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作者的话
此文写于1994年，当时开始研究相对论时间不长，却发现相对论存在许多问题，于是写出此文。但是文章写出之后，几次投稿均被退回，只好压在书柜里了。现在好了，有了INTERNET，我辈也有了说话的地方了。现将此文原文登出，未作修改，尽管现在我已有了许多新的见解，等待另文发表吧。 相对论批判 前言 爱因斯坦的相对论出现至今已经有90年历史了，不但被人们广泛承认（不管懂还是不懂），作为指导实践的理论基础，而且有许多人以其实验数据符合相对论的要求而自豪（当然也有一些人为其实验数据不符合相对论的要求而失望），更有一些人为能够将其理论掺入相对论的内容而沾沾自喜。毫无疑问，相对论的大厦能够如此高大辉煌，是与众人的添砖加瓦分不开的。 但是，相对论尚未被实验所证实（或者说未完全证实）。而未被实验所证实的理论（特别是强烈依赖实验数据的物理学理论），即被人们所广泛承认，并且具有如此崇高的地位，这在人类的科学史中是绝无仅有的。因此，从这一点来看，与其说相对论是一种科学理论，不如说是一种宗教信条更为贴切一些。 其实，对相对论的批判早已不是什么新鲜事。早年在德国和苏联都曾掀起过批判相对论的浪潮。但是，这些批判具有浓厚的政治色彩，因此，正直的科学家往往对其不屑一顾（即使其中有真正有价值的东西）。 在本文中我提出一些看法，应该说具有探讨的性质，但是鉴于爱因斯坦的过于高大的形象，以及相对论本身的无与伦比的魅力，说探讨未免太轻描淡写了一些，因此本文使用《相对论批判》作为题目，以期造成更大的影响力。 相对论基本上是被爱因斯坦用哲学的方法证明的，不仅如此，还有众多的人发明了各种哲学方法为相对论提供证明，最典型的例子就是孪生子佯謬（Twin Paradox,或称时钟佯謬）。而哲学证明往往引起无休止的争论，因此，本文不讨论这一类问题。由于对物理学理论的最好的证明是实验数据，因此，本文提出的问题或假定，全部都是可观测的（爱因斯坦非常注重“可观测的”这一词），确切的说，全部都可以在目前的科学技术条件下进行实验。因此，也就无需争论，只要作一下实验，让实验数据来裁决就可以了。 本文中的实验数据全部取自弗伦奇所著《狭义相对论》一书，这些数据是弗伦奇用来证明相对论的，而在本文中却被我引用作为攻击相对论的炸弹。 1. 关于光速不变 真空中的光速=C，是狭义相对论的两个基本原理之一。另一个基本原理，即相对性原理并不与牛顿力学的相对性原理相冲突，因此，光速不变就成为相对论大厦赖以支撑的唯一支柱。 光速不变的理论依据是麦克斯韦方程，其实验验证主要依靠著名的迈克尔逊——莫雷实验。 麦克斯韦方程是经典理论中唯一被爱因斯坦称作完美的方程，因其在相对论中也不需要进行修改。根据麦克斯韦方程，电磁波在介质（或称媒质）中传播的速度由介质的磁导率 U和电导率 E所确定，而与频率无关。根据真空中的磁导率 Uo和电导率 Eo，可以确定真空中的光速=C 。 而实际情况是：光的速度与频率有关。仅仅根据在玻璃中光的色散现象就可以证明这一点，众所周知，光的色散现象是由于不同频率的光在玻璃中的传播速度不同造成的，从这一点就可以看出麦克斯韦方程绝非完美，因其不能解释光的色散现象。表1的数据也可以显示真空中光速的不同，其中第6行与第7行的数据最能说明问题，这两组数据的精度较高，并且即使包括误差范围在内也不发生重叠。 表1： 光子的速率 （表中 ^ 符号表示乘方，以下同） ——————————————————————————————— 频率 | 光子能量 | 波长 | 速率及误差 秒-1 电子伏 米 X 10^8/秒 ——————————————————————————————— 4.7x10^7 | 1.9x10^-7 | 5.4 | 2.9978 +- 0.0003 ——————————————————————————————— 1.7x10^8 | 7.0x10^-7 | 1.8 | 2.99795 +- 0.00003 ——————————————————————————————— 3.0x10^8 | 1.2x10^-6 | 1.0 | 2.99792 +- 0.00002 ——————————————————————————————— 3.0x10^9 | 1.2x10^-5 | 1.0x10^-1 | 2.99792 +- 0.00009 ——————————————————————————————— 