为什么 Sagnac effect 否定了“相对光速不变”
为什么我说 Sagnac effect 证明了光的相对速度会随着观察者的运动而改变呢?考虑下面两个示意图(图 1 和 图 2)。从环下面的出发点 START 发出两束光,分别往上面跑。如果环不动,那么两束光就同时到达终点 END。如果光出发之后,环往右边转动了一些,那么左边的光由于“绝对路程”变长,就会更晚到达 END 处。这就是 Sagnac effect,它已经经过了实验证实,并且成功用于制造激光陀螺仪。
相对速度就是“相对路程”除以时间。这两种情况下,光的相对路程都是没变的,都是一个半圆弧的距离。但是旋转之后,左边的光到达 END 处需要更多的时间,所以左边的光的相对速度就变慢了,低于 c。而右边的光因为提前到达,所以相对速度变快了,高于 c。
有人可能惊讶,怎么可能超过光速 c?我们认为的“光速 c”其实都是说的绝对速度。这就像你开车速度是 80 km/h,对面来的一辆车速度是 60 km/h,对面的车相对于你的速度就是 140 km/h。如果你们相距 140 km(相对距离),那么你们会在 1 小时之后相遇。这就是相对速度的基本概念,其实这两辆车并没有变快或者变慢。相对论的前提就是光的相对速度不随观察者的运动而改变,而不只是说绝对速度。
Sagnac 的实验用的环状光路,只是为了让实验可以使用同一个光源,这样就可以用干涉的方式来得知两束光的路程差异,否则是不好测量它们的相对速度的。如果能找到两个完全一样的激光器,那你其实不需要环状路径。直接把两个激光器面对面装在一个底座上,让两束光相对发出。如果平移这个底座,那么这两束光相遇时,两者走过的路程就会因为底座的运动而发生改变,从而导致干涉条纹的移动。
使用环状光路的原因是因为制造两个完全一样的光源,能发出一致,可以发生干涉的光,是非常困难的。这样的技术从未实现过,所以只好用一个光源,把光分成两半,让它们发生干涉。这就是为什么 Sagnac 的实验使用的是环状光路。但相对论支持者就因此说它是旋转的,所以不是“惯性系”,以此诡辩方式来蒙混过关。