宇宙空间和绝对时间

1、宇宙空间和绝对时间十二章作者张贵平，电子邮箱englishbookstore,435918950 ; QQ：435918950。根据2009年发表的三篇论文整理撰写于2014年6月4日到17日。欢迎沟通。欢迎转载，同时请保持原文完整性。第一章 我们所生活的宇宙空间和时间1 “空间”概念的历史演变2 介质体的定义3 地球介质体4 太阳介质体，子介质体和母介质体的定义5 银河系介质体和宇宙介质体，n级子介质体和n级母介质体的定义6 时间的客观性绝对性，时间的内涵：时刻和持续时间第二章 光信号特征的主客观差异及其工程应用1 光信号开始时刻、持续时间、以及结束时刻的主客观差异2 光信号周期、频率和波长

2、的主客观差异3 主客观周期比例公式的应用范围4 多普勒效应和红移的原因5 频率主客观差异的工程应用：雷达测速公式第三章 介质体的内部独立性和外部相关性及其在天文学的应用1 介质体的内部独立性和外部相关性2 天文观测中红移的来源第四章 天体介质体的边缘凸透镜特性1 天体介质体的边缘凸透镜特性之一：折射作用2 天体介质体的边缘凸透镜特性之二：色散作用第五章 对Michelson-Morley实验的解释和修正，外壳测速法1 相对论对Michelson-Morley实验进行分析时犯的错误2 用修正后的Michelson-Morley实验测量光源相对介质的运动速度3 有有形外壳的子介质体对自己在母介质体

3、内的运动速度的测量：外壳测速法第六章 粒子和波的区别，超光速运动的粒子1 粒子和波的区别2 超光速运动的粒子第七章 天体运动中介质的阻力和推力，天体的来源1 行星运动中太阳介质的阻力和推力，行星和小行星是太阳定期爆炸的产物2 恒星天体和河外天体运动中介质的阻力和推力，银河系和宇宙不是爆炸产生的第八章 介质的运动和多普勒效应1 多普勒效应的简单统一公式，风速2 天体介质体中介质的运动，天体的红移量第九章 钟的同步1 钟的同步2 在介质体内客观静止的两只钟的同步3 在介质体内客观运动相对静止的两只钟的同步第十章 论动体的电动力学中关于时间的错误1 对论动体的电动力学原文前2节的总结和分析2论动体的

4、电动力学中关于时间的错误3 相对论“时间延缓”理论的错误本章附录：论动体的电动力学前2节第十一章 相对性原理的物理描述和数学描述、适用场合和不适用场合1 相对性原理的物理描述、适用场合和不适用场合2 相对性原理的数学描述第十二章 光速不变原理的内涵1 光速不变原理的几种不同的命题2 速度和速率，光的速度和光的速率3 光从光源传播到观察者的速率4 相对速度和相对速率5 光相对光源的速率6 光相对观察者的速率7 客观光速和主观光速8 主观光速的具体含义是光列车进入观察者的速率9 客观运动理论的客观光速不变原理第一章 我们所生活的宇宙空间和时间1 “空间”概念的历史演变地心说时代普遍的观点是，地球在

5、宇宙“空间”静止不动，宇宙中所有天体都围绕地球转动，地表是描述物体运动的唯一或最重要参考物体，用欧几里德几何学可以完备地描述物体运动。1543年，哥白尼出版天体运行论，日心说崛起。从此，人们知道，地球在自转的同时还围绕太阳公转。从哥白尼提出日心说开始，地表不再是物体运动的唯一参考物体。在描述天体运动时，地表失去了最重要参考物体的地位。在描述地表物体运动时，地表仍然是最重要的参考物体。但人们同时也知道，在地表上静止的物体，不仅是地球自转运动的一部分，也是地球绕太阳公转的一部分。因此，在地表上静止的物体，在“空间”并不是静止的。用欧几里得几何学不再能完备地描述物体运动。在失去了地表这个唯一参考物体

6、后，1687年，在自然哲学之数学原理（下面简称原理，在本书中指王克迪译、北京大学出版社2006年1月第1版）中，牛顿首创“绝对空间”和“相对空间”概念（请见本节附录），目的是提供描述物体运动时需要的“空间”。牛顿时代的人，还不知道太阳系在银河系中的运动这类更宏观的天体运动情况。但是，牛顿提出的“相对空间”概念，为我们完备地描述物体运动提供了一条很好的思路。从这个概念出发，我们可以去探索从小到大的各个“相对空间”：船舱相对空间、地球相对空间、太阳相对空间、银河系相对空间通过描述物体在船上的相对运动、船在地球上的相对运动、地球在太阳系的相对运动、太阳系在银河系的相对运动、等等，可以完备地描述物体运

7、动。牛顿时代的人，没有区分“在给定的空间内实物粒子密度很低但不为零”的实践上的部分真空（partial vacuum）与“在给定的空间内实物粒子密度为零”的理论上的完全真空（perfect vacuum），而是笼统地用了“真空”这个概念。例如，1641年意大利数学家托里拆利发明的水银气压计里的“托里拆利真空”被当作理论上的真空，但其实管内水银上面有水银蒸气，只是水银蒸气的气压极低。在原理第347页，波义耳羽毛和黄金同时落地实验中的真空管内的空间，以及天体空间，都被牛顿都当作理论上的真空。在没有区分部分真空与完全真空的同时，那时的人试图探索出以太这个绝对空间。牛顿的同时代人笛卡尔，把以太引入了科