2.4x10^10 | 1.0x10^-4 | 1.2x10^-2 | 2.997928 +- 0.000003 ——————————————————————————————— 7.2x10^10 | 3.0x10^-4 | 4.2x10^-3 | 2.997925 +- 0.000001 ——————————————————————————————— 5.4x10^14 | 2.2 | 5.6x10^-7 | 2.997931 +- 0.000003 ——————————————————————————————— 1.2x10^20 | 5.1x10^5 | 2.5x10^-12| 2.983 +- 0.015 ——————————————————————————————— 4.1x10^22 | 1.7x10^8 | 7.3x10^-15| 2.79 +- 0.03 ——————————————————————————————— 迈克尔逊——莫雷实验是为了测定地球相对于以太（太空中光赖以传播的介质）的运动速度。所使用的方法是测量地平面上相互垂直的两束光的速度差。由于当时假定地球穿越以太的速度是地球绕日轨道速度，即约30KM/S，而实测值远小于这一值。类似的实验被许多人重复多次，众多的实验数据显示似乎地球是与以太同步运动的，这使科学家们感到惊奇。请看表2，表中的L是检测装置的光路长度，D计算值表示按30KM/S计算所应观测到的干涉条纹移动量，D观察值表示实际测到的干涉条纹移动量。 表2：迈克尔逊——莫雷实验的各次结果 ———————————————————————————————— 观测者； 年份 | L，厘米 | D计算值 | D观察值(上限)| 比值 ———————————————————————————————— 迈克尔逊； 1881 | 120 | 0.04 | 0.02 | 2 ———————————————————————————————— 迈克尔逊和莫雷； 1887| 1100 | 0.40 | 0.01 | 40 ———————————————————————————————— 莫雷和米勒; 1902-1904| 3220 | 1.13 | 0.015 | 80 ———————————————————————————————— 米勒 ; 1921 | 3220 | 1.12 | 0.08 | 15 ———————————————————————————————— 米勒 ;1923-1924 | 3220 | 1.12 | 0.03 | 40 ———————————————————————————————— 米勒（日光）; 1924 | 3220 | 1.12 | 0.014 | 80 ———————————————————————————————— 托马舍克(恒星光);1924| 860 | 0.3 | 0.02 | 15 ———————————————————————————————— 米勒 ;1925-1926| 3200 | 1.12 | 0.08 | 13 ———————————————————————————————— 肯尼迪 ; 1926 | 200 | 0.07 | 0.002 | 35 ———————————————————————————————— 伊林沃斯 ; 1927 | 200 | 0.07 | 0.0004 | 175 ———————————————————————————————— 皮卡德和斯塔埃尔;1927| 280 | 0.13 | 0.006 | 20 ———————————————————————————————— 迈克尔逊等人 ;1929 | 2590 | 0.9 | 0.01 | 90 ———————————————————————————————— 约斯 ;1930 | 2100 | 0.75 | 0.002 | 375 ———————————————————————————————— 应该指出的是：诸多实验数据，没有一个的结果为0，也就是说，地平面上相互垂直方向上的光速差不为0，虽然测出的光速差与30KM/S相差甚远，但光速差确实存在，这就是从不同角度看待实验数据得出的不同结论。 现在作一个假定：以太=引力场。那么地球表面穿越以太的速度就是大约每秒几百米（与纬度有关），这样的话，表2的数据就很容易理解了（虽然受实验精度的影响误差较大）。