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狭义相对论基本矛盾的根源和后果 涂 润生 （湖北省黄冈市产品质量监督检验所，黄冈438000， 2run3>@sina.com 2004，5公布于潜科学网站 [摘要] 已经发生了的因果关系中的原因和结果都成了客观现实，不会因观察者改变运动状态而发生实质性变化。承认“电动力学定律的数学形式与观察者的运动状态无关”必须否认“物理学定律发挥实际作用的客观性与观察者的运动状态无关”的事实。只能用光信号对钟（验证同时和不同时）相当于承认一种客观实在只有一种客观反映。"相对同时的量"与对钟信号的速度有关，说明该"量"的大小是不确定的（即相对同时的公认量是定义的）。忽略已经发生了的多普勒效应的影响很难得到符合逻辑的结论，因此相对性原理的某些推论必然与经验世界不符。所以，电动力学相对性原必然与经验世界不符，存在尺缩疑难、时间疑难、同时性疑难和光子衰变疑难就是必然的。 关键词： 相对性原理，因果关系疑难，逻辑同时，同时性疑难，光子衰变疑难 分类号：O412·1 内容决定形式（形式是内容的反映）是一条重要的客观规律。物理学定律的数学形式是“以物理学定律建构的因果关系为内容”的客观反映。事实表明，要保证电动力学定律的数学形式与观察者的运动状态无关就必须认为既定因果关系（即内容）与观察者的运动状态有关。就是说，在相对论中，我们必须以“内容变”来迁就、建构“形式不变”。同时的相对性还能直接破坏某些物理学定律的协变。狭义相对论中存在一系列产品基本疑难。这些基本疑难的产生是有一定根源的。它们所造成的后果是使狭义相对论的逻辑混乱,即使是相对论的顽固支持者，解决不了下列新案例的疑难，也会动摇初衷的。 1 因果关系疑难 观察者改变运动状态，既定因果关系没有理由要改变。原因是：通过物理学定律发挥作用而产生结果的过程，就是形成物理学中包含三个要素（原因、结果及原因与结果间的逻辑联系）的因果关系的过程。在已经发生了的因果关系中，其三要素都已成了客观的历史（或持续状态），不能因观察者改变运动状态而发生变化。承认相对性原理首先是承认物理学定律的数学形式不因观察者改变运动状态而变（即先承认形式不变），然后尽力寻找与形式不变对应的内容不变。在经典力学中，不同运动状态的观察者对同一相互作用的结果有统一的认识，内容不变和形式不变是统一的。例如，物体W因受力而加速。无论在哪个惯性系中观察，都有W因受力而加速的因果关系，且都符合F=ma的规律。但对于电动力学来说，存在形式不变和内容不变不可兼得的问题。例如，甲认为乙系的钟因运动而慢于甲系的钟（记为因果关系1）。乙却不承认因果关系1。这就是因果关系疑难——既定因果关系的存在性与观察者的运动状态有关。相对论支持者解决这个问题的办法是认定“不同运动状态的观察者没有统一的认识”，即认定“对于电动力学而言，形式不变，内容变”。形式不变内容变（特别是以“内容变”迁就、建构形式不变）是违反哲学原理的。所以相对论的支持者就用“不同运动状态的观察者没有统一的认识”的提法掩盖这种违反哲学原理的事实（也是在回避因果关系疑难）。没有哪种实验事实能直接证实“对于电动力学相互作用的结果，不同运动状态的观察者绝对没有统一的认识”。也不能为“形式不变比内容不变更重要”举证。这样我们的结论是：不同运动状态的观察者对电动力学相互作用没有统一的认识，不是事实而是纯思辩的需要。电动力学相对性原理的特点是，以承认“内容变”的方式迁就“形式不变”。不难发现，相对论中的每个“形式不变”都是由对应的“内容变”支撑的。 2 时间疑难 正统理论家已公认孪生子佯谬“已被广义相对论解决了”。但是，提出孪生子佯谬的人想知道相对性原理是否成立，解决孪生子佯谬的人却是利用“不要相互观察“的方式解决的。