狭义相对论，是爱因斯坦于1905年提出的一个关于时间和空间的理论。它是建立在“相对性原理”和“光速不变原理”这两条基本原理之上的。

相对性原理是指“自然定律对于所有惯性系都是一致的”^[1]；光速不变原理是指“对于任意一个惯性系”，“光在真空中以速度c传播”^[1]。

狭义相对论会产生许多怪异的效应，如运动的“钟”会走得慢；移动的“尺”会缩短；“同时性”是相对的，等等，这些都完全颠覆了已经成为我们“常识”的牛顿绝对时空观。

不少世界顶级的物理学家，如迈克尔逊、洛伦兹、J.J.汤姆逊、彭加勒……，都致死不接受，甚至反对相对论；更有甚者，被爱因斯坦尊称为相对论先驱者的奥地利物理学家马赫，竟声明自己与相对论没有关系，且坚决反对相对论。

现在的主流物理学界认为，这是“由于人们的思想长期受到传统观念的束缚，一时难以接受崭新的时空观”所致。

其实不然——如果说观念的改变不是一朝一夕之事，那么经过100多年的积淀，崭新的时空观早就不再崭新，相对论早就应该易于被人接受了，然而很不幸，目前的局面是挑战相对论的人依然众多。

挑战者并不都是那些被讥讽为脑子有病的“民科”，更有许多大学教授和科学院研究员，甚至一些著名的物理学家也积极参与其中，如：中科院院士钱学森、卢鹤绂、宋健、庄逢甘、吴岳良、李惕碚……等等。这种局面就更不是“一时难以接受崭新的时空观”所能解释的。

晦涩的狭义相对论，几乎吸引了我一辈子的兴趣，我对它从好奇、学习、疑惑、再学习，转变为质疑、挑战、失败，再学习，再挑战，可谓是乐此不疲。

与大多数挑战者不同，我首先要挑战的是狭义相对论的第一条基本原理——相对性原理！

力学中的运动，是指物体的机械运动。而要描述一个物体的机械运动，必须先选定另一个可视为静止不动的物体作为参照物，然后才能相对于这个参照物来描述该物体是如何运动的。

“被选作参考的物体叫做参考系。”^[2] 为了从数量上确定物体相对于参考系的位置，还需要在参考系上建立一个固定的坐标系，常用的是笛卡尔直角坐标系。

若选定的参考系不同，则对同一物体的同一个运动，会有不同的描述。例如，在相对于地面作匀速直线运动的车厢中有一个座位，若以车厢为参考系，这个座位是静止的；若以地面为参考系，这个座位是在作匀速直线运动；若以太阳为参考系，这个座位的运动就非常复杂，难以描述。

因此，一切关于运动的描述，都是相对于具体的参考系而言的，这个道理叫做“运动的相对性”。除了“刻舟求剑”者，其他人都不会怀疑这个道理。

所有的参考系中，有一类参考系特别重要，它们叫做“惯性参考系”，简称为“惯性系”。爱因斯坦明确定义：“‘好的’坐标系就是力学定律在其中有效的坐标系，称为惯性系”。^[3]

注意，“相对性原理”，并非指“运动的相对性”，也不是指“相对论”！

相对性原理有三个：伽利略相对性原理、狭义相对性原理和广义相对性原理。它们之间不是并立关系，而是逐层包含的关系。

伽利略相对性原理，也称为力学相对性原理，是说：“在一个惯性系的内部所作的任何力学实验都不能够确定这一惯性系本身是在静止状态，还是在作匀速直线运动。”^[2] 或者说：“在任何惯性系中，力学定律具有相同的形式。”^[4]

狭义相对性原理，通常就简称为相对性原理。它是由爱因斯坦把伽利略相对性原理的适用范畴，从力学扩展到了全部物理学：“物理学的定律在所有的惯性系中具有不变的形式。这就是爱因斯坦的相对性原理”。^[4] 爱因斯坦正是以狭义相对性原理和光速不变原理作为基本原理，创建了“狭义相对论”。

而广义相对性原理，则是爱因斯坦把仅适用于“惯性系”的狭义相对性原理进一步扩展到适用于任何参考系：“一切参考系都是平权的，物理定律在任何坐标系下形式不变。”爱因斯坦又以广义相对性原理和等效原理作为基本原理，创建了“广义相对论”。（本文的讨论不涉及广义相对性原理和广义相对论）

由于伽利略相对性原理和狭义相对性原理都必须在“惯性系”中才能成立，因此，“惯性系”是一个特别重要的参考系。

爱因斯坦之所以选取“相对性原理”作为狭义相对论的第一条基本原理，是因为他坚信：“有两个普遍事实在一开始就给予相对性原理的正确性以很有力的支撑。” ^[5]