根据这样的假定，如果在太空实验室重作迈克尔逊——莫雷实验，由于太空实验室穿越以太的速度大约8KM/S，因此，光速差就可以轻而易举地测出来。 既然假定了以太=引力场，也就是说引力场是光的介质，那么还可以进一步假定：磁导率 U和电导率E随引力场的变化而变化，且U和E的乘积随引力场的增加而增加，那么光在引力场中的折射就是天经地义的事情了。 根据以上讨论，既然引力场是光的介质，那么不同频率的光在引力场中就有不同的传播速度，并且由于磁导率 U和电导率 E随引力场的强度而变化，因此，就不存在“真空中的光速”这一概念，而应定义为“真空中在某一引力场强度下的某一单色光的光速”，于是相对论中的最重要的常数C失去意义。 2.关于光速的相对性 光速的相对性是相对论中一个最具特色的观点：即不论观测者怎样运动，而在各个方向上测得的光速均相等，即使观测者是以光速运动（尽管这是目前不可能实现的）的情况下也是如此。 首先，让我们用被爱因斯坦称作完美的麦克斯韦方程来进行讨论。光波的性质是用麦克斯韦方程来描述的，而声波的性质也是用麦克斯韦方程来描述的。用同一个方程描述的现象当然具有相同的性质，这是毫无疑问的。而声波不具有相对性质，也就是说，当观测者相对于声波的介质运动时，可以检测出来自各个方向的声波速度不同。那么同样用麦克斯韦方程描述的光波怎么会具有相对性呢？ 让我们再来看一个实验：斐索对曳引系数的测定。曳引的含义是指在介质中传播的光会被介质的运动所带动。曳引系数则表示了这种能力的大小。斐索的实验目的在于检测地球穿越以太的速度，斐索利用流动的水作介质，使一束光顺着水流方向通过，而另一束光逆着水流方向通过，然后测量这两束光的光速差。实验的结果没有检测出地球穿越以太的运动，但是该实验检测出水流中的光被水流所带动，也就是说顺水通过的光速度加快，逆水通过的光速度减小，不过增减的量小于水流的速度，也就是说曳引系数<1。但是只要曳引系数>0，就说明水中光速确实可以因水流的速度而变化。那么，既然水和玻璃是光的介质，而其中的光速可以因介质的运动而变化，为什么真空中的光速就一定不会变化呢？按目前的科学技术水平，检测空气的曳引系数大概不会有太大的困难，如果空气的曳引效应也存在，那么我们至少可以说，再人类生活的这个空间里（大气层），光速的相对性是不存在的。 3.关于光速是速度的极限 相对论认为光速是一切物质运动速度的极限，也就是说V<=C。在这个前提下，爱因斯坦提出了质量随速度变化的公式 M(v)=Mo(1-V^2/C^2)^-1/2 和著名的质能方程式 E=MC^2 。前一个方程说明物质的质量随速度的增加而增加，并且速度不会超过光速，因为当速度=C时，质量将变成无穷大。后一个方程说明质量和能量可以互相转化，当速度增大时，动能将以质量的形式储存起来。 首先讨论一下光子的质量问题。光子具有运动的质量，而没有静止的质量，这是没有问题的。按照爱因斯坦的解释，由于光子以光速运动，因此 (1-V^2/C^2)^-1/2 =无限大，这样，虽然 Mo=0,而 M(v)=0X无限大 而能得出有限值。但是当光子在介质中运动时，比如说进入玻璃中时，光子的速度 表3. 直线加速器中电子的飞行时间 —————————————————————————————————— 动能 | 飞行时间表 | 电子速度 | V^2 X 10^6米^2/秒^2 K，兆电子伏| T,X10^8/秒 | V,X10^8米/秒 | —————————————————————————————————— 0.5 | 3.23 | 2.60 | 6.8 —————————————————————————————————— 1.0 | 3.08 | 2.73 | 7.5 —————————————————————————————————— 1.5 | 2.92 | 2.88 | 8.3 —————————————————————————————————— 4.5 | 2.84 | 2.96 | 8.8 —————————————————————————————————— 15 | 2.80 | 3.00 | 9.0 —————————————————————————————————— 表3的数据确实显示了不论怎样提高加速电压，而电子的飞行速度趋向于一个极限C，似乎圆满地证实了爱因斯坦的论断，但是，让我们再从质量的角度来进行以下分析。表4是笔者 根据表3的数据自己计算整理的另一组数据。注意，表4的第一列使用了加速电压而没有使用动能来表示。