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（说明：这是无忧仙人今年7月写给国内某大学校长的研究报告，现贴在这里与大家分享。虽然（一）至（四）部分也很重要，但是无忧仙人以为（五）到（七）部分的反思才更有意义。） 这是一篇涉及狭义相对论、广义相对论以及量子力学等物理学分支的研究报告；在这篇报告里，作者结合自己的研究经验和近期的研究成果，对当今物理学界所存在的问题进行了认真的反思。报告旨在通过这些反思为有关学术机构以及教育主管部门实施更加合理、高效的科学研究与人才培养制度并制定最佳的科研或教学策略与方法提供决策依据。 目录： 一、 相关研究主要涉及哪些课题 二、 获得了哪些主要研究成果 三、 以上研究成果有哪些潜在的理论与应用价值 四、 相对论究竟出了什么问题 五、 由相关研究引发的思考 六、 具体建议 七、 结论 八、 附录（一、二） （待续） |
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一、 相关研究主要涉及哪些课题
在过去大约七年的时间里（注：作者最初独立地直觉到相对论中的问题是在2004年；正式的研究始于2007年），作者所思考和研究的问题涉及了狭义相对论、广义相对论以及量子力学三大领域；这些研究主要是针对这三大物理学分支中的一些基础理论问题进行探讨，虽然偶尔也会涉及一些应用前景方面的问题。目前针对狭义相对论的研究已经基本完备，相关研究成果中的一部分或业已发表（【Cao1】；注：本报告末尾的参考文献按它们第一次在报告中出现的次序进行排列）或正待发表（【Cao2】），而另一部分也基本整理成文（【Cao3】，【Cao4】）。相比之下，对广义相对论以及量子力学的研究只是有了初步结果（【Cao5】，【Cao6】，【Cao7】）。此外，作者还正在实施有关从狭义相对论到整个现代物理体系以及西方科学与东方哲学关系的创作或汇报计划（【Cao8】，【Cao9】，【Cao10】）。具体地说，本人的研究主要针对以下课题： （1） 关于狭义相对论的理论支柱之一的相对性原理（principle of relativity）的理解问题 （2） 关于狭义相对论的理论支柱之二的光速常数原理（constancy of the velocity of light）的理解问题 （3） 对狭义相对论中的洛仑兹变换（Lorentz transformation）的正确性的质疑 （4） 对狭义相对论中的相对论时空效应（relativistic effects of time dilation and length contraction）的重新审视 （5） 相对的同时性（relativity simultaneity）所包含的哲学的、逻辑的以及物理的困难 （6） 质能方程 的根本误区 （7） 狭义相对论的两个理论支柱的共存问题 （8） 对全球定位系统（GPS）中所谓的相对论时间效应的成因与实质的解读 （9） 对狭义相对论实验证据的全面检视 （10） 广义相对论的主要理论缺陷 （11） 对广义相对论实验证据的全面检视 （12） 量子力学中的非局部特征（nonlocal nature of reality）与狭义相对论、广义相对论的关系问题 （13） 对量子力学中的物理测量问题（measurement problem）的探索 （14） 量子纠缠（quantum correlation）所蕴含的物理和哲学意义 （15） 对以上三大物理学分支所揭示的时间的本质、空间的本质、质量的本质以及它们与现实世界的非局部特征之间关系的重新审视 （16） 基于相对论的其它主要现代物理学分支所存在的问题 |
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二、 获得了哪些主要研究成果