他们的共同点是“对相对性原理的怀疑不能因孪生子悖论的提出和解决而消除”。实际上，广义相对论也不能消除的时间疑难。 因果关系1的三要素为：乙钟运动；电动力学定律的实际作用；乙钟慢于甲钟。根据相对论推知，即使是在同一个时间间隔之内，乙系中的观察者也必须否认因果关系1的“乙钟慢于甲钟”的结果，就否认了因果关系1。仅仅由观察者的运动状态发生变化，就导致了因果关系1由成立变为不成立，显然是因果关系1与观察者的运动状态有关。承认甲、乙的认识都是客观的，就导致了一个逻辑矛盾：甲系的钟既慢于乙系的钟又快于乙系的钟。这是当形式不变和内容不变不可兼得时，选择了形式不变而放弃内容不变导阈频阈频致的错误。 惯性系A和B各有一只静止的钟（钟a和钟b），在a、b相遇时将它们的时间读数都校拨到零。在a、b分离的同时让它们分别以渐开线的路径及相等的速度值绕a、b原来静止的点运动。当a、b再次相遇（只要a、b作渐开线式运动的速度值比A、B相对运动的速度值大得足够多，a、b就有多次相遇的可能）时，a的时间读数与b的时间读数哪个更大？由相对论知，在A中观察，钟b比钟a多出了一种平动自由度。A上的观察者确认的因果关系2的三要素为：①a的速度慢于b的速度；②电动力学定律的实际作用；③a的读数大于b的读数。要素③也是要素①和②在a、b两次相遇的时间间隔之内已经发挥作用的历史记录。如果一切都是相对的，则站在B上观察就必须否定①和③两要素（电动力学定律的作用对象也改变了）从而承认“a的读数小于b的读数”（即否认因果关系2，导致了因果关系2与观察者的运动状态有关）。站在B上观察为保持定律的形式美而否认要素②，就导致了“要保持电动力学定律的形式美必须丧失电动力学定律发挥实际作用的客观性”的两难问题。在其他地方，当形式美与内容美不可兼得时，我们会毫不犹豫地选择内容美。唯独在相对论中我们必须犯糊涂而坚决选择形式美。 在同一时刻，a的读数既大于b的读数又小于b的读数，是一个逻辑悖论——相对论的时间疑难（无论是广义相对论还是狭义相对论都存在这个疑难）。说允许这种逻辑悖论出现的理论正是它的独特、新颖和深奥之处，是自欺欺人之举。不难看出，导致上述悖论的原因是：为了追求形式美而忽略内容的客观性。所以，即使把原本简洁的悖论搞复杂并利用复杂把人搞糊涂的方法消除了上述悖论，而不消除悖论产生的原因，也是不可信的。 3 尺缩疑难 一列固有长度为10米的火车在前方有个8米长大坑的路基上以0.866c的高速行驶。火车能否嵌入坑内？站在路基上观察，因果关系3的三要素为：火车运动；尺缩效应物理学定律的实际作用；路基上的5米对应于火车上的10米（即火车收缩为5米可嵌入坑内）。根据相对论知，站在火车上观察必须全盘否定路基上的观察者认可的因果关系3从而得到“火车不能嵌入坑内”的结论。两种相反的结果（火车既能嵌入坑内又不能嵌入坑内）同时作用在相同的客体（火车和大坑）之上构成了逻辑悖论——尺缩疑难。 有人认为尺缩效应是表观的［1］从而消除了尺缩疑难。如果运动的尺收缩是一条物理学定律，这种消除矛盾的方式，也是为了保持物理学定律的形式美而放弃了物理学定律起作用的客观性。因为它同时否认了尺缩效应中的因果关系三要素的真实性和客观性。另外，如果说出自洛伦兹变换的“尺缩效应”是表观的，就很难保证同样出自洛伦兹变换的“同时的相对性”是客观的，同样可以用尺缩的真实性把同时的相对性说成是表观的。如果说尺缩效应是表观的而钟慢效应是客观的，相对论性速度变换就没有意义，从而威胁了“光速不变原理”。可见，要维持电动力学尺缩公式的形式不变，同样需要“收缩的内容不真实”或“具体的收缩内容因观察者改变运动状态而变”。 本节的分析与第一节的分析一起很容易说明“缪子的寿命实验不能为相对性原理举证”。