那就让我们甄别一下他所“精选”出来的这“两个普遍事实”究竟是否符合事实。

爱因斯坦认为：“必须承认经典力学在相当大的程度上是‘真理’……因此，在力学的领域中应用相对性原理必然达到很高的准确度。一个具有如此广泛的普遍性的原理，在物理现象的一个领域中的有效性具有这样高的准确度，而在另一个领域中居然会无效，这从先验的观点来看是不大可能的。”^[5]  

显然，爱因斯坦认为，伽利略相对性原理是力学真理，但是，他并未拿出任何具体理由，而仅仅是把它作为一个先入之见！问题是这个先入之见恰恰是经不起推敲的。

首先，支撑伽利略相对性原理成立的依据，在所有的教科书上也只能查到伽利略大船里的那些力学现象：“使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摇摆”，“你跳向船尾不会比跳向船头来得远”，“水滴将像先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾”，……。仅用这些极其粗略的力学现象，来作为一个普遍原理的依据，显然是不充分的。

其次，也是最关键的，爱因斯坦把伽利略相对性原理清晰地表达为：“假使力学定律在一个坐标系中是有效的，那么在任何其他相对于这个坐标系作匀速直线运动的坐标系中也是有效的。假使有两个坐标系，相互作不等速运动，则力学定律不会在两者之中都是有效的。”^[3] 根据这个表达，只要我们不把眼光只盯着伽利略大船，就可以轻易地发现伽利略相对性原理并不符合事实：

1）力学定律在固定于地球的坐标系中是非常有效的，不然，牛顿怎么可能在地球实验室中，归纳、总结出力学定律呢？

2）爱因斯坦指出：“关联于太阳的坐标系比关联于地球的坐标系更象一个惯性系。”^[3] 这当然是指力学定律在关联于太阳的坐标系中非常有效。

3）在月球上，宇航员们发现力学定律与地球上的一样有效。

4）爱因斯坦指出：对自由落体电梯内的观察者来说，力学定律是有效的。^[3]

5）在关掉引擎且无自转的航天器内，宇航员们也证明了力学定律非常有效。

上述这五个坐标系，难道它们相互是在作匀速直线运动吗？当然不是！然而，力学定律居然在它们之中“都”非常有效！可见，伽利略相对性原理违反事实，是非常确凿无疑的！

有人追问，那你能解释为什么力学定律在这五个坐标系中“都”非常有效的原因吗？问得好！这牵涉到力学定律所适用的参考系究竟是什么的问题，而要搞清楚这个问题，需要从牛顿的水桶实验说起。

普遍认为，牛顿并没有明确给出力学定律所适用的参考系。

爱因斯坦指出：牛顿“已经认识到，可观察的几何量（质点彼此之间的距离）和它们在时间中的进程，并不能从物理方面完备地表征运动。他以著名的旋转水桶实验来证明这一点。因此，除了物体和随时间变化的距离以外，还必须有另一种决定运动的东西。他认为，这种‘东西’就是对于‘绝对空间’的关系。”^[6]

北大赵凯华教授进一步诠释了爱因斯坦的这个观点：“牛顿力学的理论框架本身并不能明确给出什么是惯性参考系。牛顿完全了解自己理论中存在的这一薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态。牛顿承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动并非易事。不过，他还是提出了判据。譬如……。‘水桶实验’是牛顿提出的另一个更著名的实验（判据）。” ^[7]

显然，爱因斯坦推断，牛顿是把“绝对空间”作为力学定律所适用的参考系，并用水桶实验来论证“绝对空间”的存在。

其实，这完全是爱因斯坦对牛顿水桶实验的误解！何以见得呢？

牛顿写作《原理》的真正目的是为了“推知真正的运动”。^[8] 为此，牛顿进行了水桶实验：用旋紧的长绳悬挂一个装有水的桶，桶与水都静止，水面是平的，然后让桶随着长绳的松劲而转动，起初“水面保持平坦，因为水的真正旋转并未开始。但在那之后……水沿桶壁上升……说明水的真实的转动正逐渐加快。” ^[8] 可见，牛顿用水桶实验只是为了论证真正的转动——“绝对运动”的存在！

许多人都以为，绝对运动一定会违反“运动的相对性”，它不需要参照物。其实不然，牛顿在《原理》中定义：“绝对运动是物体由一个绝对处所迁移到另一个绝对处所”。^[8] 这很明确，绝对运动是相对于“绝对处所”的运动，即绝对运动的参照物是“绝对处所”。

