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高能宇宙线的GZK截断问题证明相对性原理不成立 -- GZK截断的论证本身是一个逻辑悖论 梅 晓 春 高能宇宙线起源的研究经历了100年，但至今问题仍然没有得到解决。1965年Penzias和Wilson发现宇宙微波背景辐射（CMB）后， Greisen、Zat sepin和Kuzmin于1966年提出了著名的宇宙线能量GZK截断理论。按照这种理论，宇宙线的能量不可能高于1019eV的数量级。然而实际情况确实，观测到越来越多的能量超过1020eV的宇宙粒子，并且似乎没有还能量截止的迹象。 物理学中对GZK截断问题已经有大量的讨论，并提出许多解决方案。这些方案都存在缺陷，并没有真正解决问题。本文要说明的是，GZK截断的证明本身是一个逻辑悖论，是根本不可能成立的。这个悖论的根源在于运动相对性原理，宇宙线能量不存在GZK截断，这个事实恰恰证明相对性原理不成立。高能宇宙线主要成分是质子和光子，它们都有GZK截断问题，以下仅以质子为例来讨论。 地球实验室中γ射线由原子核衰变过程产生，其波长小于0.01纳米。粒子物理学实验证明，γ射线能与质子相互作用产生π介子。对于能量低于1GeV的γ射线，反应过程是：p + γ → p + π。 如果γ射线能量高于1GeV, 反应结果是先生成共振态，然后再衰变成质子和几个π介子。但如果是低能光子，就只能被质子散射，不可能生成π介子。比如用红外光，可见光，甚至紫外光与质子碰撞，是不可能产生π介子 宇宙微波背景辐射光子（CMB光子）的波长是微波量级，大约为0.1 ~ 30厘米，能量约在10-3eV的数量级。在地球静止参考系上观察，CMB光子与质子相互作用只能被散射，不可能产生π介子。因此在地球静止参考系上观察，宇宙线能量是没有GZK截断问题的。 另一方面，按照爱因斯坦运动相对性原理，在任意惯性运动参考系上观察，物理学规律都是一样的。按照狭义相对论公式，运动物体的能量与洛伦兹因子有关。在地球静止参考系上观察，如果宇宙线质子的能量达到1019eV，洛伦兹因子等于1010。在这种情况下，质子相对地球观察者的运动速度已经非常接近光速。变换到质子静止参考系上观察，相当于发射CMB光子的宇宙背景光源以近光速向质子运动，CMB光子的波长就要紫移。按照多普勒频移公式，CMB光子的波长就从厘米的量级变成小于0.01纳米的量级，低能的CMB光子变成高能的γ射线。因此在质子静止参考系上观察，CMB光子与质子碰撞就可能发生（1）式的反应，产生π介子。 于是就出现了问题，到底CMB光子与质子碰撞是否能产生π介子呢？地球静止参考系上观察者的看法与质子静止参考系上观察者的看法不一致，哪个观察者的看法正确呢？宇宙线能量存在GZK截断的论断显然是一个逻辑悖论，如果运动相对性原理正确，我们就根本无法进行判断。 然而，光子与质子碰撞能否产生π介子是可以用实验来证明的。π介子的产生与否是一个绝对事件，与观察者的运动状态无关，是没有相对性的。如果在地球静参考系上观察没有产生π介子，在质子静止参考系上观察，也不可能产生π介子。因此高能宇宙线能量的GZK截断实际上不存在，我们没有必要对它做过多的解读。即使按照爱因斯坦对时空相对性的解释，也只是说不同地点上发生的两个事件的同时性是一个相对的概念。对于不同运动状态的观察者，在同一地点上发生的事件都是绝对事件，而绝对事件是没有相对性的。 但是问题并没有这样简单，按照运动相对性原理，地球静止参考系和质子静止参考系是等价的。在这两个参考系上观察，物理学的规律和发生的现象都是一样的。我们有什么理由认为地球静止参考系的观察是正确的，质子静止参考系的观察不正确呢？ 因此这里涉及到的是更为根本的，运动相对性原理是否成立的问题，它是爱因斯坦狭义相对论的核心问题。宇宙线理论中出现的这个问题只能说明，相对性原理不成立。爱因斯坦相对论的根本问题在于，在某些情况下，物理学规律的唯一性与运动参考系的相对性是不相容的。我们要么放弃物理学的唯一性，要么放弃运动的相对性。除此之外，我们没有别的选择。 实际观察中发现不存在GZK截断，说明地球静止参考系的观察是正确的。目前已经观察到宇宙微波背景辐射的空间各向不同性，这个事实说明存在绝对参考系。我们将宇宙微波背景辐射空间各向同性的参考系看成绝对静止参考系，地球参考系在其中的运动速度大约为390千米/秒。高能宇宙线质子静止参考系则以近光速相对绝对静止参考系运动。相比之下，可以认为地球参考系是近乎静止的。由于物理规律的唯一性，我们就应当以静止参考系的观察为准。 对于宇宙线能量的GZK截断问题，物理学家一直在试图寻找理论解释。这种努力是没有意义的，因为问题本身是一个逻辑悖论。事实上自从狭义相对论诞生以来，类似的问题还有许多，比如Sagnac效应就是一个典型的例子。在静止参考系的观察者看来，圆形旋转光纤中方向相反的两束光相会后，干涉条纹会移动。对于与光纤一起旋转的观察者，按照相对论的光速不变，两束光相会后是不会产生干涉条纹移动的。因此两个参考系对实验结果的判断不一样，但实验事实只有一个，干涉条纹会移动。因此在Sagnac效应中，应当以静止参考系的观察为准。 Signac效应的存在与GZK截断的不存在证明，运动的相对性是不可能的。这个问题实际上涉及运动速度的来源问题，如果存在绝对静止参考系，所有的运动都是相对绝对静止参考系而言的，运动速度就必须通过加速而得到。而加速过程是会对时空性质产生影响，结果使我们可以通过某些方法，判断参考系是静止还是处于绝对运动状态。关于这个问题，更具体的讨论请见以下网址：http://www.mxcphy.cn/space_time.php>。 |