一、认识相对论

　　 　　一直来我不愿意纠缠于相对论本身的问题这个枝节问题，但也不企望做一篇外围论述性质的文章就能够把相对论的问题说清。只是随便谈谈一般读者感兴趣的相对性理论外围话题，以让更多的兴趣于相对论问题的读者对于相对论有一个更好的了解，或许对于人们认识科学会有点帮助。科学的事情也许有点困难，那么如何才能够搞清楚科学的问题？有句话叫做，不识庐山真面目，只缘身在此山中，也许有点借鉴意义。所以，要了解今天的科学，不能纠缠于今天的科学，总是纠缠于相对论发展出的思想、方法和问题，是无法认清相对论问题的。有人说相对论意味着科学中的数学思维风格，如果说这个科学时代是形象思维和数学思维之争的话，那么相对论的问题不仅仅是一个格局科学问题了，而是人类整个科学思想的大反思。如果说是 Corpernicus 真正读懂了地心说理论，也只有 Darwin 真正第一个听懂了上帝造人的故事，那么大概只有那个能够把相对论推翻掉的人才是真正读懂了相对论的人。 　　1、理论的思想起点 　　我们是不是比较感兴趣于 Einstein 早期思考的一些问题？也许讨论原始的问题有助于我们了解相对论事情的原委和真实的相对论问题，当时 Einstein 考虑的几个物理问题是：1、说光速 30 万公里是相对于那个参照系而说的？2、磁场是不是客观实在？3、Maxwell 方程应该是物理规律，不过它在坐标变换下不能保持确定的数学形式。先说光速的问题，可以设想一种光的传播介质，但是这样也会有不少的问题，另外这种介质怎么通过实验观测它的存在也是问题。光速的问题也牵涉到 Maxwell 方程，因为根据 Maxwell 的电磁场理论，光是一种电磁波。但是 Maxwell 的电磁场理论并没有说明有一种特殊介质的存在以及电磁波是相对于这种介质运动。那么磁场的相对性又是什么问题？我们知道运动电荷即是电流，所以运动电荷周围有磁场，但是如果跟着运动电荷考察电荷，我们则看不到这个磁场。这就是运动电荷的磁场相对性。那么现在有这样一个问题，磁场是否真的存在？就这样一个简单的问题，我们大家都学过电磁学理论，谁能够回答这个问题，谁有解决这个磁场问题的高见？如果说磁场本不存在，我们说的磁场它是什么？如果说磁场存在，我们跟着运动电荷考察电荷，为什么又观测不到磁场的存在？也许你感到惊愕，我们念完了大学，学了不少的物理课程，怎么都没有考虑过这样的简单问题？！其实，物理学中简单又思考不清楚的问题又岂只一个磁场问题？也许你对于物理学的问题已经有所了解，或者已经见多不怪或者已经相信这个世界的相对性本质。至于物理规律通过坐标变换应该保持确定的数学形式，作者一直来觉得这是一个理论误区，后面会有就这个问题的专题讲解。 　　2、相对论是测量理论？ 　　有一种比较普遍的观点，认为相对论是一种基于测量的理论。我们一时无法说清这个问题，但是如果相对论的确只是一种测量理论，那么本质上说这种理论依然还只是一种表象理论，因为我们并不期望科学会有那么幸运，我们直接观测到的就已经是这个世界的本质。同时我们也不会相信地球人类的科学总会是这么无奈，无法领悟这个世界的本质，从而在技术上只有把观测到的当作世界的本质。关于相对性理论是一个测量理论，有美国大学物理教科书编者 R.Resnick 先生也作过如下评述： 　　在经典力学中，运动影响测量也不是一个奇怪的概念。例如，由测量得到的声音或者光波的频率与声源或者光源相对于观测者的相对运动有关。这一现象称为 Doppler 效应，他是每一个人都熟悉的现象（比如汽车从身边驶过那个机声声调的变化）。虽然，所有的物理学都认为地面上的观测者和行驶中的火车上的观测者所测得的同一运动物体的运动速度，动量和动能数值是不同的，但是在经典物理学中人们相信理解一个物象系统可以基于一个统一的时间标准和其它尺度标准。