狭义相对论四大假设两个半得不到实际测量的支持 

摘 要：在狭义相对论中，先于洛仑兹变换确定惯性系的坐标关系和时间关系框架的，乃是狭义相对论从相对性原理和光速不变假设出发推导洛仑兹变换过程中给出的惯性系坐标关系假设和惯性系时间关系假设。从逻辑上讲，相对性原理、光速不变假设、惯性系坐标关系假设和惯性系时间关系假设具有平等的地位，它们共同构成狭义相对论四大假设。

关键词：光速不变假设，惯性系坐标关系假设，惯性系时间关系假设，洛仑兹变换

一、狭义相对论的四大假设

洛仑兹变换（包括洛仑兹正变换和逆变换）是狭义相对论的重要内容，其数学形式如下

 X=γ(x–ut)，Y=y，Z=z，T=γ(t–ux∕c2 )…………………………（1）

x=γ(X+uT)，y=Y，z=Z，t=γ(T+uX∕c2)…………………………（2）

 γ=

设有相对做匀速直线运动的两个参照系r、R系，如图一所示；r系由直角坐标系oxyz，以及在原点o处持时钟和量尺的观测者组成；R系由直角坐标系OXYZ，以及在原点O处持时钟和量尺的观测者组成；两个直角坐标系的x、X轴重合，y、Y轴和z、Z轴均平行，R系沿r系x轴正向以u速度匀速运动。按照狭义相对论的本意，在图一所示情况，洛仑兹变换中的（x、y、z、t）和（X、Y、Z、T）分别为r、R系观测者使用自己所持时钟和量尺独立测定的同一事件的坐标和时间。洛仑兹变换是r、R系观测者使用自己所持时钟和量尺独立测定的同一事件的坐标之关系和时间之关系。在以往，狭义相对论一直声称洛仑兹变换来源于如下所述相对性原理和光速不变假设这两个基本假设。

 1、相对性原理：惯性系的物理规律具有相同的数学形式。

2、光速不变假设：真空中的光在任意惯性系的速度都是常数c=299792458m/s，与光源和观测者的运动无关。

光速不变假设在r、R系得数学形式如下：在图一所示情况，设r、R系原点o、O重合，且r、R系观测者所持时钟的时间值t=T=0时，在r系原点o处有一静止点光源发出了一个球面光波。此后，根据光速不变假设，r系观测者使用自己所持时钟和量尺相对r系测得的光波面如图一所示，该光波面是一个一直以r系原点o为球心，一直以光速c膨胀扩大的球面，其数学形式为

x2+y2+z2=c2t2…………………（3）

同样根据光速不变假设，R系观测者使用自己所持时钟和量尺相对R系测得的光波面如图一所示，该光波面是一个一直以R系原点O为球心，一直以光速c膨胀扩大的球面，数学形式为

X2+Y2+Z2=c2T2…………………（4）

（３）、（４）式为光速不变假设在r、R系得数学形式。显而易见，由于（３）、（４）式分别为r、R系观测者的独立测量结果，因此，从（３）、（４）式根本看不出反映r、R系的坐标关系和时间关系的洛仑兹变换的影子。

实际上，在狭义相对论中，先于洛仑兹变换确定r、R系的坐标关系和时间关系框架的，乃是狭义相对论从相对性原理和光速不变假设出发推导洛伦兹变换过程中给出的惯性系坐标关系假设和惯性系时间关系假设。

3、惯性系坐标关系假设[1]：在图一所示情况，同一事件在r、R系的坐标关系可假设为 X=a11x + a12ct，Y=y,Z=z…………………（５）

 4、惯性系时间关系假设[2]：在图一所示情况，同一事件在r、R系的时间关系可假设为 cT=a21x + a22ct ………………………………（６）

从逻辑上讲，相对性原理、光速不变假设、惯性系坐标关系假设和惯性系时间关系假设具有平等的地位，它们共同构成狭义相对论的四大假设。实际上，正是基于（3）、（4）、（5）、（6）式，狭义相对论推导出了洛仑兹变换（１）、（２）式。

