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漫谈相对论(2)-----狭义相对论有实验基础吗?
[楼主] 作者:a_11111111  发表时间:2003/11/26 00:21
点击:215次

   漫谈相对论(2)-----狭义相对论有实验基础吗?
                                                          
               朱纪东

                                                                          
    
          狭义相对论问世已有近百年了,狭义相对论的实验基础是什么?狭义相对论有没有实验基础?这些问题始终叫人感到不甚了然。有些物理学家认为"人们反复不断地采用各种新的实验方法和测量技术进行了观察,为这个理论(指狭义相对论)提供了丰富的实验证据[1],"并把所谓的能证实狭义相对论正确性的实验如数家珍似的列举了一遍:迈克尔逊--莫雷型实验、原子钟的环球航行实验、飞行介子的寿命延长……。这些实验能不能用来证实狭义相对论?这些实验究竟说明了什么?这值得人们细细的推敲。                                     
       一、浅述时间膨胀的绝对性与相对性
            为解释迈克尔逊--莫雷型实验的零结果,洛伦兹提出了在运动惯性系内时间膨胀、空间收缩的假说。洛伦兹认为以太是存在的,空间收缩、时间膨胀效应只会发生在相对于以太运动的参考系内。在洛伦兹的假说中相对于以太运动的钟"真"的走慢了、尺的长度"真"的缩短了,洛伦兹对时间膨胀、空间收缩效应赋予了绝对性。
      爱因斯坦在狭义相对论中对洛伦兹变换重新进行了解释,爱因斯坦认为以太是不存在的,所以在相对论中没有优越的参考系,如果两个有相对运动的惯性系k和k',k和k'中的观察者都可以认为自己是静止的对方是运动的,都可发现对方的钟发生了时间膨胀,即时间膨胀是相对的,发生这种效应时钟并非"真"的走慢了,时间膨胀仅仅是在"测量"过程中发生的[2][4]。怎样进行这种"测量"呢?爱因斯坦提出进行这种测量的两个先决条件:其一,在参加测量的两个惯性系之间必须有相对运动;其二,在测量中观察者必须用自己参考系中的无数个钟和相对于自己运动的另一个惯性系内一个固定的钟相比较,才会发现对方钟走慢了[3]。根据相对论没有这两个条件根本不可能观察到时间膨胀效应。
       物理学界存在这样两种针锋相对的观点:根据洛伦兹的观点空间收缩、时间膨胀有绝对性,而爱因斯坦则认为空间收缩、时间膨胀是相对的。由于以太在解释一系列物理实验过程中遇到了麻烦,洛伦兹假说受到冷落,而狭义相对论则得到追捧。受到追捧的狭义相对论是否经过了实践的检验以及是否经得起实践的检验,这是本文以下所要讨论的内容。
 