8、学。以太是“一种没有诸如质量这样一些力学性质的媒质”，“各个部分被假设为相对于彼此是不能动的”1。这种对部分真空和完全真空不作区分的状态，一直延伸到爱因斯坦时代。在1917年出版的狭义和广义相对论浅说（下面简称浅说，在本书中指杨润殷译、北京大学出版社2006年1月第1版）第16页中，爱因斯坦把恒星际空间当作理论上的真空，而“真空中光的传播定律”即“光速不变原理”中的“真空”指的也是理论上的完全真空。爱因斯坦的同时代人阿尔伯特·迈克尔孙和爱德华·莫利，在地表进行了著名的迈克尔孙-莫利（Michelson-Morley）实验，目的是测量地球和以太的相对速度。对以太的探索结论是：

9、不存在以太。基于理论上的完全真空，在狭义和广义相对论浅说（下面简称浅说，在本书中指杨润殷译、北京大学出版社2006年1月第1版）第42-43页，爱因斯坦还提出了“四维空时连续体”的概念：“在相对论中，用四维方式来考察这个世界是很自然的，因为按照相对论时间已经失去了它的独立性。” 在当前的太空时代，我们已经有能力严格区分部分真空和完全真空。我们知道，地球上的各种真空容器只是部分真空，而不是完全真空。我们也知道，天体空间虽然实物粒子密度很低，但并不存在完全真空。月球表面的平均实物粒子密度是4×105个/厘米3，行星际空间是11个/厘米3，恒星际空间是1个/厘米3，星系际空间是1×

10、;10-6个/厘米3即1个/米32。作为参考，大气在海平面处的分子粒子密度是27×1018个/厘米33。对这些实物粒子密度，不同文献给出的数字也存在一些差异4。我们可以确定的是，在太空中，这些实物粒子是确实存在的。因此，各个天体空间不是完全真空的。在上面一段如此强调实物粒子在天体空间的存在，是因为这些实物粒子既然存在，就成了天体发出的光波的传播介质，就可以作为天体光源运动状态和观察者运动状态的参考物体。声波的多普勒效应取决于波源相对介质的运动速度和接收者相对介质的运动速度这两者5。在物质介质存在时，光波的多普勒效应和声波的多普勒效应类似6，也取决于光源相对介质的运动速度和观察者相对介

11、质的运动速度这两者，而不是取决于光源相对观察者的运动速度这一个因素。基于完全真空的相对论，在地球上和在太空中，都没有实践的“空间”。相对论的“四维空时连续体”没有实践价值。时间，在客观、绝对、独立地流逝，与空间和物质没有关系。光源和观察者相对介质的运动，会使观察者接收到的光波信号的主观特征，例如光波信号的持续时间、周期、频率、波长，不同于光源发出的光波信号的客观特征。主客观特征的差异，例如多普勒效应，取决于光在介质中的传播速度、光源相对介质的运动速度、以及观察者相对介质的运动速度，而不是取决于完全真空中的光速、以及光源相对观察者的运动速度。1John Stachel主编.爱因斯坦全集（第二卷）

12、.长沙:湖南科学技术出版社，2002，第223页2维基百科Vacuum词项，该词项后的参考文献中有这些数据的论文或书籍来源，限于篇幅这里不摘录。34赵江南编著.宇宙新概念（第二版）.武汉:武汉大学出版社，2002，第76页。第76页给出的行星际空间粒子密度是10个/厘米3，第141页给出的恒星际空间粒子密度是0.1个/厘米3，第252页给出的星系际空间粒子密度是1.5×10-12个/厘米3。5程守洙 江之永.普通物理学(下册)M.第六版.北京:高等教育出版社,2006.96996Ronald Lane Reese. University Physics(上册)（英文版）.北京:机械工

13、业出版社,2008.552-556本节附录：牛顿关于绝对空间和相对空间的论述及本书作者的注解，原文引用自原理第4-5页。 .绝对的、真实的和数学的时间，由其特性决定，自身均匀地流逝，与一切外在事物无关，又名延续；相对的表象的和普通的时间是可感知的和外在的（不论是精确的还是不均匀的）对运动之延续的量度，它常被用以代替真实的时间，如一小时，一天，一个月，一年。 （本书作者注：这里翻译的“延续”，英文原文为duration，原意是“持续时间”。由于“延续”一词内涵模糊，本书后面，将使用对应duration原意的“持续时间”。） .绝对空间：其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动。相对空间是

14、一些可以在绝对空间中运动的结构，或者是绝对空间的量度，我们通过它与物体的相对位置感知它；它一般被当作不可移动空间，如地表以下、大气中或天空中的空间，都是以其与地球的相互关系确定的。绝对空间与相对空间在形状与大小上相同，但在数值上并不总是相同。例如，地球在运动，大气的空间相对于地球总是不变，但在一个时刻大气通过绝对空间的一部分，而在另一时刻又通过绝对空间的另一部分，因此，在绝对的意义上看，它是连续变化的。 （本书作者注：这里，“相对空间”举了地球大气空间的例子。这个“地球大气空间”，在地球上不动，在太阳系中，却和地球一起，围绕太阳转动。牛顿时代的人，还不知道太阳系在银河系的运动、以及银河系在宇宙

15、的运动，而只知道“地球在运动”。因此，牛顿说：“在一个时刻大气通过绝对空间的一部分，而在另一时刻又通过绝对空间的另一部分。”可以说，这是把地球的公转空间太阳系当作了“绝对空间”。现在，我们知道太阳系在银河系运动、银河系在宇宙运动，太阳系和银河系不是地球所在的绝对空间。本章后面几节，将对“相对空间”有更具体的论述。） .处所是空间的一个部分，为物体占据着，它可以是绝对的或者相对的，随空间的性质而定。我这里说的是空间的一部分，不是物体在空间中的位置，也不是物体的外表面。因为相等的固体其处所总是相等，但其表面却常常由于外形的不同而不相等。位置实在没有量可言，它们至多是处所的属性，绝非处所本身。整体的