而在相对性理论中，( 除了光速的测量是绝对的，与观测者是否在运动无关 ) 包括空间与时间的测量都是相对于观测者的。但是，不仅实验事实推断起来与经典物理相矛盾，而且只有考虑了时间与空间的相对性以后，才能使依据物象来完美构造的物理定律对于所有的观测者来说是不变的，即物理定律的绝对性。的确，如果像时间和长度的经典概念所要求的那样，放弃 Maxwell 电磁场方程的确定形式，那么留给我们的将是一个任意而又复杂的方法系统。比较起来，相对性理论那个方法才是确定的和简单的。所以，相对性理论应当称作绝对论。这个理论的主要之点不在于测量数值的相对效应，而在于把物理定律的相对性移去了，反倒强调了物理定律的绝对性，即所谓事物运动规律不依赖于观察者的立场。 　　认识相对论的理论性质有点困难，我们是否先考虑别的问题。 　　3、运动相对性说的是什么？ 　　相对论的相对性有强调物理量的相对性的意思，不过这里暂不讨论物理量的相对性问题，先讨论相对性的第一意义-运动相对性。运动相对性是这样解释的，指物象行为与物象之间的相对运动有关，而与它们在宇宙背景中的绝对运动无关。比如导体切割磁力线产生电流，只与导体和磁场之间的相对运动有关，而与它们两个相对于宇宙背景的运动无关。人们把关于运动相对性的种种认识总结为相对性原理。不过要说明它的真正问题，直至今天也可能不是一件容易的事情。我想让我们回到原始的问题考虑 Galileo 那个大船领悟，也许从这里开始思考能够让我们真正明白什么是相对性原理。我觉得这个原理是一个错觉的原理。如果认为坐在船里就不知道船动，那我们还应该认为坐在船里也不知道船在何处，以及不知地球的东南西北，还有上和下，那么我们坐在船里是不是就不知道东南西北呢，也不知道上和下呢，更不知道身在何处呢？显然我们坐在船里还是知道上和下的，至于是否还知道东南西北，需要借助于指南针，如果有现代陀螺仪，坐在船里还是能够知道船在何处以及船的运行速度。Galileo 的大船领悟，尽管是流行的说法，听起来也似乎很有道理，但是并不正确！ 　　Galileo 最初的意思确是人坐在船里不知船动，不过当初的出发点是试图以此来说明我们认为不运动的东西实际上可能是运动的，仅此而已。后来人们将这个意思反过来，认为运动的东西在方法意义上也可以认为是不运动的，可以当作完全静止的参照系来应用，为参照系的任意选择提供了理论基础。我们可能不太理解科学抽象的陈述，所以相对性原理同时也保留有一个实验语言的说法，即不能根据地球上的实验来发现地球的运动。不过这似乎是一个明显错误的陈述，因为不管怎么样，我们注意到 Corpernicus 先生400年前站在地球上发现地球的运动！那么我们认为不能根据地球上的实验来发现地球的运动这种说法到底是什么意思呢？现代科学的意思大概是古人的眼睛观察不算地球上的实验行为，如果这就是真实的意思，事情也是真有意思。 　　作者一直来力图对于相对性原理作了一些表通俗的解说，但是我还发现很多学者对于我的说法有一个误解，他们的理解是船是因为做圆弧运动陀螺仪能够在船里测得船的运动，其实我说的是即使船能够做惯性系运动陀螺仪也能够观测到船的运行速度，因为对于引力船壳的封闭性是不存在的，能够感知引力漂移的仪器总是可以观测到船相对于引力的运动，而不管船是不是在一根理想的直线上做匀速运动，这是我的真实意思。也许一个人有了一种坚强的信仰，没有什么道理能够说服他。 　　也许有人要说，相对性原理真实的意思是，地球在更大空间范围的运动不影响地球内部的物象行为。