相对论的时间相对性模型正解 

相对论的理论基础之一——时间的相对性，是爱因斯坦用火车灯塔模型说明的，现已被许多反相者（作者在《惯性系的理论重建及相对论的错误》一文也作了论证）指明了错误所在。然而，许多维相者又造出了新的物理模型，来证明时间的相对性。新模型给反相者提出了新的问题，可能至今尚未破解。下面展示两个新物理模型，并指出维相者的推导错误进而作出正确解答。

 一、两个物理模型

模型一——一列长为1公里的运动火车，某时刻车尾在路基上A点,车头在路基上B点, AB相距1公里，此时刻车尾光源向车头发射一束光。地上观察者看到光到达车头时，车头已经到达B`点， 毋庸置疑，AB`>AB。光束从车尾处光源出发抵达车头这样一个物理过程，有两种情况：在车上看，光移动了一公里，光速是C，光从车尾出发抵达车头这样一个物理过程所需时间是1公里/C；在地上看，光移动的行程大于一公里，光速还是C，光从车尾出发抵达车头这样同一个物理过程所需时间是（大于1公里）/C；因为光速不变，不同行程必有不同时间，同一过程得到两个不同的时间，所以时间有相对性。

 模型二——火车匀速向右（读者面对模型图或地面观察者看来）行驶，火车地板上有一个竖直发光的光源在某地点向上发光。模型中有二图：一图是车内观察者看到的光在车内竖直发射和反射的光路图；另一图是地面观察者看到的光线是从坐标原点出发，向上而右一条斜线，到车顶棚后反射向下而右方向又一条斜线，两条斜直线长度相等。车内人看到的光路是竖直去回的两条竖直光线（车高为H），地面上的人看到的是两条斜光线L，显然L>H。与模型一同理，光速不变，不同行程有不同时间，由此也证明了时间的相对性。 上面二个模型设计得很巧妙，但其推导和结论是错误的。问题出自设计者忽视了光运动特别是运动光源发出的光的运动有其独特的性质和现象，粗心大意地将人们熟知的物体运动的性质和现象误用到光运动上了。两个模型很有意思：在维相者手里可用于证明相对论的正确；在反相者手里却能用来证明相对论的错误。 

二、模型一正解 

本文将光的行程叫做光程，光运动的前端叫做光端。光程与物体直线运动的路程一样，要有初位置和末位置，对于光来说，要有光初发位置和光末了位置。一束光线上有无数份“光子”，光程就是同一份“光子”（同一光脉冲或光端）从初位置运动到末位置的距离。计算光传播的时间，一定要用发光的初位置与末位置之间的光程除以光速，不可用动参考系上某一段光线的长度除以光速。

设路基上有A、B、A`、B`、B``等点。车头由B点运动到B`点，车尾已经不是A点而是A`点，地面上人看到光程为AB'，车上人看到的车尾光源到车头（距离为A`B`或AB）的光线，不是光端从初发位置到末了位置的光程。 

光程除以光速等于光运动的时间。车上人看到到达B`点的光不是同时刻车尾发出的光，而是车尾在A点时车尾光源发的光。光到达B`点，同时刻车尾光源发出的光还在“路上”，因而不可用车头B`点到达的光跟车尾在A`点光源发光当做A`B`间的光程。 

当车尾光源在A`点发的光到达车头时，已经不是B`点而是B``。这就是说，光程A`B``还是等于AB`，光从A`到B``的时间等于火车从B`运动到B``的时间。 

用AB`>AB（或A`B`）证明时间的变化不可行，原因是A`B`距离上的光线有光末位置没有光初位置，丢掉了AA`一段光程。而AA`+ A`B`=AB`，说明光程只有一个，不存在不同参考系中有同一标准测量而不同的光程。 

三、模型二正解

 先设路基上有一点A，车上地板由前到后依次有等距离点B、C、D，与B、C、D点竖直相对车顶棚上依次有b、c、d点。 

设火车地板上B点有一个竖直向上发光的光源。当火车运动到光源B点与路基上A点相对时，光源开始发光，火车的运动状态不变。车内的光束是竖直射向火车顶棚的，并且不因火车向前的速度而向前倾斜。光端到达顶棚的位置不是光源与顶棚竖直相对的点b，而是b后的c点。这时B点已在路基A点的前方，而恰恰车上c点与路基A点竖直相对。车顶棚c点的光反射到车地板上，落到与路基A点相对的地板d点上。

 因此，火车运动时车内竖直光反射不是落到车内光源位置上，而是落到光源后方的位置上。光端射出到反射回来还是相对地基上的同一点，跟路基上B点向上发光被空中什么物体反射回来一样。 

模型二图中给出的斜线折射光路图根本不对。竖直发光的光线不会斜向前方，就像一人在夜间手持香火快速旋转或舞动，别人看到转动的光圈，是人旋转产生的效应，而不是光作圆周运动。 

四、模型推导产生错误的原因 

模型一中光源在运动，所以容易给人以假象，即以光源位置与光端位置之间的距离计算光程，忽略了光线的始发位置。由于光端点的光不是同时刻光源发射的光，所以在运动光源与光端两位置间计算光程必然丢掉一段光程（光端到某位置时光源运动的一段距离）。 

模型一可以等效转化为一非常长的列车停在平直轨道上，车尾一人打开手电照向车头并向车头走去，当光端到达车头时，拿手电的人恰好走到末尾第二节车厢。这时，地上的人看到的光程是从车尾到车头；第三节到首节的车厢内的人看到光端到车头时回头找光源，觉得光程是从第二节到车头。由此造成了车上人看到的光程比车外人看到的光程短，不知道丢掉了尾车长一段光程。  

模型二是将物体的合成运动图不自觉地套用到光的运动。比如从车地板上竖直向上抛一小球，小球到顶棚后竖直弹回。地面上人看到的小球运动的轨迹是斜向前上方直到顶棚，从顶棚又斜向前下方到地板，这种现象是小球随车水平运动与竖直运动全成的效果。车内人看到的小球轨迹是竖直向上又弹回，因为小球有与车速度相同的水平速度，不会落到竖直方向的后方。模型二的两个光路图，实际上是正是本例小球竖直上抛运动的两种轨迹图。 

光的发射与物体的发射不同，在上抛小球位置向上射出一个光脉冲，光不是射到小球打到顶棚的点，而是射到小球击点的后方，原因是光没有随车运动的水平速度。这时车内人看到光斜射向后方。而车外观察者看到车内发射的光是竖直向上的，反射是竖直向下的，光没有随车向前运动，还在发光时与地面对应点竖直方向上作发射出反射回运动。 

对于模型二中的光线问题，可想象为一人向前奔跑放风筝，人跑比拟火车运动，风筝上升比拟光向上发射，而车内人看到的光线（应该是一条光带）就是拉紧的风筝线。所以，模型二中的光线是从顶棚上斜向下到光源的直线，即光前端到达顶棚时，光源上的光还刚发出。这个光线是一种光源运动和发光的效应线（它是由无数份竖起向上的光脉冲或光端合成），不是从光源发射到顶棚的光束。这段从顶棚斜向光源的光带，是斜度不变整体向上移动，先接触部分先反射，反射光又形成与入射光斜度相反的光带（发射和反射的斜光带出现在某特定的瞬时）。 

结束语

结论一：两个模型非但不能证明时间有相对性，反而彰显相对论的错误。

结论二：时间并没有变化，不存在时间的相对性。

注：为了表述和理解的方便，本文说的光运动是指光脉冲或光线前端的运动。 

作者：郭连成

2010年12月18日 于哈尔滨