16、运动等同于各部分运动的总和，即是说，整体离开其处所的迁移等同于其各部分离开各自的处所的迁移的总和，因此，总体的处所等同于部分处所的和，由于这个缘故，它是内在的，在整个物体内部。 .绝对运动是物体由一个绝对处所迁移到另一个绝对处所；相对运动是由一个相对处所迁移到另一个相对处所。一艘航行的船中，物体的相对处所是它所占据的船的一部分，或物体在船舱中充填的那一部分，它与船共同运动；所谓相对静止，就是物体滞留在船或者船舱的同一部分处。但实际上绝对静止应是物体滞留在不动空间的同一部分处，船、船舱以及它携带的物品都已相对于它做了运动。所以，地球如果真的静止，那个相对于船静止的物体，将以等于船相对于地球的速度

17、真实而绝对地运动。但如果地球也在运动，物体真正的绝对运动应当一部分是地球在不动空间中的运动，另一部分是船在地球上的运动；如果物体也相对于船运动，它的真实运动部分来自地球在不动空间中的真实运动，部分来自船在地球上的相对运动，以及该物体相对于船的运动。这些相对运动决定物体在地球上的相对运动，例如，船所处的地球的那一部分，真实地向东运动，速度为10010等分，而船则在强风中扬帆向西航行，速度为10等分，水手在船上以1等分速度向东走，则水手在不动空间中实际上是向东运动，速度为10001等分，而他相对于地球的运动则是向西，速度为9等分。2 介质体的定义为了陈述上的明确和方便，现在给出介质体的定义：除了完

18、全真空,波的介质都是由微观粒子组成的。当一些粒子受到外界的制约被限制在一定的空间内,可以称这些粒子组成一个物质介质体。外界的制约可以是有形的外壳,如列车外壳把空气介质限制在列车内形成列车空气介质体。外界的制约也可以是无形的作用力,如地球的引力把空气介质限制在地球表面形成地表空气介质体。如果把列车抽成完全真空,列车介质体就是一个真空介质体。真空介质体内没有物质微粒,是非物质介质体。把物质介质体和真空介质体统称为介质体。通过“介质体”的定义，不论是实物粒子密度很高的固体、液体、气体，例如地球表面的玻璃、水和空气，还是实物粒子密度很低但不为零的部分真空，例如行星际空间中的等离子体，还是实物粒子密度为

19、零的、理论上的完全真空，就有了一个统一的概念。一个介质体就是牛顿所说的一个“相对空间”。可以把物质介质体分为存在有形外壳的地表介质体和不存在有形外壳的天体介质体。天体介质体，是太空中的天体以自己巨大的引力把大量微观粒子吸引在自己周围形成的巨大的、没有有形外壳的物质介质体。本书的第一章到第九章，主要论述物质介质体。由于不论在地球空间还是在天体空间都不存在完全真空，真空介质体只有理论价值没有实践价值。本书的第十章到第十二章，主要论述真空介质体。3 地球介质体地球引力不仅把适合人类呼吸的空气限制在地球表面，还在更大的范围内把更多的实物粒子限制在地球周围。把围绕地球转动的微观粒子，总称为地球介质体，表

20、示地球相对空间即地球介质空间。“介质体”一词，在描述空间运动上，比“相对空间”或“介质空间”更直观。围绕太阳公转的，不只是固液态地球，而是包括地表空气在内的整个地球介质体。固液态地球的赤道半径是6378千米，极半径是6357千米。固液态地球的地表之上，属于地球介质体的，不仅有包括对流层和平流层在内的低层大气，还有包括电离层和磁层在内的高层电离气体。低层大气中的对流层，在赤道上空的厚度为18千米，在两极上空的厚度为8千米。天气现象主要发生在对流层。对流层为人类生活提供了氧气和雨水，是我们生活的空间。从对流层顶部到离地表50千米高度处，为平流层。由于平流层里的臭氧吸收了绝大多数的太阳紫外线，平流层

21、是地球生命的保护层。普通飞机，需要有较高密度的大气支撑才能飞行，因此，只能在包括对流层和平流层的低层大气中飞行，而不能在高层电离气体中飞行。为穿越大气层和太空的界线（离地高度100公里的卡门线）而专门设计的航天飞机，则可以在飞行到高层电离气体中的电离层。高层电离气体中的电离层，离地表的高度为50千米到500千米。这里的地球大气，被来自太阳的粒子流、X射线、紫外线部分电离，能使无线电波发生反射、折射和散射。1901年，马可尼第一次实现了跨越大西洋的无线电通信，靠的正是电离层的反射。高层电离气体中的磁层，由于其中的分子和原子被完全电离、处于原子核和电子相分离的等离子态，通常不被当作地球大气层的一部

22、分，而把当作太空的一部分。因为太阳风的冲击，磁层的外形，不是球形，而是和同样被太阳风冲击形成的彗星外形更像。在靠近太阳的一侧，磁层只能伸展到固液态地球半径的10倍处，距离地面6万多千米。在远离太阳的一侧，磁层可以延伸到固液态地球半径的30倍处，距离地面19万多千米。赤道上空的地球同步卫星，距地面约3.6万千米，就处在磁层中。被地球磁场控制的磁层，挡住了太阳风和宇宙射线中的大多数粒子，让它们沿着磁层外围滑走。进入高层电离气体的太阳风和宇宙射线粒子，绝大多数又被磁层和电离层吸收，只有极少数进入低层大气。因此，磁层和电离层，也是地球生命的保护层。（也有人把磁层当作电离层的一部分。）由于磁层和固液态地