我们考虑地球空间内部的物象问题可以不考虑地球在更大空间范围的运动，这种理解也许有点本质意义，不过这样的理解我们会得到一个通俗的结论，地球的公转不会影响地球的自转行为，地球的自转也不会影响地球的公转。你也许觉得地球的自转与公转的确是各自独立互不影响的两个运动层次。但是物质运动世界一个层次的物质运动不会影响及于另一层次的物质运动，这又是怎样一种物理学思想啊！其实当我们坐在飞驰的汽车里，我们的汽车所作的工作是把汽油分子运动层次的化学能量转化为汽车整体层次的运动 ！！ 　　4、实验证明了以太不存在？ 　　相对论学者也承认从相对论的思想起点历程上看有一个关键的以太问题。很多相对论者认为 Michelson 实验的否定结果说明以太的不存在。当然凭一个 Michelson 实验结果能够说明以太的不存在，理由是不充分的。历史上很多人指出，这一实验只能证明地球附近的以太随着地球运动。也许你要说这样不能解释光行差现象。那么以太部分随动是否就不能解释光行差现象呢？不是的，我举一个例子，下雨天我们坐在运动的汽车里，我们人身边的空气是跟着我们一起运动的，但是我们依然能够观察到车子外面雨的后飘现象。那么钢盘实验又怎么解释呢？实际上引力场就是以太，光是在引力场中传播。那么我们知道，就钢盘附近而言，你可以计算，是地球的引力场为主，还是钢盘的引力场为主？显然对于强大的地球引力场而言，钢盘的引力场影响实在是过于微弱。那么，水为什么又可以拖动光波呢。这是水分子内部的电场磁场拖动的结果。光的传播媒介既是电磁场，也是引力场，也许引力场就是电磁场，一种紊动的电磁场。光作为电磁波是电磁场中的波，正好啊没错啊。说实验证明了以太的不存在，这句话是不对的，实际上这些实验只是否定了过去简单化的以太运动模型。对于一个善于想象的学者，为现有的实验现象体系构造合理的以太运动模型是可以做到的。实际上引力的普遍存在就是以太存在的普遍证据。设想理想真空中的物体普遍引力作用，这是一种无中生有的力！一个物体如果周围都时空的，它不受到任何物质的作用，却又说它受到力的作用，这是矛盾。 　　光的运动与物体的运动的关系和叶波先生曾经做过进一步的讨论。我说，先生搞错了。光不能被地面带动，更不能被火车带动，但是光应该能够被地球带动。Michelson 实验表明，光能够被地球带动。光纤陀螺实验结果表明，光不能被地面带动。火车飞机上的 Michelson 实验做不出来，卫星上的 Michelson 实验没有做过。但是根据光纤陀螺实验结果，地面如果带不动引力场的旋转，火车飞机更没有这个力量。大家在这里可能有一个问题，同是地球，既然地球公转能够带动光波，而自转又为什么又不能呢？一个理想光滑的乒乓球，放在水面上，乒乓球的平动能够影响水的流动，乒乓球的旋转则不能影响水的旋转。你也许认为，地球并不理想光滑，但是在这里引力场可以理解为是理想光滑的。你也许觉得引力场既然理想光滑，那么地球应该不能带动地球的引力场，但是万有引力定律不允许我们这样理解，地球的引力场和地球应该是一个整体。地球的引力场跟着地球跑，不随地面转，所以地球作为物体有一个相对性问题，地球的公转质量大于自转质量。我认为 Michelson 做他的实验的目的用来监测引力风的。但是正像树里的猴子躲在树里，没有受到风的袭击，由于地球可能也是这样一棵大树，那个实验也没有检测到太阳的引力风。 　　5、运动物体内部到底发生了什么事情？ 　　不管 Einstein 先生当年考虑的问题有理还是无理，他的理论走上了科学今天的主导地位。不过从这一理论自身的很多问题以及这一理论应用上的一些问题来看，人们怀疑这一理论的正确性也不是无端的指责。由于问题比较专业，我不想展开讨论，只想说明一点，正确的态度是我们不可能永远回避而是应该搞清真实的物象世界到底是怎样一副图像。