（作者原注：以下内容专业性稍强，主要供有兴趣的国内同行研判；若对此无意深入了解者，可跳过这部分而直接阅读（三）。） 基于（一）中所列举的问题顺序，现在把作者主要的研究成果简单描述如下： （1） 关于狭义相对论的理论支柱之一的相对性原理的理解问题 相对性原理虽然可以简单地表述为“在所有相互之间做匀速运动的参照系（即所谓惯性系）中，物理规律都是一样的”（【Poincare】第2.2节，【 Einstein1】第2节），但是却有充分的证据表明，对该原理的把握和应用不仅是一个如何准确表述它的问题，更是一个如何正确理解这种表述的问题；然而遗憾的是，狭义相对论恰恰在这后一方面出了问题，这集中表现于该理论的创立者在光速测量问题以及其它光学现象上所坚持的观察者-光源完全对称性，即认为在测量光速时观察者运动与光源运动所扮演的角色是完全对等的，而理论和实验均证明，事实并非如此（【Cao1】第III节，【Cao2】第III、IV、VI节，【Gift1】）。发生以上错误的根本原因在于对“物理规律”这一术语缺乏审慎的推敲与准确的界定，因为“物理规律”本应是物理实验结果与实验条件的内在联系，而不单单是实验结果的本身。据此，相对性原理中的“在所有惯性系中物理规律都是一样的”也只能意味着在相同实验条件下产生相同的实验结果，而不是忽略了实验条件而简单断言“对于来自于同一光源的光线，相对于该光源做不同匀速运动的观察者都将测得同一个光速数值”。修正的方法（【Cao2】第V、VIII节）：（a）正确地界定“物理规律”一词所传达的内涵；（b）修改狭义相对论对“（惯性）参照系”一词的定义 （见以下（2））。 （2） 关于狭义相对论的理论支柱之二的光速常数原理的理解问题 光速常数原理最初表述为“在一个‘静止’参照系中，观察者所测得的光速独立于光源的运动”（以下简称狭义光速常数原理）（【Einstein1】，第2节），这本来是一个有理论和实验依据的结果，但是当这一结果同观察者-光源完全对称性或者相对论时空效应不恰当地结合后，便得出了“在任何一个惯性系中，观察者所测得的光速都既独立于光源的运动又独立于观察者的运动”（以下简称广义光速常数原理）这一错误结论（【Einstein2】第7-11节）。修正的方法（【Cao2】第V、VI、VIII节）：（a）将“惯性系”定义为同时携带光源和观察者且做匀速运动的运载工具；（b）限定观察者静止于该惯性系之中。 （3） 对狭义相对论中的洛仑兹变换的正确性的质疑 洛伦兹变换最初是由洛伦兹和其他学者为了解释当地球相对于假设中绝对静止的光媒介“以太”做轨道（公转）运动时，地球上的观察者所测得的光速为何并没有受到这一轨道运动影响这一事实而提出的（【Lorentz】，【FitzGerald】，【Lamor1】，【Lamor2】第X、XI章），也就是说，这个变换成立的前提是绝对静止的以太的存在；然而爱因斯坦（A. Einstein）却在忽视或拒绝了以太的存在之后所提出的狭义相对论中继续使用这一变换。这个变换的错误在于（【Cao1】第III节，【Cao2】第IV、VI、IX节，【Sherwin1】，【Thim1】，【Thim2】）：（a）它必须以（错误的）广义光速常数原理为前提才能推导而出；（b）逻辑上它意味着（错误的）观察者-光源完全对称性或广义光速常数原理的成立；（c）作为其直接推论的相对论时间和空间效应缺乏狭义相对论框架内的必要的实验证据支持（见（4））。 （4） 对狭义相对论中的相对论时空效应的重新审视 洛伦兹变换的一个直接结果便是运动的惯性系内时间膨胀和尺度收缩效应的存在（【Einstein1】第4节，【Einstein2】第12节），这就是通常所说的相对论时空效应。然而，这样的时空效应作为洛伦兹变换的直接推论不仅缺少相应的理论根据（见（3）），而且缺乏关键实验证据的支持（【Cao1】第VI、IX节，【Cao2】第IX节，【Thim1】，【Thim2】，【Sherwin1】）。需要特别指出的是，为使狭义相对论所要求的时空效应能够成立，那么就必需：（a）这种效应是匀速运动而不是加速运动的结果； （b）这种效应是时钟或直尺真实的物理变化而不是表观效应（apparent effect）；（c）不存在独立于运动参照系或观察者的时间与长度标准。然而迄今为止没有，也不可能有，任何所谓的相对论效应同时满足这些条件；所以，不是时间或空间由于匀速运动而产生了变化，而是有人使用了扭曲的标准。参见以下（8）或者【Cao2】第IX节对相对论效应尤其是GPS时钟效应的详细讨论。 （5） 相对的同时性所包含的哲学的、逻辑的以及物理的困难 首先，狭义相对论中相对的同时性乃是基于错误的前提以及对现实情况的错误判断的条件下推导出来的；这个错误的前提就是“视觉是人类感知外部世界的唯一或者标准方式”，这个错误的判断就是在一个光源和多个观察者的情况下本应对光子的传播分别处理，但是相对论却漠视这其中的差别（【Cao1】第VI节，【Cao2】第VI、VII节）。