23、球一起围绕太阳公转，磁层里的电离气体，和电离层中的电离气体一样，无疑是地球介质体的一部分。但是，磁层并不是地球介质体的最外层。地球引力把磁层以外的很多微观粒子也吸引在地球周围，使这些粒子和地球一起绕太阳公转。由于月球被地球引力吸引并和地球一起绕太阳公转，可以估计，地球介质体的外缘延伸到月球以远范围，大约有四十万千米的高度。（月球离地球的最近、平均、最远距离分别是35.64、38.44和40.67万千米。）4 太阳介质体，子介质体和母介质体的定义把围绕太阳转动的微观粒子，总称为太阳介质体，表示太阳相对空间即太阳介质空间。我们平时看到的太阳发出的阳光，来自于太阳大气中的光球层。光球层厚约500千米

24、。光球层的物质为等离子态，密度相当于地球最高层的大气。光球层之下，从内到外，有中心核反应区、辐射区、对流层。从中心到光球层的太阳半径是70万千米。光球层之上，从里到外，是太阳大气中的色球层和日冕。色球层厚约2500千米，其喷发物即日珥，有时高达数十万千米。日冕的厚度，是太阳半径的10多倍。日冕的喷发物形成太阳风。等离子态的太阳风及其磁场所延伸的整个空间范围，为日球层。日球层的外缘，为日球顶，和恒星际气体、恒星际带电粒子及其磁场交界。在日球顶，太阳风的速度，从超音速减慢到亚音速。日球顶到太阳的距离，在165亿到240亿千米之间（110到160个天文单位。1个天文单位即1个日地距离，约1.5亿千米

25、）。2013年9月，“旅行者1号”探测器飞到了离太阳188亿千米的地方。太阳引力的作用范围，还要更远，直达3到10万个天文单位之外的奥尔特彗星云。从太阳到奥尔特彗星云的所有粒子，都跟随太阳绕银河系中心公转，都是太阳介质体的组成部分。需要说明的是，太阳大气的各个层和大气之上的各个层，与地球大气的各个层和大气之上的各个层一样，是有价值的科学概念，但其中的数据，并不是严格的科学数据。这是因为各层的厚度或高度并不是定值、在不同地方（例如地球的赤道和两极）是不同的，而且，各层之间没有明确的界限。本书后面出现的银河系和其它天体中的数据，也不是严格的科学数据。虽然数据不是严格的科学数据，但这些数据，以及与数

26、据相关联的概念，在我们对天体和宇宙进行观测和研究时，仍然是有价值的。离日1.5亿千米的地球相对空间，是太阳相对空间的一小部分。地球介质体，在太阳介质体中运动，是太阳介质体的一个子介质体。太阳介质体，是太阳介质体的母介质体。子介质体和母介质体的定义是：一个较小的介质体可以在一个较大的介质体内运动，称这个较大的介质体为较小的介质体的母介质体,称这个较小的介质体为较大的介质体的子介质体。在地球上空150万公里的拉格朗日平动点上绕太阳公转的SOHO探测器，在太阳介质体中运动，其内部空间，也是太阳介质体的一个子介质体。SOHO探测器介质体和其它人造介质体，与地球介质体和太阳介质体等天体介质体比较，区别在

27、于：人造介质体有封闭的有形外壳，外缘明确；天体介质体没有有形外壳，外缘不明确，相互之间，更存在着巨大的交界空间。例如，地球介质体和太阳介质体的交界空间，为磁层到月球以远范围的空间。又如，太阳介质体和银河系介质体的交界空间，为日球顶到奥尔特彗星云以远范围的空间。5 银河系介质体和宇宙介质体，n级子介质体和n级母介质体的定义把围绕银河系中心转动的微观粒子，总称为银河系介质体，表示银河系相对空间即银河系介质空间。银河系中心是直径约10光年（1光年=9.46×1012千米）的银核。围绕银核的，是椭球状的核球，横径1.2万光年，竖径1万光年。从核球向四面八方伸展的，是铁饼状的银盘，直径约10万

28、光年，厚5000光年。银盘的中央平面为银道面，上下大致对称。银盘中有5条旋臂。太阳位于银盘的猎户臂内侧，距离银心2.8万光年，但并不在银道面上。银盘以外，是直径约30万光年的银晕。银晕的物质密度比银盘要低很多，但由于银晕的体积比银盘大得多，银晕的质量超过银盘之内的质量。银晕外面，有物质密度更低的银冕，直径约68万光年。12从银心到银冕的所有粒子，构成了银河系介质体。如果一个天体子介质体围绕母介质体的中心公转,称这个母介质体为子介质体的一级母介质体，称这个子介质体为母介质体的一级子介质体。例如，太阳介质体是地球介质体的一级母介质体，地球介质体是太阳介质体的一级子介质体。如果这个子介质体的母介质体

29、又围绕母介质体的母介质体的中心公转,则称这个母介质体的母介质体为子介质体的二级母介质体。例如，银河系介质体是地球介质体的二级母介质体，地球介质体是银河系介质体的二级子介质体。如此类推，有n级母介质体和n级子介质体（n为正整数）。把我们现在和未来能够观察的整个宇宙中的实物粒子，总称为宇宙介质体，表示宇宙相对空间即宇宙介质空间。在银河系介质体和宇宙介质体之间很可能存在银河系介质体的一级母介质体和二级母介质体等等。地球在太阳系中以30km/s即约万分之一光速的速率公转,太阳在银河系中以220km/s即约一千四百分之一光速的速率公转3,银河系很可能以更高的速率在银河系介质体的一级母介质体内公转。但本星