那么，“绝对处所”和“绝对空间”是同一个概念吗？当然不是！《原理》中定义：“处所是空间的一部分，为物体占据着”。^[8] 牛顿在《论流体的重力和平衡》中定义得更直白：“处所是为某种东西均匀填充的一部分空间。” ^[9] 显然，“空间”中如果没有被填充“东西”，那只是“空间”，而不是“处所”！

遗憾的是，受时代的限制，牛顿终生没能找到这填充在“空间”中而成为“处所”的东西是什么，以致爱因斯坦同马赫一样，把“绝对处所”与“绝对空间”混为一谈，把相对于把“绝对处所”的绝对运动误解为相对于“绝对空间”的绝对运动，进而错误地推断：牛顿是把绝对空间作为力学定律所适用的参考系。

这个推断使得牛顿力学处境尴尬，因为谁也无法参照“绝对空间”确立什么参考系。就是在这种尴尬之下，惯性系概念应运而生。

为了掩饰无法依据绝对空间确立参考系的尴尬，“在马赫（对绝对空间）的批判之后两年，德国物理学家朗奇（L.Lange）在1885年发表的《论伽利略惯性律的科学结构》一书中，从物理概念的基础寻找消除绝对空间概念的方法。这个方法是用惯性系取代绝对空间，将牛顿力学体系建立在惯性系的基础上，从而使牛顿的力学定律在‘消除’绝对空间的条件下，仍能保持其全部物理意义。”^[9] 朗奇定义：惯性定律成立的参考系称为惯性系。^[10]

虽然“惯性系”是作为“绝对空间”的替身而问世的，但它似乎不那么空虚，惯性系概念也就逐渐流行起来了。然而，惯性系概念经不起仔细推敲：

1）根据定义，被选作参考的物体叫做参考系，可见参考系首先得是“物”，但谁也说不出惯性系是什么“物”，爱因斯坦也不得不承认：“究竟是否存在一个惯性系的问题，直到现在还无法决定”。^[3]

2）惯性系概念产生于牛顿逝世158年之后，牛顿并不依赖“惯性系”，却几乎正确地解决了从地面物体到天体的所有运动问题。

3）更糟糕的是，惯性定律必须在惯性系中才能成立，而惯性系的确认又依赖于惯性定律的成立，因此爱因斯坦敏锐地指出：惯性系概念是同语反复、循环论证，这“显示出经典物理学中的一个严重的困难。我们有定律，但是不知道它们归属于哪一个框架，因此整个物理学都好像是筑在沙堆上一样。”^[3]

这就太不可思议了——牛顿力学的惊人成功和巨大贡献是众所周知的，它怎么可能是筑在沙堆上的呢？看来，惯性系并不是什么“好的参考系”！

前面已指出，受时代的限制，牛顿终生无法找到填充在“空间”中而成为“处所”的是什么东西，但牛顿确信“绝对处所”是存在的，并且用水桶实验来论证了“绝对处所”的存在。

如果我们能把水桶实验的“绝对处所”指认出来，那么，牛顿力学所适用的参考系也就水落石出了。

现代的我们，比牛顿有更广阔的视野，已经知道无形的引力场也是一种“物质”！那么引力场这种物质能否就是牛顿梦寐以求的“绝对处所”呢？

教科书上一道关于水桶实验的例题让我产生了这个猜想！

该例题是：“一水桶绕自身的竖直轴以角速度ω旋转，当水与桶一起转动时，求水面的形状。”答案：水面为旋转抛物面，抛物线方程为 z=ω²r² /(2g)。^[4]

可见，水呈抛物面的唯一外因是“地球引力场强度g”。

既然引力场也是一种物质，那么，把“引力场”认定为“绝对处所”，说“水”是相对于“引力场”在作“绝对运动”，不是非常自然的吗？

马赫批判绝对空间的理由是：“根本不存在绝对空间；转动不是绝对的，而是相对的，产生离心力是水相对于全宇宙物质（遥远星系）转动的结果。”^[11]

那么，如果当年牛顿能指出引力场就是绝对处所，而水相对于引力场这种物质的转动，难道不正是相对的吗？全宇宙物质是通过什么作用于水的呢？难道不就是引力场吗？如此，马赫还能有什么理由批判绝对空间呢？

