作者：彭晓韬

　　　　　　　　　　　　　　　　　日期：2019.06.03

［文章摘要］：光行差常数被广泛用来证明光速恒定的同时，又被用来证明光速遵循经典物理学的速度叠加原理。这种相互矛盾的现象到底是怎么回事呢？本文通过详细分析得出：光行差常数是因星光在大气层内运动速度恒定以及观测装置中的物镜产生的透射光波速度相对物镜速度恒定决定的，与光速是否遵循速度叠加原理和光源是否运动以及在真空中的任意参照系中光速是否恒定均无关联。其物理意义是：当星光进入大气层或物镜时，会使大气层/物镜成为次级光源，星光以入射点为始点，并以均匀速度向大气层/观测装置内不同方向传递由星光产生的折射/透射光。当观测装置垂直于地面(天体位于天顶处)时，由相对测量装置静止的入射点产生的折射光垂直进入观测装置而形成入射点次级光源在天球上的虚像，其与星光入射时刻入射点在天球上的投影位置间的夹角的反正切值即为光行差常数。因此，光行差常数既不能证明光速在任意参照系中恒定，也不能证明光速在大气层内或经物镜作用后仍遵循经典物理学的速度叠加原理。利用不同视角上天体光行差的变化规律的实际观测值或望远镜内填充不同的透光介质可验证本文提出的观点。

　　　　　　　　　　　一、光行差常数的基本概念

光行差常数：天文常数之一。光行差是由观测者运动引起的﹐光行差位移同观测者的平均运动速度v 和光速c有关。v/c的反正切值称为光行差常数。作为天文常数的光行差常数，是指周年光行差常数，以k表示。在这种情况下，v表示地球公转的平均线速度。

首次发现光行差现象的布拉得雷于1725～1728年得出=20.5″。到目前为止﹐两个半世纪以来许多天文学家根据浩瀚的资料得出了近百个光行差常数的数值。绝大多数的数值都在20.4″～20.6″之间。1840～1842年﹐..斯特鲁维用中星仪在卯酉圈上观测﹐得到=20.4451″﹐这个数值为全世界天文学家使用了近半个世纪﹐1896年﹐纽康综合当时的各种测定值以后﹐得出=20.47﹐这个数值使用了近七十年。尽管很早就发现纽康的这个数值偏小﹐精度较低﹐但由于牵涉到其他常数﹐并未予以改动。到1964年﹐国际天文学联合会通过的天文常数系统中﹐值才改为20.4958″﹐这是根据地球轨道的运动速度值和光速值推导出来的。光行差常数是一个导出常数。这个数值从1968年开始采用﹐将一直用到1983年﹐1976年国际天文学联合会的天文常数系统中确定相对于标准历元2000.0年的值是20.49552″,这个新值从1984年为全世界统一采用［摘自百度百科］。

　　　　　　　　　二、按速度合成法解释光行差常数及存在的问题

如下图一所示：在地球上观测遥远的天体时，由于地球绕太阳公转，星光与地球公转方向存在一定夹角时，所观测到的天体视向与真实方向间存在一定的角度差异，这就是光行差。

1、天体位于天顶处时的光行差

如下图二所示：当天体正好位于地面观测点的正上方(天顶处)时，则星光的运动方向与地球的公转方向正好垂直，按照速度叠加原理，此时的光行差为：V/C。

由光行差定义可知：v/c为常数的条件有二：一是地球公转速度不变；二是光速不变。

根据现有资料，地球公转的速度虽然存在一定的变化，但变化幅度很小，可视为基本不变。地球绕太阳公转的平均速度为：29.783千米/秒；

1.1、不考虑大气层的影响条件下

利用真空中的光速与地球公转速度的比值计算天体位于天顶时的光行差为20.49145882″(详见下表一第1项)，明显小于目前公认的光行差常数20.49552″。因此，可以肯定的是：光行差常数不是由真空中的光速决定的。

1.2、考虑大气层的影响条件下

1.2.1、以地表附近大气折射率计算大气层内光速：光在地表大气层内的运动速度约为：Ｃ_气＝Ｃ/n＝299792.458/1.000 292=299704.9442千米/秒。当测量装置相对大气层静止(风速不大于100米/秒)时，在大气层内传递的光相对测量装置的速度也可视为基本不变。

根据以上假设，可计算得到天体位于天顶处时的光行差为：20.49744233 ″(详见下表一第2项)，与公认的光行差常数差异仍较大。因此，光行差常数不是由地表附近大气层内光速决定的；