那么运动物体内部到底发生了什么事情？E = mcc 到底是什么神奇算式？以及行星轨迹异常的真实原因有是什么？ 　　运动物体内部到底发生了什么事情呢？粒子的寿命延长与运动时钟的走慢也许是一回事情，那么时钟的走慢又到底说的是什么？我的理解，所谓时钟的走慢就是时钟指针的转动角速度减少，如果转动的地球依然可以看作一个时钟，那么所谓时钟走慢了，大概就是地球转慢了。问题是如果我们认为时钟走慢是一种真像，时钟走慢应该不是一个单独的行为，但是运动物体内部同时发生的还有哪些事情，我们似乎一无所知。根据相对论运动的物体会缩短，这个结论就是很多相对论学者也觉得这只是一种理论推论。不过还有一个公认的事实，运动物体的质量的确是增加了，那么运动物体内部过程的变慢是不是质量增加机构笨重的一种表现效果？但是这样有一个不是令我们感到很满意的推论，也就是内部的运动速度减少。所以我有一个比较奇怪的想法，比如有一天地球的确转慢了，我认为这是地球膨胀的结果。 　　我一直来认为运动物体显示的实际迹象是运动的物体有膨胀效果，比如越是高速运动的粒子越容易发生碰撞和更高比率的散射效果，这种实验结果应该可以每天在加速器中重复演示。无奈的事情只是一方面运动粒子的膨胀效果与相对论结论有矛盾，另一方面大概是科学社会也没有发现有其它理论提供运动膨胀的理论解释，所以这种‘膨胀效果’总是被职业学界称为‘碰撞界面增加’，人们有意或无意地回避了粒子真实的尺度有没有膨胀的问题。我最先是从 Heisenberg 的文章中了解了‘碰撞界面增加’这个事情。至于人们为什么一直来回避这个关键的问题，我是估计人们是在理论和实验矛盾的时候，由于没有可以供选择的另外理论图像，在相信实验还是相信理论之间很难做出明确的选择。但是长度类实验一直来与相对论有矛盾很难彻底回避，比如在原子核物理学和粒子物理学中，由于很多实验结果用基于相对论的理论处理起来非常繁杂，现在这种矛盾经常被提起。也许一直来我们都忽略了这个现象细节，运动物体内部发生的真实事情是运动的物体大大地膨胀了。 　　6、相对论产生和发展的背景问题 　　科学有时候难免会走向错误的方向，我们总结相对论产生和发展的背景问题。一、理论背景：1、绝对静止系没有找到，2、Maxwell 方程希望上升为物理定律，3、设想物理定律的坐标变换不变性思想来论证物理问题可以选择任意的坐标系。实际上这三个理论问题均为理论误区。其实恒星背景就是一个绝对静止参考系，只不过是运动学考察的结果，不是动力学检测的结果而已。再说 Maxwell 方程，它可能本来就是一种类似于空气中的声波的波动方程，在引力局域坐标系中成立，没有必要夸大它的应用条件。坐标系本来就不是任意选择的，比如 Newton 定律体系应于处理行星的问题，也必须选择合适的太阳坐标系。二、实验背景：很多在地球地面实验室里进行的实验支持相对性原理。另一方面当时学院派物理学家的以太运动模型太刻板，解决不了一些新的实验问题也给数理学家的自由想象留下了空间。三、发迹背景：新的数学原理 Lorentz 变换需要哲学解释，爱氏给出了相对性操作上的解释。另外广义相对论利用水星超常进动预言太阳光线的超常弯曲得到了证实，相对性理论形成一个强大的理论军团。四、存在背景：相对论的数学能够得出很多有用的结果。实用方面保持了一个世纪的领先地位也是事实。结合其它理论产生了很庞大的次级理论群体。利用主流地位巩固了舆论阵地。营造了物理学中的数学风格氛围。当然关键的事情是超越相对论的集大成著作毕竟没有问世。 　　科学是科学家聪明才智的积累，但是面对深邃的宇宙世界科学有时也会显得困惑。无奈的时候科学也经常会走错了路。