有人质疑：马赫认为产生离心力是“水”相对于全宇宙物质（遥远星系）转动的结果，那么为什么水面方程中仅含地球的引力场强度g，而不含太阳和遥远星系的引力场强度呢？

答案非常简单：通俗地说，由于其他远域物质对太阳的引力，已被太阳绕银河中心的转动而消耗殆尽，太阳对地球的引力，已被地球绕日转动而消耗殆尽，所以桶中的水所能感知的只是地球的引力效应。只要想一想为什么树上的苹果只落向地面，而不落向太阳，就不难理解这个道理。

所谓“引力被消耗殆尽”，与“失重”是同一个意思 ——以太阳为参考系，“桶中的水”受太阳引力而随同地球一起绕日公转；而以地球为参考系，“桶中的水”受到的太阳引力，与“桶中的水”绕日公转的离心力相抵消，因此，“桶中的水”对太阳“失重”了，“桶中的水”所能感受的只是地球的引力效应。这与自由飞行的航天器中的物体对地球“失重”是一样的道理，航天器中的物体只能感受航天器的引力效应。同理，自由落体电梯内的物体对地球也“失重”了，而只能感受电梯的引力效应。

还有学者质疑，为了定量描述运动，需要在参考系上建立合适的坐标系，而引力场是无形物质，似乎无法在其上选定不动的参照物而建立坐标系。简言之，引力场作为参考系没有可操作性。

其实不然。牛顿在《原理》中已经给了我们示范，他在研究天体运动时，首先就明确地给出了一个可以视为是静止不动的参照物——【第三篇、宇宙体系】中有“定理11：地球、太阳以及所有行星的公共重心是不动的。”牛顿正是依赖这个不动的重心，研究行星的运动，建起了气势磅礴、美轮美奂的宇宙体系。这个静止不动的公共重心，难道不正是太阳系引力场的中心吗？因此，不动的引力场的中心，正是坐标系原点的最佳选择。

物理学家们早已在实践中，用“日心-恒星参考系”研究行星的运动；用“地心-恒星参考系”研究人造地球卫星的运动；^[12] 实质上，这些都是把坐标原点建立在引力场中心的近似方法，非常实用。而地面与地心相对静止，更可以方便地随处建立起坐标系。可见，引力场作为参考系的可操作性非常强。

因此，“引力场就是力学定律所适用的参考系”这个猜想是能够成立的！

而且，马赫说：“直到今天，我依然是唯一坚持使惯性定律参照地球，并在大空时范围的运动实例中使惯性定律参照恒星的人。”^[13] 我认为，我的猜想比马赫的这个观点更接近真理。

既然力学定律所适用的参考系就是“引力场”，而关联于地球、太阳、月球、自由落体电梯、自由飞行航天器的各个坐标系，正是关联于各引力场的。这就是为什么这些坐标系相互并非作匀速直线运动，而力学定律在这些坐标系中“都”非常有效的原因。

可以预言，一切星球上的力学定律，都会如地球上的力学定律一样有效！而无论这些星球是否相互作匀速直线运动。

爱因斯坦指出：“由于我们的地球是在环绕太阳的轨道上运行，因而我们可以把地球比作以每秒大约30公里的速度行驶的火车车厢。如果相对性原理是不正确的，我们就应该预料到，地球在任一时刻的运动方向将会在自然界定律中表现出来，而且物理系统的行为将与其相对于地球的空间取向有关……但是，最仔细的观察也从来没有显示出地球物理空间的这种各向异性（即不同方向的物理不等效性）。这是一个支持相对性原理的十分强有力的论据。”^[5]

爱因斯坦的这段话逻辑非常清晰：如果能找到地球物理空间各向异性的证据，就可以证明相对性原理是不正确的！

很不幸，居然被我找到了两个地球物理空间各向异性的证据。

1728年，布拉德雷发现光行差现象：为了能看到天顶的恒星，不能将望远镜绝对竖直地放置，而必须将望远镜轴线调整到偏向地球的公转运动方向，向前倾斜20.5’’ 角度。^[14]

这当然意味着地球物理空间是各向异性的！各向同性的话，望远镜还需要总是向一个方向倾斜吗？

“1971年，Hafele和Keating……将四只铯原子钟放到飞机上，飞机在赤道平面附近高速度向东及向西绕地球航行一周后回到地面，然后将飞机上的四只铯原子钟与一直静止在地面上的铯原子钟的读数进行比较，发现向东飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均慢了59×10^-9秒；而向西飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均快了273×10^-9秒。”^[15]