1.2.2、以公认光行差常数反算大气层平均折射率：若要使光行差等于目前公认的20.49552″，则大气层的平均折射率应调整为1.0002050(较地表附近稍小，符合地表附近空气密度大于高空的客观实际情况)，大气层内的平均光速应调整为299733.0543千米/秒(详见下表一第4项)。由此可见，光行差常数是由地表大气层内平均光速决定的；

由表一可知：如果目前所公认的地球公转速度是准确的，则公认的光行差常数值对应的光速应为299733.0543Ｋm/S，与真空中的光速存在60.4037Ｋm/S差异。因此，我们可以认为：光行差常数是由地表大气层内的平均光速与地球公转速度的比值决定的。

2、利用速度叠加方法解释光行差常数存在的问题

因为光波在大气层内的运动速度仅与大气层的性质和运动状态有关，当观测装置相对大气层基本静止时，大气层内的光速相对观测装置也应基本恒定。因此，不应该出现光速矢量叠加现象。也就是说：观测装置相对大气层内的星光速度不应该因星光的方向不同而改变。由此可见，用光速矢量叠加法解释光行差是存在矛盾的，更是不符合客观实际的。

　　　　　　　　　　三、天顶处天体光行差为常数的本质因素

　　由于测量光行差的天文观测过程均是在地表大气层内进行的。因此，所观测到的均为在大气层内运动的星光，其速度主要由大气层的性质和运动状态决定，与产生星光的天体的运动状态无关。也就是说：测量光行差所使用到的光波速度为地球大气层内的光速，与星光进入地球大气层以前的运动速度无关。即使是星光在星际空间中的速度大于或小于真空中的速度，也不会影响到其进入大气层后的速度。

由于天体一般离地球十分遥远，在一地球年内，可视为相对太阳系静止的光源。因此，星光相对地球大气层就为非静止光源。星光遇到大气层后，会使大气层内的原子成为新的次级光源而产生反射/散射、折射/透射和转换/热辐射光等。地面观测到的就是其产生的折射光。由于大气层相对地面观测装置可视为相对静止(相对光速而言，风速在100米/秒以内的影响可忽略)，因此，观测装置测量到的、由大气层产生的次级星光就相对观测装置速度也恒定。

如上图三所示：假设天文观测装置垂直于地平线，其Ｔ₂时刻观测到的星光为Ｔ₁＝Ｔ₂-Δt时刻进入大气层的(位于图三中Ａ点)；当星光到达观测装置时，Ａ点与地面观测装置及大气层同时向右运动了ＶΔt距离，即Ａ点移动到了Ｂ点、观测装置从Ｏ点移动到了Ｐ点。因此，地面观测装置Ｔ₂时刻观测到的是Ｔ₁时刻地球大气层顶面Ａ点发出的次级星光的成像。则有：

Ｓ_ＡＢ＝Ｓ_op＝ＶΔt

假设大气层厚度为Ｌ，大气层内的光速为Ｃ_气，则有：　Ｌ＝Ｃ_气Δt

因观测装置垂直于地面，因此可不考虑因大气层不均匀导致的折射角变化影响，则有：

∠θ＝∠APB＝arctan(ＶΔt/L)＝arctan(Ｖ/Ｃ_气) (公式1)

从以上推导可知：在地表大气层内进行的天文观测所测量到的天体位置为由该天体产生的星光在进入大气层时的位置的虚像。即天体的实际位置与成像位置因地球大气层的作用而发生了偏离。这才是光行差的本质。

由于地球大气层内光波速度和地球公转速度均基本恒定，对于位于天顶处的天体而言，其光行差为大气层内光波速度与地球公转速度的比值，其为不变的常数是完全正常和应该的。

　　　　　　　　　　四、真空条件下的光行差形成机制分析

以上分析得出的结论是：光行差是由大气层产生的次级光源虚、实像在天球上的投影间的夹角。那么在没有空气的真空环境下，能否观测到光行差呢？比如，在月球上进行观测时，能否观测到光行差呢？

如上图四所示：假设观测仪高度为Ｌ并垂直地平线放置，则位于天顶处的天体产生的星光到达观测仪顶端的物镜时，物镜会使星光产生反射/散射、折射/透射和转换/热辐射光。透射光会垂直向下传递到底部的目镜。假设经物镜透射后的星光的运动速度为Ｃ_镜，则其相对物镜速度恒定。Ｔ₂时刻目镜观测到的星光是由Ｔ₁时刻物镜产生的透射光，在物镜产生的透射光从物镜到达目镜的同时，观测仪中的物镜从Ａ点运动到了Ｂ点、目镜从Ｏ点运动到了Ｐ点。则有：

