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相对论问题和可能走失方向 吴沂光 1、为什么说相对性原理是“科学”的假设，而不是实验的结果？ 自从相对论广泛传播以来，有无数人试图所作推翻相对论，但因为没有定量的证据而只能限于哲学上的否定；有无数人支持相对论却只能拿出过于间接因而也就让人完全信服的证据。问题的症结在狭义相对论是个封闭的理论体系，它的时空等效应是联系于两个基本假设的可观察量，失去了这种联系它就成了不可观察量了，而人类至今还没有创造出割断这种联系的测量方案。就是说，相对性原理与光速不变原理相类似，有着“观察它的方式就是它存在的方式”的逻辑反复，因此相对性原理是“科学”的假设，而不是实验的结果。 另一方面，1921年爱因斯坦曾说：“当我展望目前理论物理学的形势时，我认为有一点非常重要，但没有得到应有的重视。一个理论只有一义地建立了概念和与经验事实之间的关系，才能认为是完善的”。“一义性”是科学发展史（如非欧几何的建立）给予我们宝贵的教益之一，20多年来，笔者分析了大量的相对论实验，试图证明相对性原理的正确性而没有成功，但从某种意义上说带来了相反的结果，即采用绝对参考系假设和回路光速不变原理，非对称理论也能以逻辑自洽的形式建立起来，奇迹般与所有实验结果相一致，而且还有更多的预言。这就表明狭义相对论不满足一义性的要求，这又从反证角度证明了所有狭义相对论验证实验的无效性。 宇宙背景辐射、惯性起源，物质定义、因果律破坏、物理学唯象、无数时空佯谬等等这些困境直接指向相对性原理，真可谓“山雨欲来风满楼，黑云压城城欲摧”。但是这些只是哲学上的思辨，仅以此来反相，那是隔靴搔痒。因为物理学是门实验学科，现在共同体认为相对性原理毋庸置疑的理由来自于实证思想，即一个概念能为与之联系的物理现象所判断,在物理学中才有相应的地位。阐明一个物理概念允许用夸大理想实验，因为它总有为尔后科学实践时。如果连夸大理想实验都拿不出就引入绝对参考系概念，物理学不就成了“玄学”了吗？面对这种情况，我们是否也断言绝对参考系概念是多余的，可以下定论了？情况完全不是这样。因为非对称理论找到了两种理论都能接受的新对钟方法，打断了“对钟与测速”的逻辑循环链，为单向光速及绝对参考系的测量实验准备了条件，究竟那种理论才是物理的真实，能为这类实验所判别，其力量就在这里。因此，对于非对称理论探索无疑是有意义的。详细讨论见《一种非对称运动力学模型》修改稿（4），中国科技论文在线网址：http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2008/01/828/>2、现有的实验证明了什么？ 虽然现在实验物理学没有为狭义相对论正确性提供过确切的证据，但是这些实验还是很有意义的。大量的实验证明了如下几个事实：物理学统一性、回路光速不变、速度有限、能量对质量有贡献、运动时钟时率会变化等。 （1）物理学统一性。狭义相对性原理是力学相对性原理的扩展，它蕴含物理学统一性思想。事情愈来愈明显，不能把物理学严格地分为若干互不相干的分支。例如，不运用力学就做不成任何电磁（包含光学）实验，另一方面，没有一个力学实验不和物质的电磁结构相关，等等。如果力学相对性原理是正确，那么与这些实验相关的电磁学大部分也满足相对性原理。既然大部分满足，为什么不能全部不满足呢？简言之，既然物理学是不可分割的整体，那么把力学相对性原理扩展电磁学至少是很好的猜想。反之，如果某一参考系在力学上有着特别优越的意义，那么这个参考系在电磁学及光学上也应有特别优越的地位。 比如，1960年，海.息弗、克兰晓等人完成的转动盘的穆斯保尔效应横向红移实验中，如果假设实验室中的单向光速可变，则意味着实验室存在“以太飘移” ，而“以太飘移”又将使得光线偏离原来的垂直于光源运动方向，带来一级效应的多普勒效应。实验没有观察到这种效应，是否意味着“以太飘移”不存在呢？不是的。由绝对参考系原理和平均回路光速不变原理建立的方程要求时空变换因子γ是V0和V函数，V0为从实验室看绝对系相对于实验室的速度，V是光源相对于实验室速度。具体微分方程为： (V0+V)d(γV)=c2dγ （1） 当V0=0时，γ退化为为洛伦兹变换因子。当C＞＞v0或是C＞＞v 时，若质增的影响为一级，那么空间的不平坦所带来的影响就为二级。此时，我们可以近似地用欧几里得几何矢量叠加法则来定义V0+V。考虑初始条件，则微分方程（1）式的近似解为： γ≈1+V2/2C2+V0Vcosθ/C2 (略去更高级小量) 容易证明，在上述实验中，式（1）带V0项恰好为这种“以太飘移”带来一级效应的多普勒效应所抵消，与相对论有着相同的计算结果，从而达到理论预言与实验结果的一致性。