二、实际测量与假设测量

在实际测量中，要测量一个人在房子中的位置，必须有一把测量长度值的量尺。要测量这个人在房子里待了多长时间，必须有一个测量时间值的时钟。要测量这个人在房子里的行走速度，同样需要测量长度值的量尺和测量时间值的时钟。如果有两个观测者各自持时钟和量尺测量同一个被测物体的位置、时间和速度，那么在比较两个观测者的测量结果前，必须先知道两个观测者的量尺长度关系和时钟时间关系，而后进行的比较才有意义。假设两个观测者的量尺长度关系和时钟时间关系分别如下：（1）两个量尺的1米始终等长，即两个量尺为等长尺；两个时钟的1秒始终等长，即两个时钟为同步钟；（2）一个量尺的1米与另一个量尺的1.1米等长，即两个量尺为非等长尺；一个时钟的1秒与另一个时钟的1.2秒等长，即两个时钟为非同步钟。显然在情况（１）和情况（２），两个观测者的测量结果之关系是互不相同的。在两个观测者相对匀速运动——分别处于两个惯性系时，情况也是如此。本文所说的实际测量具有如下特征：首先有具体的测量工具，其次有具体的测量过程，更重要的是，实际测量给出的各种测量数据均受限于具体的测量工具和具体的测量过程，不能任意取值。相对而言，某些理论研究中的所谓测量，一没有具体的测量工具，二没有具体的测量过程，所谓的测量数据也完全来自任意假设，不受实际测量的限制，这样的所谓测量只能称之为假设测量。

三、狭义相对论时空观四大假设与实际测量的关系

　　1、相对性原理与实际测量的关系：相对性原理来源于对实验现象和物理规律的归纳总结。大量的实际测量表明，物理规律的数学形式在惯性系的确“相同”，但这个“相同”并不是“完全相同”[3]。

2、光速不变假设与实际测量的关系[3]：对于r、R系原点o、O重合，且r、R系观测者所持时钟的时间值t=T=0时，r系原点o处静止点光源发出的球面光波，光速不变假设方程（３）要求r系观测者的测量结果如下：如图一所示，球面光波一直以点光源为球心，相对点光源一直以光速c膨胀扩大。可以说，这就是一个测量事实。计量学约定“真空中的光在1/299792458秒内经过的距离为一米”，就是基于该测量事实给出的。这也就是说，在r系，也就是观测者相对光源静止的情况，光速不变假设及其数学形式都能得到实际测量的支持。对那个由r系原点o处静止点光源发出，r系观测者测定一直以r系原点o（点光源）为球心，相对r系一直以光速c膨胀扩大的球面光波，光速不变假设方程（4）要求R系观测者测量结果如下：如图一所示，球面光波一直以R系原点O为球心，相对R系一直以光速c膨胀扩大。试问：R系观测者怎样进行独立的测量活动才能得到上述结果？可以说，在R系，光速不变假设的上述要求是无论如何都无法得到实际测量支持的。这也就是说，在R系，也就是观测者相对光源运动的情况，光速不变假设及其数学形式都得不到实际测量的支持。由于光速不变假设及其数学形式在观测者相对光源静止的情况能得到实际测量的支持；在观测者相对光源运动的情况得不到实际测量的支持；因此，光速不变假设乃是一半写真一半虚构的“双面怪物”。

3、惯性系坐标关系假设与实际测量的关系：在图一所示情况，设有一物理事件，狭义相对论假设r、R系观测者测得的同一事件在r、R系的坐标关系为X=a11x + a12ct，Y=y,Z=z。试问，r、R系观测者使用什么样的量尺，r、R系的量尺具有何种长度关系，r、R系观测者如何测量才能获得上述关系？ 100多年来，狭义相对论从未给出实际测量方案，连理论上的假设测量都没有。可以说，狭义相对论的惯性系坐标关系假设无论如何都无法得到实际测量的支持。

 4、惯性系时间关系假设与实际测量的关系：在图一所示情况，设有一物理事件，狭义相对论假设r、R系观测者测得的同一事件在r、R系的时间关系为cT=a21x + a22ct。试问，r、R系观测者使用什么样的时钟，r、R系的时钟具有何种时间关系，r、R系观测者如何测量才能获得上述关系？同样，100多年来，狭义相对论从未给出实际测量方案，连理论上的假设测量都没有。可以说，狭义相对论的惯性系时间关系假设无论如何都无法得到实际测量的支持。综上所述，作为狭义相对论的四大假设，相对性原理、光速不变假设、惯性系坐标关系假设和惯性系时间关系假设的两个半都是得不到实际测量支持的纯粹假设。可以说，也正是因为如此，作为狭义相对论四大假设一级推论的洛仑兹变换，以及二级推论的同时的相对性、动钟变慢、动尺变短和速度变换等，也都是很难得到实际测量支持的纯粹假设[4]。从逻辑关系上讲，作为四大假设的一级推论和二级推论，把它们叫作洛仑兹变换假设、同时的相对性假设、动钟变慢假设、动尺变短假设和速度变换假设倒是更恰当些。

 参考文献： [1]郭硕鸿，《电动力学》，北京，高等教育出版社，1979年2月，p218

[2]郭硕鸿，《电动力学》，北京，高等教育出版社，1979年2月，p218 [3]

齐新，《智胜爱因斯坦》，呼和浩特，内蒙古教育出版社，2006年6月，p124 [4]

齐新，狭义相对论被争论100多年的主要原因，《前沿科学》，2009年6月，10（2）