Ｔ₂＝Ｔ₁+Ｌ/Ｃ_镜 Ｓ_ＡＢ＝Ｓ_ＯＰ＝ＶＬ/Ｃ_镜

Ｋ＝Ｓ_ＡＢ/Ｌ＝Ｖ/Ｃ_镜

∠θ＝arctan(Ｋ)=arctan(Ｖ/Ｃ_镜) 　　　　　　　　　　　　　　(公式2)

由以上推理可知：即使是在真空状态下进行天体测量时，仍然会存在光行差，且位于天顶处的天体的光行差仍然为常数，不会受到天体运动状态不同的影响。因为测量过程中使用的光是经过物镜改造后的透射光，其速度仅与物镜的运动状态有关，与入射光的速度无关。但由于观测装置在真空中，其物镜产生的透射光的速度应该为相对物镜恒定的真空中的光速，观测到的光行差常数将小于地表大气层内的数值，应接近表一第1项的计算结果。

　　　　　　　　　　　　　　五、光行差常数的物理意义

由以上分析可知：光行差常数是由观测装置在大气层内而受到大气层内光速基本恒定的客观事实所决定的。也就是说：光行差常数的存在证明光在地表大气层内速度恒定！由此可以用于解释如下物理实验结果和现象：

1、迈克尔逊-莫雷实验结果新解

由于本实验过程均在地表大气层内进行，因此，整个实验过程中的光速均由大气层的性质和运动状态决定。当实验过程中，风速不大时，可视实验过程的光速相对实验装置速度恒定，无论其往哪个方向运动，经过多少次反射，其速度将不会有任何变化！这就是本实验结果不会出现干涉条纹移动的本质因素。

2、光为电磁场而非光粒子

不同介质中的光速仅与介质的性质和运动状态有关，与入射光速度无关，同时，由光密介质进入光疏介质时，在界面处的光速会突然跃升的规律表明：光是电磁波而非粒子。否则，介质中的光速应该与入射光的速度相关、界面处的光速也不能突然跃升！

3、不能证明光速不变

虽然光行差证明星光在大气层内的平均速度基本恒定，但同时证明其与入射光的速度无关。因此，光行差常数不能证明光速不变。

　　　　　　　　　　　　　　　六、光行差本质因素验证方法

1、利用位于地平线以上30°天体的光行差实测值进行验证

1.1、按速度叠加原理计算的光行差

按上图五所示：设光在大气层内的运动速度Ｃ_光＝299733.0543Ｋm/S，则视速度Ｃ_视为：

详见下表二第1项。

1.2、按大气层作用计算的光行差

按上图六所示：设光在大气层内的运动速度Ｃ_光＝299733.0543Ｋm/S，则视速度Ｃ_视＝Ｃ_光：

详见下表二第2项。

1.3、以上两种计算方法的差异

Δθ＝-0.00088191 ″

详见下表二第3项。

　由以上计算可知：当实测光行差数据精度大于0.0001″时，通过观测视角30°天体的光行差实际数值就可判别光行差到底是由星光在大气层内运动速度与地球公转速度叠加效应导致的，还是由地球大气层次生光源效应产生的。

2、利用观测装置内部介质变化实测光行差进行验证

2.1、观测装置置于真空环境下时天顶处天体的光行差

如上图七所示：当观测装置处于真空环境(望远镜内为真空)时，Ｔ₁时刻到达物镜的星光是由Ｔ₀时刻进入大气层(Ａ点)，并经(Ｔ₂-Ｔ₁)时间后，星光到达目镜(Ｄ点)。则有：

Ｓ_AB＝V(Ｔ₁-Ｔ₀)＝VH/Ｃ_气

Ｓ_BD＝V(Ｔ₂-Ｔ₁)＝VL/Ｃ_镜

K＝Ｓ_BD/Ｌ＝V/Ｃ_镜

2.2、观测装置置于水环境下时天顶处天体的光行差

将观测装置中的望远镜内充满水并设其折射率为1.333，则Ｃ_镜＝224900.5686Ｋm/S。则有：

由以上计算结果可知：当望远镜内的介质折射率越大、Ｃ_镜越低时，光行差数值越大。因此，可以利用折射率更大的介质填充望远镜内部，就可获得更大的光行差实测数据。

如果实际观测数据符合上述计算结果，则可以证明光行差是由望远镜内部介质的光速与地球公转速度比值决定的。

总之，采用星光在大气层内速度恒定或望远镜内部光速由内部介质性质决定的方法解释光行差更加符合客观实际，也不违背介质中的光速仅由介质性质和运动状态决定的基本规律，相较采用视光速可变的速度叠加方法解释光行差更加贴近实际。同时消除了一方面要求光速恒定，另一方面又要求光速遵循经典物理学的速度叠加原理间的矛盾。