30、系群不是银河系介质体的一级母介质体,因为银河系在本星系群中没有公转。本超星系团的动力学特征还有待进一步观测和研究，以确认其是否是银河系介质体的一级母介质体。通过描述一个地表物体在地球上的相对运动、地球在太阳系的相对运动、太阳系在银河系的相对运动、等等，可以完备地描述这个地表物体的运动。通过描述一个天体在各级母介质体中的相对运动，可以完备地描述天体的运动。至于宇宙介质体在牛顿所说的“绝对空间”的运动，这是个哲学思辩问题，而不是科学需要或可以解决的问题。因为，“绝对空间”不发出光波信号，无法观测、无法探究。宇宙介质体在“绝对空间”的运动也是天文学家无法观测、无法探究的。13苏宜编著.宇宙掠影天文学

31、概要.郑州:河南人民出版社，2006，第144-147页，第149页。2赵江南编著.宇宙新概念（第二版）.武汉:武汉大学出版社，2002，第160-162页。6 时间的客观性绝对性，时间的内涵：时刻和持续时间 时间是我们判断事件先后顺序和事件持续长短的标准。时间包括时刻t和持续时间两个内涵。时刻是事件先后顺序的衡量标准。持续时间是事件持续长短的衡量标准。光源或其它波源上在某一时刻开始、持续一定时间、在另一时刻结束的事件，是通过光波信号或其它波信号传播到接收者的。我们这些人，只有作为地球和太空光源或其它波源的有效接收者，才能有效观测我们生活的世界和地球所在的宇宙。由于光波信号和其它波信号从波源到

32、接收者的传播需要时间，接收者收到的信号的开始时刻和结束时刻，和事件在波源上的开始时刻和结束时刻都不同。如果波源和接收者相对介质有不同的运动速度，则接收者收到的信号的持续时间也不同于事件在波源上的持续时间。天文学家和物理学家，需要从收到的信号的“表象”主观特征中，恢复事件在波源上的本来客观特征，这些特征，包括开始时刻、持续时间和结束时刻，也包括周期、频率、波长、振幅、能量等。虽然存在光信号的主观特征和客观特征的区别，但时间本身是客观、绝对的，而不存在相对论所说的“时间延缓”。具体分析，请阅读下面的文字。第二章 光波信号特征的主客观差异及其工程应用1 光波信号开始时刻、持续时间、以及结束时刻的主客

33、观差异为了方便，后续的写作论述，一般将使用光波信号，在必要时或者使用电磁波信号。在阅读理解时，对光的描述，可以延伸到电磁波。由于声波等机械波与光波的区别在于机械波的传播要求介质的密度比较高而光波的传播对介质的密度没有这样的要求，在介质密度够大时，后续的写作论述，在阅读理解时，也可以延伸到声波和其它机械波。在一个介质体内，光源S(Source)上在某一时刻tS0开始、并持续一定时间S、在tS1=tS0+S时刻结束的事件，通过光波信号，传播到作为光波信号接收者(Receiver)的观察者R。设在该介质体内介质之间不存在相对运动，光波信号在该介质体内的传播速率是V，在tS0时刻观察者和光源的距离为d

34、SR0。在不同情况下，观察者开始收到信号的时刻、收到信号的持续时间、以及收到信号的结束时刻，是不同的。第一种情况：光源和观察者相对介质静止（速率VS=VR=0）。该光波信号，在tR0=dSR0/V+tS0时刻开始到达观察者并在tR1=dSR0/V+tS1时刻结束。在观察者这里，该信号的持续时间RseeS=tR1-tR0=(dSR0/V+tS1)-(dSR0/V+tS0)=tS1-tS0=S。在这第一种情况下，观察者开始收到信号的时刻比光源开始发出信号的时刻晚dSR0/V，观察者这里的该信号的持续时间和光源处的该信号的持续时间相同。这第一种情况，是光源和观察者相对介质静止而观察者相对光源也静止的

35、情况。第二种情况：光源和观察者相对介质分别以相同但不为0的速率VS和VR（VS=VR0）在介质体内从西向东运动,光源在西观察者在东，因此光波信号也是从西向东传播。在信号的前端从S向R传播的同时R也在向前运动，有V(tR0-tS0)=dSR0+VR(tR0-tS0),有tR0=dSR0/(V-VR)+tS0。在tS1=tS0+S时刻该波信号的后端离开S时，R离S有dSR1=dSR0+VRS-VSS=dSR0的距离。设信号的后端在tR1时刻到达R。有V(tR1-tS1)=dSR1+VR(tR1-tS1)，有tR1=dSR1/(V-VR)+tS1=dSR0/(V-VR)+tS1。在观察者这里，该信号

36、在tR0时刻开始并在tR1时刻结束，他认为该信号的持续时间是:RseeS=tR1-tR0=dSR0/(V-VR)+tS1-dSR0/(V-VR)+tS0=tS1-tS0=S。在这第二种情况下，观察者开始收到信号的时刻比光源开始发出信号的时刻晚dSR0/(V-VR)，观察者这里的该信号的持续时间和光源处的该信号的持续时间相同。这第二种情况，是光源和观察者相对介质运动但观察者相对光源静止的情况。第三种情况：光源和观察者相对介质分别以不同的速率VS和VR（VSVR，其中有一个可以为0）在介质体内从西向东运动,光源在西观察者在东，因此光波信号也是从西向东传播。在信号的前端从S向R传播的同时R也在向前运