                      二、狭义相对论是否有实验基础?
  对飞行μ介子半衰期变化情况的观察通常被认为是验证时间膨胀最经典的实验 [1]。一些物理学家在宇宙射线中看到了相对于地球高速运动的μ介子半衰期延长了,于是就认为狭义相对论所预言的时间膨胀被证实了。其实这个实验充其量只是证实了在地球参考系内静止于地球的钟走得最快,钟相对于地球运动速度越大走得越慢,这丝毫也说明不了时间膨胀有相对性。在观察者还没有站到高速运行的惯性系上,也并没有在这个高速运动的惯性系中同样看到静止于地球的μ介子半衰期也延长的情况下,又怎能说这个实验证实了相对论的正确性呢?
       现再来分析一下Hafele和Keating在1971年做的原子钟的环球航行实验。Hafele和Keating把铯原子钟分别放在地面和飞机上,据说飞机向东绕地球一周返回地面,飞机上的铯原子钟比地面的慢,而飞机向西绕地球一周返回地面,飞机上的铯原子钟比地面的快,最后的结论是在误差的范围内实验结果与相对论的预言相符合[1]。无论是Hafele还是为Hafele实验叫好的物理学家,竟然都没有发现这个实验完全违反了狭义相对论。一、 Hafele没有用自己参考系内无数的钟与相对于自己运动的另一个参考系内一个固定的钟相比较,实验所用的测量手段不符合狭义相对论的要求;二、Hafele把始终静止于地面的钟和曾经相对于地面飞行过一段距离的钟放在一起比较,这说明他并不是在两个参考系有相对运动的情况下去观察时间膨胀效应,而根据狭义相对论时间膨胀效应是相对的、是在测量过程中发生的,因此在两个惯性系没有有相对运动的情况下无法"测量"到时间膨胀效应。但Hafele却声称,他在实验中不仅看到了这个效应,而且还得到了相对论所预言的结果,这倒是令人奇怪的。
      Hafele实验确是属实的话,它所产生的结果必须引起人们的高度重视。因为这个实验至少已说明了以下几点:
     1. Hafel没有在自己参考系内设置无数个钟也没有在两个参考系相对运动情况下观察到时间膨胀效应,可见出现时间膨胀效应并不需要爱因斯坦所提出的先决条件。
     2. Hafele发现相对于地心坐标系运动的钟走的慢,静止于地心坐标系的钟走得快,这已清楚地证明了时间膨胀具有绝对性,因而实验的结果事实上已否定了狭义相对论。
      3. 按照狭义相对论时间膨胀并不涉及到原子内部某种神秘的过程,是在测量过程中发生的[2],Hafele并没有在钟运动期间作过任何测量,只是在飞机降落后从钟的读数上发现钟在"运动"(此处运动指的是相对于地心坐标系的运动)期间真的走慢了,这恰恰说明在运动钟内部原子的周期性运动会变慢(因为Hafele用的是铯原子钟)。
      Hafele的实验足以给狭义相对论的正确性打上一个大问号。一个似乎已否定了相对论的实验却被当成说明相对论正确性的真凭实据来摆弄,这样的怪事在相对论的研究中屡屡出现。一些物理学家在使用相对论结论的时候往往都忽略了产生这个结论的前提,事实上没有这些前提也就决不会有相对论以后的一切结论,把违反相对论基本原理的实验用来证实相对论这似乎成了一些人的通病。物理学界有不少人错误地把发现时间膨胀效应的实验一概视为狭义相对论的实验基础,他们似乎不明白,空间收缩、时间膨胀是由洛伦兹提出的,爱因斯坦则认为空间收缩、时间膨胀有相对性,因此只有时间膨胀效应而并未能证实这种效应具有相对性的一切实验,根本不能用来证实相对论是正确的;他们似乎不明白,实验只有在完全符合爱因斯坦所提出的两个先决条件的情况下才能去证实时间膨胀的相对性,目前在文献中所能查到的实验没有一个符合爱因斯坦符所提出的要求,因而这些实验充其量只能能证实时间膨胀是存在的并且具有绝对性,根本谈不上去证实相对论有什么正确性。
        限于篇幅,笔者无法把所有实验在此一一列举。著名物理学家康特(W. Kantor)在剖析用来证实相对论的六十多个实验后指出:这些实验全都基于无效的逻辑或错误的方法。而以上讨论则更进一步表明狭义相对论并无任何实验基础。

                          三、时间膨胀的相对性是否存在?
    验证狭义相对论的实验大多数都是在地球上做的,物理学家通常都是以地心为原点建立坐标系并进行实验。遗憾的是到目前为止实验只能证实静止于地心坐标系的钟走快,相对于地心坐标系运动的钟走得慢,这些实验只证实了时间膨胀有绝对性。
   时间膨胀的相对性有没有被实验所证实?能不能被实验所证实?笔者从未看到有人对这些问题作过正面回答,只是看到了一些物理学家为缓解狭义相对论在理论上、实践上所存在的矛盾而提出了时间膨胀的绝对性是由加速度造成的论点[6]。笔者曾分析过这种论点在理论上是不成立的、在实践上也是没有根据的[7],限于篇幅本文对此不进一步展开讨论。但笔者在这里所要指出的是,狭义相对论所阐述的是时间膨胀的相对性,某些物理学家想用加速度来解释的是时间膨胀的绝对性,这两者根本不是一回事。时间膨胀的相对性究竟存在不存在?如何使它在实验中演示出来?这是赞同狭义相对论的物理学家必须回答的问题。加速论者有意识回避了这些问题,他们把讨论的议题从时间膨胀有没有相对性转移为时间膨胀的绝对性是如何形成的,这显然是偷换了概念。于是人们在物理学界只能看到加速论者在喋喋不休地解释两个有相对运动惯性系之间的对称性是如何被加速度破坏的,但却始终看不到这种对称性得以成立的任何事实依据。时间膨胀、空间收缩的相对性根本无法在任何实验中有效的演示出来,充其量只是体现了爱因斯坦丰富的想象力,这是一个不争的事实。
   现代物理学确实是处在一个两难的境地中,洛伦兹假说虽然受到以太困扰但洛伦兹所提出的时间膨胀的绝对性却为实验所证实 ,而狭义相对论虽避开了以太的困扰但时间膨胀的相对性却始终得不到实验的认同。洛伦兹的假说确实存在一些问题,但这并不能反证狭义相对论就一定是正确的。认为狭义相对论能使我们摆脱困境的想法,纯粹是自欺欺人。合理地解释时间膨胀效应,还有一段很长的路要走。