表4中的M1是根据公式 M(v)=Mo(1-V^2/C^2)^-1/2 计算的飞行电子所具有的质量，M2则是根据质能方程式 E=MC^2 飞行电子所应具有的质量，即 M2=K/C^2+Mo,DM=M1-Mo。计算使用的其它数据是：Mo=9.11X10^-31Kg ,1电子伏=1.6X10^-19焦耳，C=2.998X10^8米。 表4 —————————————————————————————————— 加速电压 | M1 | M2 | DM | DM所具有的能量 兆伏 | X10^-30Kg | X10^-30Kg | X10^-30Kg | 兆电子伏 —————————————————————————————————— 0.5 | 1.826 | 1.801 | 0.915 | 0.514 —————————————————————————————————— 1.0 | 2.197 | 2.691 | 1.286 | 0.722 —————————————————————————————————— 1.5 | 3.254 | 3.581 | 2.343 | 1.320 —————————————————————————————————— 4.5 | 5.591 | 8.921 | 4.68 | 2.629 —————————————————————————————————— 15 | 无限大 | 27.61 | 无限大 | 无限大 —————————————————————————————————— 表4中的 M1 和 M2 是分别用相对论中的两种公式计算出来的电子质量。而两种结果具有很大的差别，那么究竟以哪一个结果为准呢？ 现在让我尝试以一下解决这个矛盾：该实验声称通过热学测量证实被加速的电子确实具有qV能量，而实际上这是不可能的。因为，移动的电荷会激发电磁辐射，接近光速运动的电荷毫无疑问会引起强烈的电磁辐射，并且高速运动的电子撞击目标极时也会激发强烈的X线辐射，因此，电场能量不会全部转换成电子的动能，而电子的动能也不能全部转化为目标极的热。那么，可以假定加速器中运动的电子并没有将获得的电场能量全部转换成动能，也就是说不能够引用 E=MC^2 这个公式来直接计算电子的质量，即表4中的M1是正确的。根据这个假定计算出了运动电子与静止电子的质量差DM，然后使用 E=MC^2 公式计算电子所获得的实际动能。（其计算结果均列表于表4，而表4中第5行数据的无限值可以认为是测量精度不高所造成的，因此，不必考虑。） 但是，问题并没有解决，因为不能确定电子是否具有如表4的最后一列数据所示的动能，只有精确地测量电子所具有的动能才能够最后解决问题。 在问题解决之前，不妨再作一个假定：电子在电场中以光速运动时，其从电场获得的能量等于辐射出去的能量，因此，电子在电场中只能被加速到光速。这个假定与相对论有着本质的区别，按照这个假定，电子在电场中只能获得有限的能量，而按照相对论的看法因为电子的质量可以变成无穷大，因此，电子可以从电场中无限制地获得能量。那么，究竟哪一种说法正确呢？只要在加速器实验中，精确地测定一下电子被加速后具有的动能就可以了。 现在再来设计另一个实验：在上述加速器实验中使用电子爆丛，而高速运动的电子爆丛会产生强烈的电磁辐射，使电子受到阻力。如果使用连续的电子束来作加速实验（这样检测电子的速度比较困难），并且使电子束中电子的密度大到电子之间的距离远小于辐射的波长，那么在电子束周围只会产生恒定的磁场，而没有电磁辐射，因此，电子的加速就变得容易了。我可以预言：不需要多大的加速电压（比如1兆伏），电子的速度就可以超过光速。 结束语 前面讨论了几个问题，并且设计了几个实验，以期不仅能够定性，而且能够定量地说明问题。可以讨论的问题很多，限于篇幅不可能一一讨论。这里讨论的问题，全部都与光速有关，因为，真空中的光速等于C是相对论赖以支撑的唯一支柱，否定了这一点，就将摧毁整座 爱因斯坦大厦。 现在要作的事就是静候实验结果，而不需要任何继续的讨论，毫无疑问，如果继续讨论下去的话，那些相对论的卫道士们的唾沫星子就可以把我淹死。 参考资料： 弗伦奇 《狭义相对论》 张大卫译 人民教育出版社 1979 秦荣光，阎永康复《广义相对论与引力理论实验验证》 上海科学技术文献出版社 1987 赵展岳 《相对论导引》 吉林人民出版社 1982 舒炜光 《爱因斯坦问答》 辽宁人民出版社 1983 我的个人主刚刚建立，如有兴趣可以访问 wngjqq.go.163.com |