原子钟的双向环球航行实验结果有否认电动力学相对性原理的倾向。 4 同时性疑难 如图1所示，甲系中有一块很 长的发光平板，乙系中有一个高灵敏度的跷跷板。跷跷板与发光平板平行。甲系的运动方向平行于跷跷板，在甲系中让发光平板上的每个发光点同时产生一次闪光，绝大部分光线是垂直于跷跷板（或发光平板）的大动量光线。 在甲系中观察，因跷跷板支点两边所受到的光压同时而相等，跷跷板不会跷动。在乙系中观察，若认为同时是相对的，则跷跷板两端所受的光压相等但不同时，跷跷板会发生跷动。此时的因果关系4的三要素为：作用于跷跷板两端的光压相等但不同时；力学定律的实际作用；跷跷板发生跷动。 如果真实情况是跷跷板发生了跷动，则跷动也能被甲系中的观察者观察到，甲系中的观察者不承认因果关系4的三要素中的原因要素，必须认为跷跷板发生了无原因的跷动（即有“无因之果”）。如果真实情况是跷跷板不发生跷动。那么，在乙系中的观察者看来，就是一个非零转矩不能引起转动（即非零转矩必引起无阻力的只有一个支点的灵敏平衡物体转动的物理学定律不起作用）。那块跷跷板在受到一次平行光的光压作用时既发生跷动又不发生跷动的情况是不会发生的。所以，同时的相对性不可能是客观的，或者，巳成事实的因果关系4也必须与观察者的运动状态有关。 图1 光压作用于跷跷板的示意图 图2 利用导线中的电脉冲信号对钟 在图2中，A、B、C、M是甲系中的四个固定点，其中M是的中点，D′点是乙系中的一个金属轱辘的轴心，轱辘上绕有多圈裸线。A、B、C、M、D′之间有导线相连。当乙系带着轱辘向左平移时，轱辘被连在甲系的C点上的导线拉得转动，D′、A、B、C、M五点间的有线联系不会因D′与A、B、C、M之间有相对运动而中断。 在甲系中让A、B两点同时发出一个初相不同的电脉冲信号（记为事件1和事件2）。由于电脉冲信号在导线中的传播速度（相对于导线的传播速度）是恒定值，因此，在甲系中观察，事件1和事件2的脉冲信号能同时到达M点，进而同时到达C点，并产生电脉冲干涉。只要事件1和事件2这两个电脉冲信号能同时到达C点并发生干涉，它们就一定能以相互干涉的形式同时到达D′点。对于“A、B两处的电脉冲同时产生引起它们在M点发生干涉”的因果关系（记为因果关系5），能被甲、乙两个惯性系中的观察者公认。换言之，因果关系5的客观存在与观察者的运动状态无关，事件1与事件2的“同时”是绝对的。 假如从D′点发出一个电脉冲信号而使A、B两处的闪光灯开启（分别称为事件3和事件4）。由于“从D′发送一个电脉冲信号引发事件3和事件4”与“从C点发送一个电脉冲信号引发事件3和事件4”是完全等效的。因此，甲乙两系中的观察者都承认事件3和事件4是同时的。此结论与上个自然段中的完全一致。 上述对钟方法（简称“涂氏对钟法”）不能得出“同时具有相对性”的结论，与爱因斯坦（Einstein）对钟方法得出的结论不一致。如果说使用斯坦对钟方法的理由比使用涂氏对钟方法的理由更充足则应放弃涂氏对钟方法而使用爱因斯坦对钟方法。反之亦然。然而，事实是，在科研实践和生产实践中，人们频繁地使用涂氏对钟方法（或类似的方法）。仅在纯理论陈述中才较多地使用爱因斯坦对钟方法。爱因斯坦对钟方法有着美丽的外表但在实用性方面没有绝对优势，我在《在超严格审查中狭义相对论能过几关》一文中设计了一种“殉爆对钟法”。这表明，我们没有充足的理由仅使用爱因斯坦对钟方法而排斥其他对钟方法。 爱因斯坦对钟方法虽然具有形式上的对称美，但它的“同时”是根据表观视觉确定的，需要“凡是表观的全是真实的”的命题才能使用。涂氏对钟方法中的“同时”的确定已使用了视觉以外的感觉，不存在以表观代替客观的问题。这再次表明：为了追求形式美是以放弃内容的客观性为代价的。 