                        四、如何用实验来验证络伦兹变换具有相对性还是具有绝对性?
    狭义相对论已被实验证实了吗?根据以上的讨论我们只能得出否定的结论。接下来的问题是狭义相对论能用实验来验证吗?物理学界又出现一种意见认为相对论是无法用实践来检验的。理由是身处两个惯性系中的观察者是永远无法碰头的,因为这涉及到参考系要拐弯,而参考系一拐弯就有加速度,就不再是惯性系了,而狭义相对论只适用于惯性系[5]。平心而论,这段话倒是十分符合相对论的"原汁原味"。但这也使人感到奇怪,既然两个惯性系中观察者是永远无法碰头的,那么人们用什么方法才能知道这两个惯性系中的观察者都会发现对方发生了时间膨胀、空间收缩的效应呢?时间膨胀、空间收缩的相对性究竟是伟人的一种"直觉"还是一种科学的理论?这值得人们深思。
   狭义相对论没有任何实验基础,而能不能用实验来证实相对论又要引起一场不着边际的争论,接下来我们只能这样来提出的问题:络伦兹变换究竟是相对的还是绝对的?到目前为止所做的任何实验还不能够回答这个问题。这是因为在实验物理学家所做的大量实验中,观察者都是站在静止于地球的惯性系K中去对相对于地球运动的惯性系K'进行单向的观察,实验所得的结果不外乎是运动的K'系时间发生膨胀,这样的实验无法用来证实时间膨胀是否有相对性。观察者如能反过来站在相对于地球运动的K'系对静止于地球的K系进行观察情况就不一样了。如果络伦兹变换具有相对性,位于K'系的观察者仍可发现K系内时间膨胀、空间收缩,即惯性系K和K'是对称的;如果络伦兹变换具有绝对性,观察者站到K'系上去则会发现K系时间收缩、空间膨胀,即K系和K'系的时空关系并不是对称的。如能进行此类实验,这无疑是物理学上又一个重大的、判决性的实验。笔者曾为这类实验设计过一个方案[7],如能进行此类实验,这对于弄清楚络伦兹变换究竟是相对性还是绝对性的大有好处。
 
                             结束语
  本文的结论是狭义相对论无任何实验基础可言。任何人只要能举出一个完全符合爱因斯坦所提出的两个先决条件的实验作为反例,即可轻易否定本文的结论。但直到目前为止,这样的反例笔者还未曾发现。

                          参考文献
[1]张元仲著 狭义相对论实验基础 北京:科学出版社 1979 [1、64、80、61]
[2][美]C.基特尔等著 陈秉乾等译 力学 北京:科学出版社 1979 [454]
[3]A.爱因斯坦 L.英费尔德著 周肇威译 物理学的进化 上海:上海科技出版社1979[134]
[4]A.P French著 张大卫译 狭义相对论 北京:人民教育出版社 1980 [111]
[5]倪光炯 李洪芳著 近代物理学 上海:上海科技出版社 1979  [64]
[6]方励之 从牛顿定律到爱因斯坦相对论 北京:科学出版社 1981 [49]
[7]朱纪东 时间佯谬问题重析 上海:上海电力学院学报  2001 第三期 [89]



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朱纪东
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 [2楼]  作者:dyn2h  发表时间: 2003/11/26 17:29 

朱的结束语完全是在闭着眼睛说瞎话!
反相对论的证据不知道有多少!只是这帮子人有眼无珠!

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