其次，相对的同时性包含着循环的逻辑，因为，正如我们不能用改变长度的测量单位的方式来证明世界上每个人都有相同的身高一样，我们也不应该用简单调节时钟的方法来证明所有观察者所测得的光速都是同一个常数；而事实上，为了相对的同时性能够成立，我们却恰恰需要采取这一错误立场（【Cao2】第I节）。最后，相对的同时性被刚体的存在所证伪（【Cao2】第IX节），被即时超距作用（instant action-at-a-distance）的存在所证伪（【Sherwin2】，【Phipps】），被重力具有远远超过光速的传播速度的事实所证伪（【Flandern】），被量子力学的非局部原理所证伪（【Cao2】第IX节，【Cao6】），甚至也被GPS测距方程和GPS时钟调节方式所证伪（【Cao2】第I、V、IX节）。 （6） 质能方程 的根本误区 狭义相对论的质能方程 包含了以下问题（【Cao3】）：（a）错误的前提即广义的光速常数原理或其等价命题，（b）误导性的解释，（c）自相矛盾，以及（d）实验证据的缺乏。关于这一部分内容，作者将在必要时候给出有关细节。 （7） 狭义相对论的两个理论支柱的共存问题 如果狭义相对论中的相对性原理按照观察者-光源完全对称性来理解，或者光速常数原理按照光速既独立于光源运动又独立于观察者运动来理解，那么狭义相对论的这两个理论支柱便无法无矛盾地共存。但是如果适当修改以上两个原理，特别地，相对性原理按照（1）中的说明来理解，而光速常数原理按照（2）中的说明来理解，那么二者便可以无矛盾地共存。事实上，这种无矛盾共存既不能由相对论时空效应来解释（如狭义相对论中所做的那样），也不能由光媒介的存在来简单解释（如洛伦兹以太理论所做的那样）；然而，量子力学的非局部原理却能够合理而有说服力地解释这种共存（【Cao2】第VII、VIII节）。 （8） 对全球定位系统（GPS）中所谓的相对论时钟效应的成因与实质的解读 关于GPS中的相对论时钟效应存在着一个广泛流传的错误认识，那就是这些效应是狭义相对论或广义相对论的直接推论或结果，而事实却是，它们都能够而且只能够用经典力学（中的向心加速度和重力势）来解释（【Cocke】，【Cao2】第IX节）。其次，如果现有理论对这些效应的预测是正确的，那么可以肯定这些效应并非反映了时钟自身的真实变化，而只是当光源做相对于观察者的运动时所引起的表观效应，这同光或声传播中所遇到的经典多普勒（Doppler）效应性质类似（【Ashby】，【Fliegel】，【Cao2】第IX节）。再次，因为GPS时钟效应不改变绝对的同时性存在的事实（【Cao2】第IX节），所以，这种时钟效应只是反应了一种扭曲的时间标准，而不可以等同于时间变化的本身。最后，GPS时钟效应与相对性原理并不矛盾，原因是，相对论时间效应产生于光源与观察者之间的相对运动，而（正确解释后的）相对性原理却要求光源与观察者固定于同一运载工具（【Cao2】第IX节）。 （9） 对狭义相对论的实验基础的全面检视 同一般人相信的恰恰相反，狭义相对论不仅根本没有得到实验的完全证实，而且在所有的关键环节是被证伪的，这主要体现在：（a）狭义相对论的相对性原理所要求的观察者-光源完全对称性根本不存在，而现实中所存在且为实验所证明的恰恰是观察者-光源不对称性（【Cao1】，【Cao2】，【Gift1】）；（b）狭义相对论的光速常数原理即光速既独立于光源又独立于观察者根本不能成立，而理论上正确且为实验所证实的是光速只独立于光源的运动但是却不独立于观察者的运动（【Wang】，【Standish】，【Cao1】，【Cao2】，【Gift2】）；（c）狭义相对论的相对论时空效应，要么不存在，要么存在但却不是像这个理论所要求的匀速运动的结果，而是加速运动与重力势作用的结果（【Sherwin1】，【Thim1】，【Thim2】，【Cocke】，【Fliegel】，【Cao2】）。 简言之，如果狭义相对论让人觉得多么正确，那么这不是因为它已经得到了完全的实验证实，而是一些人报喜不报忧的结果。 （10） 广义相对论的主要理论缺陷（待续；【Cao5】） （11） 对广义相对论实验证据的全面检视（待续；【Cao5】） （12） 量子力学中的非局部特征与狭义相对论、广义相对论的关系问题（待续；【Cao6】，【Cao7】） （13） 对量子力学中的物理测量问题的探索（待续；【Cao7】） （14） 量子纠缠所蕴含的物理和哲学意义（待续；【Cao9】） （15） 对以上三大物理学分支所揭示的时间的本质、空间的本质、质量的本质以及它们与现实世界的非局部特征之间关系的重新审视（待续；【Cao10】） （16） 基于相对论的其它主要现代物理学分支所存在的突出问题（待续；【Cao10】） |