如果一个人面临死亡的威胁，那么一根稻草也是好的，事实上科学也是这样，科学社会面对面临难以解决的困难问题，科学社会也会接受任何观念。相对论如果不是正确的理论，也许就是这样一根稻草，因为与其它理论相比，连根稻草也可能不是整根的，比如 Lorentz 理论，那么科学自然选择了整根的稻草-相对论。人类意识有一个天性的缺陷，面对困惑的问题总是容易走向唯心主义，不求甚解。这个思想意识的天性缺陷并不因为现代科技进步而消失。科技的发展，只是丰富了人们的知识数量，但是并不就因此提高了人类的思维能力和智慧水平。现代科学书籍远没有古希腊哲学书籍蕴含的哲学智慧令人激动，对大众而言现代科学最伟大的发现也许没有过去的时代“大地是一个圆球”这一发现激动人心。这说明什么，也许说明现代人繁忙的生活对于智慧思维也许是一种扼杀。现代科学的职业社会甚至连自己走远了物质的原因世界也毫无察觉。这也许能够说明这一点，即现代科学除了凑合形式数学，缺乏真正的科学智慧。 　　7、相对论的理论性质 　　有人喜欢从哲学上考虑相对论的问题，现在我把相对论的观点与 Marx 的观点进行比较。Marx 先生认为，磁场是不依赖于人的意识的客观存在，物理规律是人对于磁场的认识，即磁场是绝对的，磁场的规律是相对的。Einstein 作为 Marx 先生的犹太兄弟，他的认识恰好与他的犹太兄弟 Marx 先生相反，他认为磁场是相对的，磁场的规律是绝对的。认为物质和物质的作用是相对的，物质作用的规律是绝对的。Einstein 恰好把 Marx 先生的哲学相对绝对观点给颠倒了过来。科学家与哲学家的思想基点恰好相反，是令人寻味的事情。当然什么事情，如果很有用，即使是对的错的好的差的，都会找到很多辩护的理由。比如牺牲环境发展经济，应该不对，但是能说这种思想没有一套辩护理论呢？！这方面的道理大家都懂，我也就不说了。所以我想对于理智的学者，很多东西即使很有理由也需要再做认真的思考，这绝不是把我们引向极端的怀疑论。 　　也有艾力江尔肯先生给相对论总结了几个特点：“难以置信的相对论之四种特色。特色一：让人很难理解。特别是光速度以任何物体为参照物都不变！特色二：对事实的过程不适用，对结果却是适用的。特色三：把简单的东西变复杂。特色四：没有根据的进行纯数学的计算。我赞成物理和数学统一不离的研究”。 　　8、相对论的应用缺陷和可能结局 　　很多迷糊的人们喜欢讨论相对论的逻辑思路。明白了事理的学者知道相对论是以其结果的实用性走上科学的舞台。Einstein 本人也很清楚这一点，所以他把他狭义相对论的两个前提叫做假设。相对性理论在实验方面拥有很多的成功，但是这一理论今天却面对很多应用上的不如意问题，这也许是真正的关键问题。比如比较公认的几个相对论困难有微波背景辐射各向异性，双星进动难题，Sagnac 实验，GPS 技术，热核反应器中的中子产额计算、引力波观测困难、量子色动力学中的夸克胶子等离子体观测困难等等。微波背景辐射对于动体各向异性，这个问题比较简单，我不想多说。后面的问题比较专业，因为比较专业我只介绍一些问题的一些结论。双星实际的进动程度是广义相对论理论计算值的 4 倍， DI . Herculis 双星进动 84 年累计进动角度为 0.64 度。广义相对论的理论计算数据 2.4 度。关于 GPS ，这样的技术我可以说绝对不是相对论学者提出的，各个卫星如果有各自不能统一的时间，怎么搞动体定位动体的系统，这种技术肯定是基于时钟可以快慢，时间可以统一的思想基础，一定是那些飞机工程师们、雷达工程们、航天工程师们想出的技术灵感。 　　什么事情都有人反对有人喜欢。