37、动，有V(tR0-tS0)=dSR0+VR(tR0-tS0)，有tR0=dSR0/(V-VR)+tS0。在tS1=tS0+S时刻该波信号的后端离开S时，R离S有dSR1=dSR0+VRS-VSS的距离。设信号的后端在tR1时刻到达R。有V(tR1-tS1)=dSR1+VR(tR1-tS1)，有tR1=dSR1/(V-VR)+tS1。在观察者这里，该信号在tR0时刻开始并在tR1时刻结束，他认为该信号的持续时间是:RseeS=tR1-tR0=S(V-VS)/(V-VR)。在这第三种情况下，观察者开始收到信号的时刻比光源开始发出信号的时刻晚dSR0/(V-VR)，观察者这里的该信号的持续时间和光源

38、处的该信号的持续时间不同。这第三种情况，是光源和观察者相对介质运动而观察者相对光源也运动的情况。上面这三种情况，可以用公式（1）和（2）统一对待：tR0=dSR0/(V-VR)+tS0； 公式（1）RseeS=S(V-VS)/(V-VR)。公式（2）第一种情况是公式（1）和（2）中VS=VR=0时的特殊情况，第二种情况是公式（1）和（2）中VS=VR0时的特殊情况，第三种情况是公式（1）和（2）中VSVR时的特殊情况。在上述的第一种和第二种情况下，光源和观察者之间的距离一直没有变化，光波从光源和观察者的传播时间保持不变，一直有tR1-tS0=tR1-tR0，有恒定不变的光波信号开始时刻或结束时

39、刻的主客观差异，有恒定不变、主客观一致的光波信号持续时间。在这两种情况下，在不同时刻从同一光源发出的、有相同持续时间的两个光波信号，在观察者看来，有相同持续时间。在上述的第三种情况下，光源和观察者之间的距离一直在递增或递减，光波从光源和观察者的传播时间也一直在递增或递减，一直有tR1-tS0tR1-tR0，有一直变化的光波信号开始时刻或结束时刻的主客观差异。在这种情况下，在不同时刻从同一光源发出的、有相同持续时间的两个光波信号，在观察者看来，有不同持续时间。2 光波信号周期、频率和波长的主客观差异定义和一直光源在一起、理论上距离为零的观察者收到的该光波信号持续时间S为该光波信号的客观持续时间。

40、定义和光源不在一起的观察者处的该光波信号持续时间RseeS为该光波信号主观持续时间。不论光源和观察者是否相对介质运动，不论光源和观察者之间有多大距离，只要观察者相对光源静止，光波信号的主观持续时间就等于光波信号的客观持续时间。进一步，设光波信号客观持续时间S等于光波信号的一个客观周期TS，有S=TS=1/fS,其中fS是光波信号的客观频率，则该信号有客观波长S=V/fS。一个周期的光波信号不可能变成多个周期的光波信号，所以，在接收者看来，这个光波信号还是只有一个周期，但有主观持续时间RseeS=S(V-VS)/(V-VR)和主观周期TRseeS=TS(V-VS)/(V-VR)。定义主观周期和客

41、观周期的比例为y，有主客观周期比例y=(V-VS)/(V-VR)。（为了和工程中用英文字母f表示频率保持一致，也为了明确区分频率和速率，在这里用英文字母f表示频率。物理学中表示频率的希腊字母纽和表示速率的小写英文字母v太像，不利于区分。）进一步，设dSR0=S，在VS=0和VR=0时这一个周期的光波信号从前端到后端的距离是S，在VS=0和VR0时该距离是SV/(V-VR)，在VS0和VR=0时该距离是S(V-VS)/V，在VS0和VR0时该距离是S(V-VS)/(V-VR)。所以这一个周期的光波信号有主观波长RseeS=Sy。所以，由于光源和观察者的运动，光波信号的主观特征是主观持续时间Rse

42、eS=Sy，主观周期TRseeS=TSy，主观频率fRseeS=fS/y，主观波长RseeS=Sy。有RseeSfRseeS=V。不论光源和观察者是否相对介质运动，只要观察者相对光源静止，就有y=1。这时，除了开始时刻和结束时刻，所有光波信号主观特征，都和光波信号客观特征一致。只要VSVR，观察者相对光源运动，就有y1。这时，包括开始时刻和结束时刻在内，所有光波信号主观特征，都和光波信号客观特征不一致。在上面的论述中，VS、VR（VS=VR0）是光源和观察者在介质体内从西向东运动的速率,光源在西观察者在东，因此光波信号也是从西向东传播，光速（指速率）为V。进一步，可以用矢量V（黑体表示矢量）表

43、示光波信号从光源到观察者的传播速度（速度是既有大小又有方向的矢量），如果光源和观察者相对介质的运动速度VS、VR与光波从光源到接收者的传播方向在一条直线上、但方向相同或相反，则可以用公式统一表示VS、VR的方向与V的方向相同或相反的四种情况。作为衡量标准的V总是正数，VS和VR可以为0或正数,还可以是负数,在VS和VR的方向和光波从光源到接收者的传播方向相同时取正值,在相反时取负值，这时有主客观周期比例y=(V-VS)/(V-VR)。公式（3） 如果光源和观察者相对介质的运动速度的方向和光波从光源到观察者的传播方向不在一条直线上,要取运动速度在光波从光源到观察者的传播方向的分量来计算y,设S和

