记载了北宋司天监对这颗超新星（客星）爆发时的观测记录：公元1054年7月4日（宋仁宗至和元年农历五月二十六）早晨，一颗很亮的客星在猎户座上方的天关星附近突然出现。这颗星在开始的23天中非常之亮，在白天也能在天空看到它，随后逐渐变暗，直到22个月之后，肉眼才看不见。这正是超新星四散飞溅的爆发物质温度日益降低的表现。

地球上看到的强光来自于超新星面向地球方向的爆发物质。如图4-31及彩插所示，假设光速按照经典的速度合成律与光源运动速度相合成，那么地球上看到的亮光的速度将由从c到c+0.005c的各种速度组成（向反方向飞溅的爆发物质地球上基本看不见）。超新星初始爆发时产生的强光将在L/（c+0.005c）到L/c（L=6500光年）这一段时间先后到达地球，其持续时间至少为32年，这与历史记录爆发后一年多肉眼就看不见了相矛盾，说明光速并不遵从经典的速度合成律。

（3）双星的观测证据。

双星是由两颗恒星围绕共同的质心以相同周期旋转而组成的恒星系统。1913年荷兰科学家德西特观测和研究了双星系统，他提出如果双星朝向地球运动与远离地球运动时发出的光速度不一样，就会出现一些很奇特的现象。

如图4-32所示，假设双星的绕转周期为2T，到地球距离为L，一颗子星于时刻0在A处以速度v朝向地球而来，地球上看到它发出的光速度为c+v，该子星经过半个周期后（时刻T）转过半圈到B处以速度v远离地球而去，地球上看到它发出的光速度为c-v，那么地球上观察到子星经过A, B两处的时刻分别为L/（c+v）和T+L/（c-v）。注意到T+L/（c-v）＞L/（c+v）+T，就是说地球上观测到子星从A到B的时间大于半周期T。于是地球观察者会看到奇怪的运动：子星从A缓慢运动到B，然后却由B很快运动到A，两个半圆周的运动时间是不相等的。也可能B处发出的光线与子星再次到达A处发出的光线同时到达地球，那么地球上某一时刻就会同时看到该子星的两个像，双星就会变成四颗星。甚至可能发生B处与A处出现的次序颠倒过来等等各种怪异的现象。

然而在实际的观测中并没有发现双星运动忽快忽慢等各种上述的奇特现象。德西特假设双星朝向与远离地球发出的光速度为c±kv，并根据御夫座β星（五车三，其主星和伴星组成一个分光食双星）的观测数据算出k值应该小于0.002。他得出结论，光速与光源的运动速度应该没有关系。1914年，泽赫伦对双星的观测做出估计，得出k值应该小于10-6。1977年，布雷彻观测双星的X射线光谱，得到k值的新上限为2×10-9，在更高的精度上证实了光速与光源的运动速度无关。

然而，根据厄瓦耳和俄辛的消光效应，有学者认为，这样的双星系统通常为气体云所包围，我们所观测到的来自双星系统的光实际上是被气体云先吸收，然后再辐射出来的，所以穿越星际空间的光的速率并不受原始光源运动的影响。不过，随后对地面上高速运动的光源进行了实验，这才以令人信服的方式证实了光速确实与光源运动速度无关。

（4）地面高速运动光源测光速实验。

这个实验是最明确的检验相对论光速不变假设的实验。1964年，在瑞士日内瓦的欧洲联合核子研究中心，使用由不稳定粒子中性π介子组成的辐射源，以99.975%倍光速的速度行进（见图4-33），实验测得沿运动方向发射的光子速度为（2.9977±0.0004）×108米/秒。这一数值同对静止辐射源测得的最佳c值极其一致，实验误差为1.3×10-4左右。这个实验以非常漂亮的结果证实了高速运动光源发出的光的速度依然是c。