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四、 相对论究竟出了什么问题
为了便于读者更好、更全面地把握狭义相对论中的问题，作者将他已经或正待发表的两篇文章的结论部分翻译如下： 【Cao1】G. Cao, “Some Reflections on the Special Theory of Relativity”, Physics Essays 23, No.2, 344-354 (2010): 第X节、结论。在这篇文章里，我们认真地检视了狭义相对论中的种种困难；这些困难的存在不可避免地意味着，这一理论是有根本缺陷的。特别地，如果大自然不会包含自相矛盾并且逻辑是有效的发现真理的途径，那么我们在这篇文章里证明了： （1） 相对论时空效应要么不存在，要么存在但却不是匀速运动的结果，正如我们在第IV节所做的相对论效应的成因分析以及第VI节所给的三个时钟的例子所证明的那样（作者注：三个时钟的例子包含了一个隐含假设，参见【Cao2】第IX节的进一步讨论）； （2） 即便相对论效应真的存在，它们也不能够正确解释光速的常数原理，甚至也不能正确解释光速相对于光源运动的独立性，正如我们在第VI节中所证明的那样； （3） 光速常数原理只在以下意义下是成立的，即光的速度是独立于光源运动的，但是它显然是不能够既独立于光源运动又独立于观察者运动的，正如我们在第VIII节所证明的那样； （4） 狭义相对论的问题根源在于，它将以洛伦兹变换为代表的不正确的观察者-光源完全对称性应用于（正确的）光速独立于光源运动的原理，从而推导出了不正确的光速常数原理，我们在第III节和第IX节已经指出了这一点； （5） 光速独立于光源运动的原理有一个潜在的简单解释，那就是它是一个媒介特性，因而这种独立性是不能延伸以包括观察者的，这是因为光速的测量是相对于观察者所在的参照系而做出的，所以观察者的运动必须考虑于其中，我们在第VIII节对此做了说明。 【Cao2】G. Cao, “Relativity, Non-locality, and the Newly Revived Theory of Ether”, Physics Essays 24, No. 3 (September 2011; to appear): 第X节、结论。我们将这篇文章的主要结果总结如下： 对于同为运载工具且相互之间做匀速运动的两个惯性参照系A、B来说，相对性原理并不意味着A所感知到的B的东西一定等同于B所感知到的A的东西，同时它也不意味着对于来自于同一光源的光子来说，A、B将一定测得同一个光速数值；实际上相对性原理只是意味着，如果我们把前述场景中其中一个惯性系中所做的实验在另一个惯性系中再复制一次，那么我们将获会得相同的实验结果，或者等价地说，当一个物理实验完全限制于其中的一个惯性系之内时，这个实验将不能够揭示该惯性系的运动状态。如此澄清后的相对性原理便可以通过经典力学的惯性理论或者量子力学的非局部特征而与光速独立于光源运动的原理调和起来，但是却不能通过相对论效应或者最近复兴的以太理论来实现这一点。 这样我们看到，我们可以使用古老的经典力学中的惯性或者等效重力势来解释现有的实验数据，我们也可以使用新近揭示的量子力学中的非局部原理来达到同一目的，但是最重要的是，我们看到经典力学和量子物理交汇在一起了。然而遗憾的是，同样的论断既不适用于狭义相对论，也不适用于广义相对论，这是因为，这些理论要么有严重的理论缺陷，要么与实验事实直接相矛盾。 |
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（续（六））