44、R分别是光源和观察者相对介质的运动速度与光波从光源到观察者的传播方向的夹角, 有y=(V-VScosS)/(V-VRcosR)。公式（4）3 主客观周期比例公式的应用范围，客观运动理论对公式(3)有VR<V和VS<V的要求。当VRV时,后面速率为V的光波信号不能追上前面速率为VR的观察者,所以观察者不能接收到这个光波信号。当VSV时,光源的运动速率等于或大于光波信号的传播速率,光源发出了光波信号但在光源的运动方向上波信号却不能有效离开波源,观察者也不能接收到这个光波信号。观察者要接收到光波信号,必须有VR<V和VS<V。这个要求并不表示VRV的观察者和VSV的光源不存在

45、,而只表示不满足这个要求时光波信号就不能传播到观察者。在介质中，超过该介质中的光速的光源和粒子运动是存在的。当带电粒子以超过介质中的光速（这光速小于真空中的光速c）的速度运动时，会辐射锥形电磁波，这种现象被称为切伦科夫辐射（Cherenkov radiation）。“利用切伦科夫辐射制成的测定高速粒子探测器，称为切伦科夫计数器，已广泛应用于高能物理学。”1对公式(3)没有要求VR>-V和/或VS>-V。在VR-V和/或VS-V的情况下,仍然能接收到光波信号。VR-V意味着观察者以大小大于或等于光速的速度向光源方向运动, VS-V意味着光源以大小大于或等于光速的速度在离开观察者的方向

46、上运动。这时仍然能够对光源进行有效的观测。例如，在VR=-V且VS=0时，有y=0.5。又如在VR=0且VS=-V时，有y=2。光源以大小等于光速的速率在离开观察者的方向上运动时，观察者能收到该光源发出的光波信号，且有为2的主客观周期比例。这不同于上一段中观察者以大小等于光速的速率在离开光源的方向上运动时观察者不能收到该光源发出的光波信号的情况（VR=V，是“当VRV时”中的特殊情况）。对公式(3)有VR<V和VS<V的要求。但对公式(4),只要VRcosR<V和VScosS<V,即使VRV和/或VSV,即使观察者的速率和/或光源的速率大于或等于光速,仍然能够对光源进行

47、有效的观测。例如，在VR=1.5V、cosR=0.5且VS=0时，有y=4。又如在VR=0、VS=1.5V且cosS=0.5时，有y=0.25。称在介质体内相对介质运动速率不为0的光源在介质体内处于客观运动状态。称在介质体内相对介质运动速率为0的光源在介质体内处于客观静止状态。同样,观察者在介质体内也有客观运动状态和客观静止状态的区分。客观运动和客观静止是单个物体的状态,和除了介质之外的其它物体没有关系。从光源到观察者的方向只是提供了客观运动速度的方向的衡量标准。把认为光源和观察者在介质体内存在客观运动的理论称为客观运动理论。如果VSVR,称光源和观察者在介质体内处于相对运动状态。如果VS=V

48、R,称光源和观察者在介质体内处于相对静止状态。相对运动和相对静止都是在和另一方的比较中确定的,是这两个物体的相对状态,与客观运动和客观静止有不同的应用范围。在VS=VR=0时,光源和观察者在介质体内都处在客观静止状态。在VS=VR0时,光源和观察者在介质体内处在客观运动相对静止状态。这两者是不同的。4 多普勒效应和红移的原因当光源和观察者因为一方或两方的运动越来越近时，观察者收到的信号频率会高于光源发出的信号频率；当光源和观察者因为一方或两方的运动越来越远时，观察者收到的信号频率会低于光源发出的信号频率。这就是光波的多普勒效应。由于光波可以在“真空”中传播,所以传统观点认为光波的多普勒效应取决

49、于光源和观察者的相对运动速度1。但是，由于不论在地球空间还是在天体空间，都不存在完全真空，“光波可以在真空中传播”的传统观点只在“部分真空”中得到证实，并没有在“完全真空”中得到证实。当物质介质存在时,光波的波长和传播速率受到物质介质的影响,光波的多普勒效应也受到物质介质的影响。决定物质介质体中多普勒效应的，是光源相对介质的运动速度和观察者相对介质的运动速度这两个因素，而不是光源和观察者的相对运动速度。在上一节第2段的分析中，有“在VR=0且VS=-V时，有y=2”的例子。这第一个例子说明，在光源以大小等于介质中的光速的速度离开静止的观察者时，光波信号的主客观周期比例为2，光波信号的主客观频率

50、比例公式为0.5。在上一节第1段的分析中，VR=V（VRV中等号成立时的特殊情况）且VS=0时，后面速率为V的光波信号不能追上前面速率为VR的观察者,观察者不能接收到这个光波信号。这个例子和前面的第一个例子反映了“观察者以大小等于介质中的光速的速度离开静止的光源”和“光源以大小等于介质中的光速的速度离开静止的观察者”的明显区别。在VR小于但约等于V（例如VR=0.99V）且VS=0时，后面速率为V的光波信号可以追上前面速率为VR的观察者,观察者能接收到这个光波信号,但主客观周期比例很大（在VR=0.99V时，有y=100，光波信号的主客观周期比例为100，光波信号的主客观频率比例公式为0.01

51、）。按照物理学对红移量的定义，有红移量z=(RseeS-S)/S,在介质体内y和z的关系是:z=y-1。有z=（VRcosR-VScosS)/(V-VRcosR)。定义光源和观察者的视向相对运动速度VSrRx为VSrRx=VRcosR-VScosS。视向相对运动速度的方向和光波从光源到观察者的传播方向相同或相反,相同时VSrRx>0,相反时VSrRx<0。在VSrRx=0时有z=0和y=1。这时光源和观察者并不一定相对静止,因为VSrRx=0只代表视向相对运动速度为0有VRcosR=VScosS而不代表VR=VS。这时光源和观察者可以有非视向相对运动速度。例如在刚体转动中,位于刚体