在一架双臂天平的两铁基吊盘下方各装一块电磁铁（两块电磁铁开启后对两吊盘的作用力相等）。在天平所在的惯性系K中，当天平达到平衡时用脆弱细线斜拉住天平的两臂和天平支柱，然后同时开启那两块电磁铁。细线断不断？在K系中观察，天平的平衡不能受到破坏，细线肯定不断。但在沿天平臂的伸展方向运动的惯性系K′中观察，由同时的相对性知，天平的两臂不同时受力，平衡受到破坏，细线会被拉断。如果说天平的平衡状态与观察者的运动状态无关，K′系中的观察者也承认细线不断（天平的平衡未受到破坏），那么他必须承认运动的天平保持平衡的条件不是两臂力矩大小相等方向相反而是两臂的力矩大小不相等，“支点两侧的力矩不相等能导致杠杆旋转”的物理学定律在运动体系中不成立，或者我们都必须承认“同时的相对性是表观的而不是客观的”。此例表明：若“同时”的内容是相对的，要保持经典力学定律的形式美也是办不到的。 第6节进一步讨论同时性疑难产生的根源。 5 光子衰变疑难 惯性系С中一静止光源发出一个频率略低于阈频的γ-量子，该光子与一重核相向运动。С中的观察者根据“频率低于阈频的光子不能衰变为电子偶的规律”推测，得到了该光子不能衰变为电子偶的结论。但站在与那个重核相联系的惯性系С′上观察，由于多普勒效应而使掠过静止重核的光子的频率超过了阈频，该光子可以衰变为电子偶。同一个光子既能衰变为电子偶又不能衰变为电子偶，构成了光子衰变疑难。 再讨论重核背离固有频率等于阈频的光子运动的情况。站在光源上观察，能量守恒和动量守恒可同时被满足，固有频率等于阈频的光子掠过运动的重核可以衰变为电子偶。符合此例的真实的光子衰变事件，就是光子衰变规律发挥实际作用的效果，是客观的内容，与观察者改变运动状态无关。站在重核上观察，出现了两难情况：那个光子的接收频率小于阈频，其能量也就低于电子偶的总能量，承认光子可衰变为电子偶就否定了能量守恒定律协变；否认光子可衰变，由相对论就得到了“空间中的一个高能光子既可衰变又不可衰变”的悖论，承认了已经发生了的光子衰变事件可根据理论分析加以否定（即承认光子衰变规律发挥实际作用的客观内容因观察者改变运动状态而变）。此例表明，为了维持“只有相对空间和相对运动”的形式美，必需放弃“光子衰变有个恒定的阈频”的物理学规律。 6. 忽略多普勒频移确定的同时不是逻辑同时[2，3] 一种客观实在有多种客观反映是至理，也是能用多种方法验证一种客观存在的原因。只能用光信号对钟（验证同时和不同时）相当于承认一种客观实在只有一种客观反映。“相对同时的量”与对钟信号的速度有关，说明该“量”的大小是不确定的（即相对同时的公认量是定义的）。忽略已经发生了的多普勒效应的影响很难得到符合逻辑的结论。既定因果关系中的原因和结果之间是由客观规律联系着的，不应该与观察者的运动状态有关。相对性原理的成立是以否定既定因果关系的客观性（认为它与观察者的运动状态有关）为条件的，因此相对性原理的某些推论必然与经验世界不符。 一列高速行驶的火车，车头A′点和车尾B′点各有一个反粒子.A′点上的反粒子与路基系中的A点上的一个粒子相互掠过而湮没,产生一次闪光(事件1).B′点上的反粒子与路基系中的B点上的一个粒子相互掠过而湮没,也产生一次闪光(事件2).在路基系中观察,事件1和事件2同时发生.闪光信号可通过光纤和真空向火车的中点 M′和路基系中AB的中点M传播. 如果路基系中的观察者认为事件１和事件２的光源都是在路基系中，就一定会发现火车的中点M′迎着A点发出的光子运动而背离B点发出的光子运动。故，M′点先接收到事件１的光信号而后接收到事件２的光信号（即火车系中的观察认为M′点的接收时间差产生的原因是事件1与事件2同时发生）。根据同一点的同时与观察者的运动状态无关可知，乘客也承认M′点的确是先接收到事件１的光信号而后接收到事件２的光信号，也发现事件1和事件2分别发生在A′、B′两点。