如果本报告所述及的严峻挑战与巨大机遇确实存在，而且我们确如上面所建议的那样，能在选才、育人、科研三个主要方面均应对得当，尤其是注意充分发挥自己传统文化与现实制度的优势并有效克服其劣势与不足，那么作者相信，在未来十到十五年的时间内我们将能够打造出一个既有出色的攻坚能力又有卓越的战略眼光的理论物理团队，并同时产生一批富有创造性的高水平科研成果；持此不懈，则在未来二十到三十年的时间内，预期我们将拥有一批傲视国内、享誉海外的优秀理论物理学家，并从此开始在理论物理以及相关领域全面领先世界。 正如一篇文章中所说的，“我们中国人不缺创新的基因”，对此作者深表赞同，不仅如此，作者还相信，博大精深的中华文化在一些关键方面具有远远未被充分利用的独到优势（【Cao9】）；既然如此，那么我们当下最紧迫的任务乃是创造理想的育人环境并实施正确的育人方法与策略。此为中国科学赶超世界先进水平的内因。而某些人出于既得利益与惯性，造成西方国家尤其是美国在现代物理的一些核心领域或关键研究方向上严重的学术禁忌，而且这种情况在可见的将来不会放松（【Cao8】第9、10章），所以在这些领域或方向存在被严重拖累甚至被全面超越的可能。此为中国科学赶超世界先进水平的外因。以上便是作者赖以做出前述判断与预测的理论根据。 |
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七、 结论
种种的证据表明，现代物理的几个主要分支已经走入了严重的误区：这些证据既有来自历史的，又有来自现实的（【Cao8】第1、2、3章）；既有客观的，又有人为的（【Cao8】第6、7、8、9章）；既有理论的，又有实验的（【Cao8】第4、5章）；既有属于哲学观念的，又有源于思维方式的（【Cao8】第9、10章以及附录），可惜的是，在一篇简短的报告中远远不可能提供这证据的全部。然而真正需要忧虑的不是这些问题的本身，而是这些问题赖以滋生的学术生态，因为问题本身也许容易被发现并纠正，但是作为问题根源的不良习气却难以除却。也正是由于这个原因，作者才针对学术界可能存在的种种问题进行了反思并提出了相应的建议，这些建议如果再简单总结一下，那就是： 切莫因为一件事多数人在说便信以为真，也不可以为专家或权威对某事下了结论便绝对正确；也不能因为一个道理写在书本便轻易相信，但也不是说去简单地怀疑一切——任何时候，科学家务必以揭示真理为人生的最高目的，并让理性与智慧之光照亮自己的探寻之路；用自我剖析、自我超越的勇气扫平一切私利、成见、习气与谬误的坑坎和障碍，再以知识与技能的岩石铺下坚实的路基；以对真理的热爱和为科学献身的精神为自己事业的列车注入强大的动力，最后，再以民族自尊心、自信心、自豪感与使命感为自己的人生之旅筑起牢固的防护之栏。特别地，如果来自外部的信息不能代替来自内部的思考与判断，那么就请相信自己的眼睛和脑袋胜过相信他人的嘴巴与笔头——事实上，作者相信，这既是发现和核实本篇报告所提问题的最佳途径，也是纠正这些问题并做出潜在的科学新发现的最有效策略和方法。反之，一个不善于独立思考的个人必是一个无所作为的个人，而一个不善于独立思考的民族一定是一个没有希望的民族！ 如果有人认为本报告中所述及的种种关于学术态度或方法的问题在自己或周围人的身上并不存在，如果他对以相对论为代表的现代理论物理的整体认识或结论不是因袭他人的结果，而是自己认真检视正反两方面的理论根据与实验证据之后深思熟虑的产物，特别地，如果他有完全的信心与勇气让自己以上的认识或结论接受并胜出任何人以任何方式的质疑或挑战，那么作者愿意在此为浪费他的时间向他真诚地致歉；否则，又有何种理由漠视这篇报告中的核心结论呢？ 最后，祝愿心爱的母校集思广益、锐意进取，努力于不久的将来傲视世界高等学府中的群雄；祝愿伟大的祖国兴利除弊、奋发图强，争取于二十一世纪实现中华民族之伟大复兴！ ——谨与国内的物理学同行与学生共勉！ |
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八、 附录