也就是说：向东飞行的原子钟会变慢，而向西飞行的会变快。这个事实当然也直接显示了地球物理空间的各向异性！

看来，地球的物理空间是各向异性的，应该是毫无疑义的！

真想不到——爱因斯坦用洪荒之力精选出来的两个支撑相对性原理的“普遍事实”，居然统统违反“事实”！

2007年，复旦大学朱永强副教授、上海东方电磁波研究所季灏所长等人在复旦大学实验室，进行了一个“带电体运动产生磁场的跟踪观察”实验。实验中，把一个高灵敏度的“磁场检测仪”与一个“带电电容板”装在同一个联合小车上，让小车在实验室的轨道上以小于1.0米/秒的速度作匀速直线运动，尽管“磁场检测仪”与“带电电容板”两者相对静止，但是，该检测仪依然检测到带电体的运动产生了磁场！实验结论是：“在地球上带电体运动产生磁场的‘运动’，不可能以任何的运动参考系统为参考系，必须以地球为参考系和不依赖于观察系统的运动状态。” ^[16] 该实验在先前已重复进行过多次，结论完全一致。

朱永强的这个小车，其实与伽利略大船是等价的！如果我们把“磁场检测仪”与“带电电容板”一起固定在伽利略大船上，那么，只要检测到带电体产生了磁场，就可以断定大船在匀速直线地航行，反之，则大船静止不动。

而根据相对性原理，在一个惯性系内部进行的任何物理实验，都不可能确定这一惯性系本身是静止状态，还是匀速直线运动状态。

显然，朱永强的“带电体运动产生磁场的跟踪观察”实验，强有力地、直接地否定了相对性原理。

哈佛教科书《力学引论》评价：“在古典力学的发展过程中，相对性原理所起的作用不大；爱因斯坦却把它誉之为动力学的根本原理。”^[17]

其实，相对性原理与牛顿力学是格格不入的！

华东师大朱鋐雄教授早就提出：为什么“在相对性原理已经得以确立的情况下，牛顿却提出了他关于绝对运动以及相应的绝对空间和绝对时间的观点”呢？^[18]

我认为，由于“运动的相对性”，牛顿力学必需首先选定一个参照物，用以判定各个物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态，若没有这个参照物，牛顿力学就无从谈起！

受时代的限制，牛顿始终无法找到这个无形的东西，但牛顿坚信它的存在！并把这个无形的东西称为“处所”，还定义“处所是为某种东西均匀填充的一部分空间”，而“绝对运动是物体由一个绝对处所迁移到另一个绝对处所”。

为了证明这个绝对处所确实是存在的，牛顿又进一步用水桶实验论证了绝对运动的存在，从而间接地证明了绝对处所的存在。可以说，绝对运动对于牛顿力学是不可或缺的！

而相对性原理完全否定了绝对运动的存在，且使得相互作匀速直线运动的惯性系完全等价、平权，从而导致牛顿力学“对绝对运动的需要被一组惯性系所替代”！^[4] 于是，不少物理学家错误地认为，“牛顿的《原理》完全可以在不提绝对时空条件下照样写成”^[9]，“牛顿的绝对的时间和空间并不是绝对必要的”^[8]。

通过本文的论证，已经非常清楚，相对性原理违反事实，违背逻辑，也使得牛顿力学的绝对时空观变得不完整了。

唯有舍弃相对性原理，“绝对运动”的地位才能得以恢复，牛顿力学也才能恢复为完整的绝对时空理论！牛顿的在天之灵将得到慰藉。

既然第一条基本原理——“相对性原理”不成立，那狭义相对论还能成立吗？

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[2] 程守洙、江之永，普通物理学[M]，第六版，高等教育出版社，2006：6、43

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[8] 牛顿，自然哲学之数学原理[M]，北京大学出版社，王克迪译，2006：4～7、导读7

[9] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想[M]，湖南教育出版社，1989：381、378、376

[10] 高炳坤，探索惯性系[J]，大学物理，2010, 29 (8)：11

[11] 赵峥 等，广义相对论基础[M]，清华大学出版社，2012：11

[12] 漆安慎 等，力学[M]，第二版，高等教育出版社，2005：63

[13] 恩斯特.马赫，力学及其发展的批判历史概论[M]，商务印书馆，2014：331

[14] R.瑞斯尼克，相对论和早期量子论中的基本概念[M]，上海科学技术出版社，1978：26

[15] 张元仲，狭义相对论实验基础[M]，科学出版社，1994：64

[16] 朱永强、季灏、郝建宇，带电体运动产生磁场的跟踪观察[J]，前沿科学，2009年第1期：81

[17] D.KLEPPNER 等，力学引论[M]，人民教育出版社，宁远源 等译，1980：541

[18] 朱鋐雄，物理学思想概论[M]，清华大学出版社，2009：156

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