一个奇妙的思想实验----关于洛仑兹时空变换的光传播思想实验，决定了一部辉煌著作----相对论的问世。提出了破天荒的时空变换关系式—洛仑兹变换，爱因斯坦力图由此解决不同时空中的光速不变原理的验证。一个世纪以来，相对论逐渐得到了物理学界压倒性的承认和赞扬，但也有一些物理学家曾怀疑它的正确性。因为由它推导出许多怪异的违反经典物理的观念和理论，例如:同时性的相对性，运动的棒缩短，运动的时钟变慢，等等。

一、回顾相对论的光传播思想实验

  爱因斯坦做了一个有名的光传播思想实验，根据这个思想实验的结果，爱因斯坦提出了著名的洛仑兹时空变换关系式，在此基础上，爱因斯坦进一步系统地演绎出了赫赫有名的相对论。

这个光传播思想实验是这样的: 我们设想有一个静止的惯性系S系(叫做静系，坐标系是O-x-y-z)和一个沿x轴以速度v作匀速直线运动的惯性系S’系(叫做动系，坐标系是O’-x’-y’-z’)。并设当这二个惯性系坐标原点O与O’重合的时刻，在坐标原点O(或O’)处发出一光脉冲，以后这光信号将产生一球面波向四周以光速c传播，既是在S系中传播，也是在S’系中传播，两个惯性系的观察者都能观察到这一个光球面波的传播。观察这个实验可以确定：这一个光球面波的中心究竟在那里？在S系的O点还是S’系的O’点？对静系S系中的观察者来说，这球面波的中心将在坐标原点O，而O’点只是在初始时刻与O重合，以后则以常速v沿x轴向前运动，不再处于球面波的中心。但是根据爱因斯坦的观点，对正在以常速v向前运动的动系S’系中的观察者来说光的传播规律跟S系中的观察者所看到的完全一样，光脉冲所产生的球面波是以坐标原点O’为中心并也以速率c向四周传播。这样一来，S系观察者认为O是球面波的中心，S’系观察者认为O’是球面波的中心，他们两者究竟谁对？爱因斯坦认为他们两人的结论都对！这就是这个思想实验当年的结论----这个思想实验的结论你能接受吗?

二、对相对论的光传播思想实验的细节分析

  根据上述思想实验结果，我们会认识到：在动系原点O’与静系原点O重合的瞬间发出的一个球面波光脉冲，能在两个惯性系中各自产生一个以自己的坐标系原点为中心的光球面波并在各自的空间中传播，静系S中的观察者认为O是球面波的中心；动系S’中的观察者认为O’是球面波的中心。随着时间的推移，这两个球面波中心点O与O’相距越来越远，因为动系在静系中沿x轴作匀速直线运动。

  但这“结果”符合事实吗？思想实验中的光球面波真是这么传播的吗？

  要搞清楚这个问题， 首先我们必须清楚地认识到：思想实验中光的传播过程必须要有真实的物理空间存在，才能供光向四周传播发展，形成光球面波！其次，我们必须搞清楚：思想实验中到底有几个真实的物理空间，光在哪个惯性系的空间中传播！

  在爱因斯坦的这个思想实验中两个惯性系S与S’是互不封闭且互相透明的(否则实验过程中S与S’两系的中心点O与O’无法重合！)， 静系S中有自己的真实物理空间，这就是地球表面上的大气层空间，人类的一切活动都在这里进行，思想实验当然也在这个真实的物理空间中进行，光的传播当然可以在这个空间中进行。而运动着的动系S’呢，粗看起来，似乎动系S’也有自己的物理空间----这就是S’系的惯性系坐标轴系统为结构框架所包容的空间，我们暂时把此空间称为动系S’的动空间。我们常常觉得S’系在作直线运动时是带着其动空间一起运动的。可是，当S’系运动进入静系S的物理空间时，问题就出现了：静系S的物理空间与动系S’系的动空间重叠了。重叠后的物理空间是不同的两个空间挤在一起吗？还是溶合为一个物理空间？因为在地球表面的大气层空间中，在同一个确定的区域位置，真实的物理空间只有一个，不可能有两个独立的空间平行地共存于同一区域位置。所以，我们可以肯定，静系S的物理空间与动系S’系的动空间重叠后成为一个统一的空间----地球表面大气层的一部分区域。事实上，惯性系S’ (动系)运动进入静系S的物理空间时，其实只是惯性系的参考物及其中的发光装置和观察者以及设想的坐标轴系统一起飞入静系S的物理空间(大气层空间)，就像一架敞开的航空飞行器飞入大气层空间一样。航空飞行器是在大气层空间中飞过，它本身并没有独立的动空间，在航空飞行器中的观察者会看到，大气层空间中的白云会向航空飞行器的后方漂流，而不是随着航空飞行器一起向前运动！这充分说明了动系S’的所谓动空间并不是属于动系惯性系中的固有空间(独立于静系S的大气层空间的)！动系并没有自己的独立的真实物理空间，而只是借道从静系S的大气层空间中通过而已！

  所以，动系S’运动进入静系S的大气层空间时，重叠区域的物理空间，不是动系S’的独立的真实物理空间，而是静系S的真实物理空间----大气层空间。直接地说，就是动系S’并没有自己的物理空间，重叠区域的物理空间，仍是静系S的大气层空间。

  那么，在爱因斯坦的思想实验中，当S与S’两系的中心点O与O’ 重合的瞬间，在两者共同中心点亮一个脉冲灯，发出的脉冲光立即向灯四周的物理空间传播产生球面波，这一瞬间光也脱离了光源(灯)，我们知道，光速是与光源的运动状态无关的，在物理空间中传播的光的速度完全取决光波本身的电场分量与磁场分量相互转化并互相推进的速度，也受到大气层空间的物理特性(例如是否含有气体以及气体种类和密度等因素)的影响。我们已经知道，这里两个惯性系重叠时的物理空间其实只是静系S的大气层空间，所以光源(灯)在两系的中心点O与O’ 重合的瞬间发出的光是在静系S的大气层空间中向四周传播形成一个球面波。这个球面波与动系S’没有任何关系，因为动系S’没有自己独立的真实物理空间，所以无法让光在其中传播而形成球面波，所以动系S’中并不产生球面波，即使发光瞬间点亮的灯是动系S’的灯，它发出的灯光也只能进入静系S的大气层空间而传播，产生的球面波完全是在静系S的球面波，不是动系S’的球面波。不存在静系S和动系S’各产生一个而共有两个球面波在传播发展的可能。只有一个球面波，而且这两个惯性系的观察者都可以同时观察到这一个球面波在静系S中的大气层空间中传播发展(因为静系S与动系S’是互相敞开的，互相透明)，光波的中心始终在静系S的坐标中心点O。

  那么，在静系S的观察者看来，光传播球面波方程是

x²+y²+z²-c²t²=0

  而在动系S’的观察者看来，光传播球面波方程是

x’²+y’²+z’ ²-c²t’²=0

  其中，c是光速，t是传播时间；从S系到S’系的时空变换关系为：

x’=x-vt

y’=y

z’=z

t’=t

  这是典型的伽利略变换！而不是原先思想实验设想的洛仑兹变换。

结论：相对论的光传播思想实验结果只能出现一个光球面波，中心在静系坐标原点O。