附录一、作者已发表于加拿大《Physics Essays》杂志的有关狭义相对论理论缺陷的英文文章“Some Reflections on the Special Theory of Relativity”（【Cao1】）的原文 附录二、作者拟发表于加拿大《Physics Essays》杂志的有关狭义相对论、量子物理的非局部特征、以及以太理论之间关系的英文文章“Relativity, Non-locality, and the Newly Revived Theory of Ether”（【Cao2】）的原文 参考文献（按第一次出现在报告中的次序排列）： 【Cao1】G. Cao, “Some Reflections on the Special Theory of Relativity,” Physics Essays 23, No. 2, 344-354 (2010). 【Cao2】G. Cao, “Relativity, Non-locality, and the Newly Revived Theory of Ether,” Physics Essays 24, No. 3 (September 2011; to appear). 【Cao3】G. Cao, “Challenging the Mass-Energy Equivalence Relation ,” to be submitted to Galilean Electrodynamics. 【Cao4】G. Cao, “Theoretical and Experimental Evidences for Faster-Than-Light Speeds,” to be submitted to Galilean Electrodynamics. 【Cao5】G. Cao, “Some Reflections on the General Theory of Relativity,” to be submitted to Physics Essays. 【Cao6】G. Cao, “Physical and Philosophical Implications of Quantum Correlation” (In preparation). 【Cao7】G. Cao, “Exploring the Measurement Problem of Quantum Mechanics” (In preparation). 【Cao8】（书稿；撰写之中）曹广军，《你所不知道的狭义相对论》 （以下是该书目录： 第1章、 狭义相对论说什么 第2章、 谁创立了狭义相对论 第3章、 狭义相对论究竟包含多少原创的思想 第4章、 狭义相对论有何理论缺陷 第5章、 狭义相对论有完备的实验基础吗 第6章、 重新审视狭义相对论的时空观 第7章、 走出质能关系的误区 第8章、 全球定位系统中的时钟效应证实了狭义相对论了吗 第9章、 相对论为何‘永远正确’ 第10章、 为何探寻真理之路常常曲折而不平 附录：相对论中的哲学与逻辑困难） 【Cao9】曹广军，“东方哲学与现代物理的合璧：偶然还是必然，形似抑或神似？”（待写） 【Cao10】(Report) G. Cao, “A Critical Examination of Modern Physics” (In preparation). 【Poincare】H. Poincaré (translated by G. B. Halsted), The Principles of Mathematical Physics (1904), http://en.wikisource.org/wiki/The_Principles_of_Mathematical_Physics. 【Einstein1】A. Einstein, “Zur Elektrodynamik bewegter Körper,” Annalen der Physik 17, 891 (1905). 【Gift1】S. J. G. Gift, “Einstein’s Principle of Relativity and Stellar Aberration,” Physics Essays 18, 561-563 (2005). 【Einstein2】A. 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曹广军文中思想有待领会消化，而文章语言之优美确令人赞叹，堪比曹雪芹之文采。曹门之荣光也！
我联想到了“公车上书”。 |
| 如果光波是由以太光子小球传播形成的，每一个光子的动量速度都相同，那么在这种传递性波动过程中，无论光子场的密度大还是小，光波速度都是相同的，只是波长有变化而已。这种问题应该很好理解，扯不上光速可变的问题，并且，一个惯性速度在没有外力的情况下，如果可以随便发生变化，那真是很奇怪的事情。光速恒定，是有理论依据的。 |