这类实验还有两梅塞实验、两莱塞实验、Lves-Stilwell的氢的极隧射线光谱实验、氖原子激光的饱和吸收实验等等。此外，在加速器荷质比实验也类似如此，况且对于高能粒子来说，地地面实验室绝对运动速度v0的影响在实验精确度内可以不计。 显而易见，这些实验预示着狭义相对性原理（A）和单向光速不变原理（B）相互依存，犹如一对连体兄弟，“一荣俱荣，一损俱损”，承认A，实验就证明B，砍去A，实验就否认B。现在许多反相者无视此事实验去重建新理论，不管他的感觉是多么美好，结局就只能是自食苦果。 事实上，当力学相对性原理扩展到电磁学后，我们可以用麦克斯韦方程组导出单向光速不变结论。爱因斯坦之所以把此结论提到公设地位，一是对钟和定义“能量对质量有贡献”（在相对论体系中，“同时性”与“能量对质量有贡献”是同义语，二者可以互推），二是定量。类似地，当力学绝对参考系原理扩展电磁学后，新的电磁学要求运动点电荷产生磁矢势将是与绝对运动速度有关的函数，光波运动环路积分这个影响项为零，因此导出回路光速不变结论，之所以把它作为第二公设，除了实证了之处，还在于：一是定义“能量对质量有贡献”，二定量。值得一提的是，“同时性”在相对论体系中是强制性的逻辑结果，而在非对称理论中并非是必不可少的，它仅是许多解题方法中的一种，纵是选取绝对同时约定，理论结果也是一致的。 （2）同地对钟实验。爱因斯坦在“论动体的电动力学”的第四节中曾预言：如果在A点有两只同步的钟，其中一只沿闭合曲线以恒定速度运动，经历了t秒回到A。那么，当这只钟回到A时，比保持静止的钟慢v2/2c2秒。用式（1）来计算，环路积分带V0项恰好消除，也是钟慢v2/2c2秒。实际上，同地比较时间是不依赖于相对性假设的直接观测量，两种理论计算结果必然相同。这类实验有Hafele（1971年）原子钟环球航行实验。 3、从能量角度考查相对论的一些现象 引力场相对论是用能量形式表述的。自然，我们也可用能量的形式来表述相对论力学，如拉格朗日方程组、哈密顿方程组等。此时，我们清楚看到狭义相对论与牛顿力学区别在于“动能对质量有贡献”，与此同时，洛伦兹变换因子改记作γ=1 -φ/c2，式中φ为类似于引力场的“势”，定义为 φ= - Ek/m0，即γ是动能Ek的函数。既然我们能习惯于接受“你看我的动能为Ek，我看你的动能为Ek”，为什么就接受不了“你看我尺子收缩了，我看你尺子收缩了”呢？ 动能是物体的运动量度，它的定义除了能量守恒定律外，还联系于这样一个猜想：自然界中是否存在着绝对运动状态（相对性问题）。就简单二体（施力体和受力体）组成的孤立系统来说，实验室能够测量的是那份等于一对作用力与反作用力作功之和的能量（质点组内能），至于受力体动能Ek为多少，纯粹是假设的东西，或是说用什么假设来定义更为合适的问题。若采用相对性假设，受力体动能Ek定义为实验室参考系空间坐标函数，能量场梯度等于合外力；若采用“绝对”系假设，Ek定义为“绝对”参考系空间坐标函数。两种假设建立的牛顿“碰撞力学”都满足能量守恒定律和伽利略变换，而且结果相同。当然，满足洛伦兹变换的只有相对论力学。 在相对论体系中，动能的大小既是是由相对性原理定义，也可以光速不变原理来直接定义。比如，在光速不变原理和合理假设（从S0系看S，系速度为v，从S，系看S0系速度为-v）下，我们可导出洛伦兹变换。然而，纵观张仲元1979年出版的《狭义相对论实验基础》所陈列的实验，实验者们要么是以光速不变原理作为前提条件，要么是以相对性原理作为前提条件去观察实验的结果，很明显是兜圈子。显而易见，狭义相对论的质增、尺缩、时滞的大小纯粹是个假设的观察量，即它们的大小随着约定方式改变而不同。 按定义划分，自然界能量分为两类，一类是物体内能，它是由能量守恒律定义而不依赖于相对性假设的直接观察量，它有着物质多少的意义，具有伽利略变换不变性。如静能，热能，保守场势能（如引力场势能），等于一对作用力和反作用力作功的那份能量等等。另一类是物体外能，它由能量守恒律和相对性假设定义，它是运动量度，随坐标变换而变化，如动能。引力场相对论中起作用的是引力势φ，时空因子记作γ=1 -φ/c2。现在问题就很清楚了，狭义相对论中“钟慢、尺缩、质增”属运动学效应，而静引力场，它们已属动力学效应，不应该是观察效应，而是物理的真实性。此外，静引力场爱因斯坦方程与自然界是否存在绝对参考系毫无关联，无疑是正确的。 4、结语 科学发展不会消灭为实验证实验了的内容，绝对参考系概念也只是充分缩小洛伦兹变换的有效范畴。物理学发展中常有这样的情况，即某一理为更为全面的理论开辟道路，而在这更为全面的理论中，原来的理论作为一种特殊情况继续存在下去。 |