这样，火车系中的观察者通过忽略多勒频移和承认光速不变而认为事件１先于事件２（即存在接收时间差）的原因是同时具有相对性。路基系中的观察者认为事件１先于事件２的原因是接收者与光源之间有相对运动（与前述原因大相径庭）。多年来人们一直认为这一推理过程是完美的。但是，推理时忽略了多普勒效应对结果的影响，光源所在的惯性系的划分方法也是值得怀疑的，认为“同一种因果关系中结果是绝对的而原因是相对的”（即认为已经发生的事物的同一种因果关系中的结果不变而原因与观察者的运动状态有关）未必符合逻辑。 实际上，A、A′两点重合时发出的那个光子的光源所在的系统是下列三个系统之一：①火车系；②路基系；③火车系与路基系折衷的系统。不应该一会儿认为是路基系一会儿认为是火车系。如果是②，则M′点上的仪器就会在接收到事件１和事件２的光信号的同时能反映出两个方向的光波的多普勒频移。火车上的乘客也就知道自己迎着事件１的光信号运动而背离事件２的光信号运动，从而不能仅根据“先接收到事件１的光信号后接收到事件２的光信号”的事实，得出事件１先于事件２的结论（还应该考虑到发生了多普勒效应的事实）。由于多普勒频移反映的是接收者与光源之间的相对运动，因此，只要光源不是静止在火车系之中，火车上的乘客就必须从M′点接收到发自两端的光信号的时间差中扣除与多普勒频移量对应的那部分时间差。如果是①，则M点上的仪器就能测出多普勒频移，路基系中的观察者也必须根据多普勒频移和接收时间差两种事实来判断两接收事件的同时性。如果是③，则M点和M′点上的仪器都能测出多普勒频移。相对论本身不能确定从两惯性系交界处发出的光子的光源一定与甲系相联系而不与乙系相联系。若肯定光源在甲系之中而不在乙系之中，就肯定了甲系与乙系不等价。 讨论A、A′只发出一个光子（在真空中传播）的情况。在路基系中观察认为该光子发自路基系中的A点并在路基系的空间中传播，在火车系中观察却又认为该光子发自火车系中的A′点并在火车系的空间中传播。相当于在路基系中承认M′点上的仪器能测出该光子的多普勒频移而在火车系中又否认M′点上的同一架仪器能测出该光子的多普勒频移。很明显，同一架仪器接收相同的光波不可能既测出了频移又未测出频移。如上所述，在现有教科书中由理想实验得出“同时”具有相对性的结论，完全是由随意变更光源所在的系统，忽略客观存在的多普勒频移对判断的影响，认为已经发生的因果关系中的原因具有相对性，而得到的（是定义的概念而不是客观实在）。洛伦兹变换经受不住理想实验的检验。 一般都可以找到一种实在的多种客观反映，这是颠扑不破的哲学原理。在确认夸克的过程中，就是确信夸克的存在有多种不同的客观反映，然后根据多种不同反映推测夸克的存在。由这一原理可知，当事件1和事件2在路基系中同时发生时，路基系中的观察者就可用办得到的符合逻辑的任何信号校验这两个事件是否同时。从逻辑的角度看，没有充足的理由认为只能用光信号对钟。如果用不同速度的信号对钟能导致相对同时在量上有差异就不得不怀疑“与对钟信号速度有关的相对同时”的真实性。计算这样的相对同时也是毫无意义的。 设那列火车在路基系中的影子的长度为30万公里，火车的速度为0.5c.光纤中的光速为0.99c.计算发自B′点而通过火车上的光纤向M点传播的光子相对路基系的速度.用算术中追及问题的算法可得到发自A、B′两点的光信号到达M点所花的时间分别为0.3542s和就是利用火车系内光纤中的亚光速信号确定的路基系之间的“相对同时的量”。从逻辑上看，我们不能找到否认这一计算结果的理由。可是，若将对钟信号换成真空中的光信号，则由相同的方法或直接由可得，对应的“相对同时的量”为0.6667s（不等于0.6524s）。计算表明，相对同时的量与对钟信号的速度定量有关。 