不过我想提醒相对论者们，我觉得他们之中很多人忽略了一件事情，这一理论近年来受到的很多反对，其很多理由大多来自于与相对论有关的专业人士，比如专业的相对论实验室-中国科学院的高能物理所，某些国家的科学院-俄罗斯科学院，也有工程应用领域- 热核反应器的实际应用问题、GPS 技术。当然也有业余研究和网络传媒的推波助澜。很多相对论迷信者也不是不知道相对论遭到了很多批评以及实际应用方面的很多问题，但是他们相信一个理论总有合理的地方。很多相对论学者觉得相对论即使有一天会得到修正，不会被完全否定，但是我总为相对论这样的理论而担心。比如那个辉煌了上千年的 Ptolemy 理论，现在又有几个人知道？当然相对论的结局不会像 Ptolemy 理论那么悲惨，但是所有的纯数学理论也许同样悲惨。相对论也许会留下几个算式，但是狭义相对论的很多算式是否会回归于 Lorentz 或者 Poincare 的功绩？因为有时想来Einstein 不过是给 Lorentz 的相对论数学工作提供了一根完整的思想主线而已。广义相对论的算式应该属于 Einstein ，但是是否会被说成一种数学凑合，即使是一种数学技巧，但是由于退出了基本思想的地位，这一领域自然滑入冷门。 　　不知大家是否读过老 Newton 的著作或者 Einstein 的著作？老 Newton 的著作我也不曾读，可能 Einstein 的著作我更加不想读下去。不过相对论不管伟大与否，Einstein 的书是不成书的，一生的论文凑成，所以叫《Einstein 文集》。92 年在北京中关村科学书店发现《Einstein 文集》，印数 500 ，看了看几行字，但是最后我为 Einstein 感到遗憾，因为我的心没有被他的书打动。当时的感觉这样的书即使作为批评的对象也不值得研究。多少年来，也想看看牛顿的著作，一次在杭州的书店有幸碰到了，觉得更像一本数学书，所以也没有买下。物理学有着许多值得骄傲的科学家，遗憾的是好像没有留下一本引人入胜的哲学诗篇。 　　如果今后会有一个科学思想的伟大发现，上帝会把科学的灵感降落何方？我觉得网络时代大大缩小了业余物理研究在实验资料方面的弱势处境。业余研究绝对不会仅是朋友茶座，古有孔子周游列国，今有学子周游学院。而今网络时代，足不出户，手巧键盘，云游天下。科学需要的灵感光顾和闲暇的时间。这两点物理职业和合资公司的职员一般都不具备。抑或是公司萧条时期能够给公司职员提供一段闲暇的时间。政府的一些技术部门有可能为其技术人员留下大量的个人精力和时间。比如水利、林业、气象这些传统技术职业，技术更新换代很慢，技术人员适应几年技术工作以后，技术业务上就进入养兵千日、用力一时的状态。这方面的事情说不清楚，或许很多人不能想象，即使会有新的 Newton ，怎么可能会在科学的角落国度-中国产生！认识过去已经不易，预测未来当然更难。 　　8、科学是否回到过去的绝对论？ 　　科学困难还有旧科学形成的思想意识障碍。迷恋旧科学的人只知道旧科学的力量，却没有发现新科学的力量。我不想说科学如果评选最不得人心的物理思想相对论无疑是首选，因为即使是太阳绕地球转动的错误思想也曾经深入人心过。但是伟大的相对论思想 100 年了，好像没有赢得地球人大众学者的情感。相对论的问题我想大家比以前有了更多的了解，但是如果相对论错了，科学是否回到过去的绝对论？科学即使会走一些回头的路，绝对不是简单的重复，因为过去的绝对的绝对论肯定也是有一些问题的。科学的历史说明绝对地绝对和绝对地相对都是不满意的。科学需要我们重新思考，现有的种种实际问题的处理方法似乎显示着一种更好的坐标系理论-分级质心系理论。地球只在月下天范围，可以作为一个局部行政区域的绝对参考系。超出这个范围，但不超出太阳系的彗星远点，太阳可以作为一个绝对的参考系。即科学不是绝对地绝对，也不是绝对地相对，而是相对地绝对。