52、内任意两点的光源和观察者的距离不变,视向相对运动速度为0,观察者对光源进行观测时并不能发现多普勒频移。但光源和观察者却有不同的线速度,存在不为0的非视向相对运动速度。地球同步卫星波源和地面接收站就是这样的光源和观察者,这时观察者不需要考虑也不可能测量到地球的自转和地球在太阳系的公转。在介质体内,红移量取决于光源和观察者相对介质的运动速度VS和VR,而不是相对运动速度。光源和观察者的视向相对运动速度VSrRx只是决定红移量的一个中间变量。非视向相对运动速度则和红移量没有关系。1程守洙 江之永.普通物理学(下册)M.第六版.北京:高等教育出版社,2006.1015 频率主客观差异的工程应用：雷达测

53、速公式当前使用的雷达测速公式是个近似公式。不论对地面雷达和机载雷达，近似的雷达测速公式，都使用真空中的光速c、雷达发出的发射信号的频率fS、目标反射回来的信号频率fSseeR和fS之差即多普勒频移fd=fSseeR-fS这三个参数来计算雷达与目标飞机之间的相对速度Vr。在目标和雷达逐渐靠近时，fd>0,Vr>0。在目标和雷达逐渐远离时，fd<0,Vr<0。有近似的雷达测速公式：Vr=fdc/(2fS)。但是，不论是雷达载机还是目标飞机，都在地表空气介质体中运动，有相对空气介质的运动速度VS（地面雷达是VS=0的特殊情况）和VR，而电磁波在空气中从雷达到目标的传播速度是V

54、。在V、VS、VR方向一致的情况下，根据计算，机载雷达收到的反射信号的频率是fSseeR=fS(V-VR)(V+VS)/(V-VS)(V+VR)。令多普勒频比r=fSseeR/fS,有目标相对空气介质的速度VR=(1-r)V2+(1+r)VVS)/(1+r)V+(1-r)VS)。在V、VS、VR方向不一致的情况下，设S和R分别是雷达载机和目标相对空气介质的速度与电磁波从雷达到目标的传播方向的夹角,有多普勒频比r=fSseeR/fS=(V-VRcosR)(V+VScosS)/(V-VScosS)(V+VRcosR)，公式（5）有目标相对空气介质的速率VR=(1-r)V2+(1+r)VVScosS

55、)/(1+r)V+(1-r)VScosScosR。 公式（6）这就是说，除了S和R，精确的雷达测速公式的三个参数是：V、VS和多普勒频比r，而不是近似的雷达测速公式的c、fS 和多普勒频移fd。1王秀华.雷达测速公式：从近似到精确J.光谱实验室,2013,30(3):1415-1417第三章 介质体的内部独立性和外部相关性及其在天文学的应用1 介质体的内部独立性和外部相关性 在子介质体内的接收者对子介质体内的波源进行观测时，不需要考虑也不可能测量到子介质体在母介质体内的运动速度。称介质体的这个特性为介质体的内部独立性。由于介质体的内部独立性,在封闭的船舱、列车、飞机内部,用声学、光学或电磁学实

56、验,都不可能测量到船舱、列车、飞机在地表空气介质体内的运动速度。由于声波、光波和电磁波的周期与天体自转和公转的周期相比非常小，在天体介质体的自转和公转运动中，介质体的内部独立性也是成立的，而不是只在匀速直线运动的介质体中成立。子介质体内的接收者对母介质体内的波源进行测量时，则需要考虑也可以测量到子介质体在母介质体内的运动速度。母介质体内的接收者对子介质体内的波源进行测量时也是如此。称介质体的这个特性为介质体的外部相关性。由于介质体的外部相关性，根据列车声源发出的声波的多普勒效应，地面上的接收者可以得到列车在地表空气介质体内的运动速度。根据地面声源发出的声波的多普勒效应，列车内的接收者也可以得到

57、列车在地表空气介质体内的运动速度。在理论上，也可根据光波的多普勒效应，测量到列车在地表空气介质体内的运动速度。在实践中，则需要解决列车运动速率和光在介质中的传播速率相比太小导致的测量精确度问题。2 天文观测中红移的来源太阳介质体是地球介质体的一级母介质体。行星光源和地球都在太阳介质体内运动。设太阳介质体内光速为V1,太阳系内天体光源在太阳介质体内有客观运动速度VS,地球介质体作为太阳介质体的子介质体在太阳介质体内有客观运动速度VEarth。光波从光源传播到折射点有y1=(V1-VScosS)/(V1-VEarthcosEarth),其中S和Earth分别是光源和地球在太阳介质体内的客观运动速度

58、与波从光源到折射点的传播方向的夹角。然后光波在太阳介质体和地球介质体的边界发生折射进入地球介质体。如果地球接收者(如围绕地球转动的空间望远镜)在地球介质体内有客观运动速度VR,则有y0=V0/(V0-VRcosR),其中V0是地球介质体内的光速,R是VR与波从折射点到接收者的传播方向的夹角。如果地球接收者(如地面望远镜)在地球介质体内保持静止,则有y0=1。地球观察者对太阳系内天体光源进行观察时有y=y1y0。有fRseeS=fS/y,RseeS=ySn1/n0,其中n1和n0分别是太阳介质体和地球介质体内的介质的折射率。在红移量上有z=(RseeS-S)/S=yn1/n0-1。银河系介质体是太阳介质体的一级母介质体。银河系内恒星光源和太阳介质体都在银河系介质体内运动。设银河系介质体内光速为V2,银河系内