如果接收器与原发光子之间有相对运动,会导致两种结果:发生多普勒频移；光信号产生时处于中点之上的接收器不能同时接收到发自两端的光信号。在光讯号对钟的过程中，三者之间是相互关联的，只要测出了多普勒频移（即是客观存在），则的最有可能的原因是而不是“同时”具有相对性。与之间的因果关系不是一个定义就能切断的（强行切断有违科学精神）。 无论是在自然界还是在人类社会中，一个既定因果关系的原因和结果之间都有着内在的必然联系。也就是说，原因引起结果所遵循的是不以人们的意识为转移的不随观察者的运动状态而变的客观规律。认为既定因果关系与观察者的运动状态有关的理论所犯的是否认客观规律的重大错误。从哲学上看，一个既定因果关系就是一个客观实在，应与主观意识和无干扰地观察无关。承认已经发生的（或既定的）因果关系与主观感觉有关就是承认客观实在与主观感觉有关。既定因果关系与观察者的运动状态有关是指通过改变观察者的运动状态而改变了主观感觉，从而改变了既定因果关系中的原因和（或）结果，以及它们之间的逻辑联系的实际效果。也就是通过无干扰地观察而改变了既定因果关系中的逻辑联系。仅改变观察者的运动状态而改变了已发生了（或既定的）因果关系中的逻辑联系的物理机制是什么呢？如果是运动学效应，则运动学效应就应有“不施加任何影响而能改变事物的历史和现状”的功能。可是，我们知道，在类时空间中，即使是神仙、上帝也不能“改变事物的历史和不施加影响地改变事物的现状”。 如果一个因果关系中的原因和结果间的逻辑联系是一条物理学定律，那么通过无干扰地观察（或仅改变观察者的运动状态）而改变了这个因果关系，就等于承认这条物理学定律的实际作用与观察者的运动状态有关（即与惯性系的选择有关）。显然，要想承认“物理学定律的数学形式与惯性系的选择无关”，就必须承认“物理学定律的实际作用与惯性系的选择有关。”我们都知道，是应该追求形式的完美还是应该追求实际效果的客观性。 也许有人认为，改变观察者的运动状态仅改变“原因”而不改变“原因”与“结果”之间的逻辑联系的规律性。已经建立并成为历史的因果关系中的原因也是历史，已成为历史的事物是客观实在，不能通过改变观察者运动状态而改变。如果说起作用的原因都是（且只能是）表现感觉（或表象），就很难保证根据表观原因推测出的结果都是客观的。由于同一客观事物有多种不同的表象，因此，据表观原因加客观规律推测出的结果（结论）可以是相互矛盾的。 7 小结 狭义相对论基本矛盾的总根源是，物理学定律的形式不变导致的推论与经验世界相符是由爱因斯坦设定的，不讲逻辑而拼凑出“同时的相对性”。 a）认为根据表观原因和物理学定律的表观形式推出的是客观的结论； 对于同一个因果关系，必须以“原因与观察者的运动状态有关或物理学定律发挥实际作用不具备客观性”的方式来保持电动力学定律的形式美。如果说形式不变是美的，那么内容不变岂不是更美？为了追求形式美（外在美）而破坏内容不变美（内在美）不是得不偿失吗？我们还值得为相对论的美而自豪吗？ 狭义相对论基本矛盾的的后果是，致使狭义相对论理论体系矛盾重重，狭义相对论的推论与经验世界不符，狭义相对论理论不自洽（即狭义相对论的逻辑很混乱）。 形式不变与内容不变二者不可兼得是将相对性原理的适用范围从经典力学领域扩大到电动力学领域的最大障碍。正是它决定了选择相对性原理必然存在时间疑难等不可消除的悖论。形式和内容都不因观察者改变运动状态而变是相对性原理具有实用性和美感的必要条件。实际上，形式不变与内容不变不可兼得，电动力学相对性原理的本质是用“内容变”维持“定律的形式不变”。 实验已经证实的只是运动粒子的质量增大和运动的钟变慢及它们的衍生效应。同时的相对性和尺缩效应都没有被除数直接证实。实验证实加上逻辑推演尚不能构成一个完整而严密的印证体系。 |