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狭义相对论实验的再思考
季 灏 摘要：本文作者重新审视了狭义相对论的每一个被狭义相对论拥护者定义的验证实验。分析、批评了光速不变，相对性原理，时间延缓，长度收缩，质量随速度增加等实验中存在的理论问题及实验数据严重偏差问题。 关键词：时间延缓、长度收缩、质速关系。 一、引言： 1905年是爱因斯坦奇迹年，他先后发表了“光电效应” 等震惊世界的物理学论文。为此，联合国确定2005年为世界物理年，狭义相对论的拥护者（以下简称拥护者），在主流物理学的刊物上纷纷刊登了记念爱因斯坦的文章，来歌颂他的丰功伟绩，特别是把狭义相对议论说成是一个神圣不可侵犯的终极理论。 但是，在另一方面，国内外，对狭义相对论的质疑和批评没有随着时间的流逝和爱因斯坦狭义相对论声誉及地位的不断提高而减少。笔者认为近年来对爱因斯坦狭义相对论的批评和质疑越来越激烈，甚至有些学者写了长篇论著全面细致地对爱因斯坦狭义相对论评击。也有一些学者对很多实验研究仔细分析提出批评。十分可喜的是，不管是在互联网上还是在有创新精神的各种刊物上，大量出现了质疑和挑战狭义相对论的文章。 拥护者认为狭义相对论已被广大实验所证实，狭义相对论的挑战者（以下简称挑战者）则仔细分析了所谓被证实的实验是存在严重问题的，是值得大家考究的，笔者也持后者的观点。逐个审视了狭义相对论的每个实验，并设计了众多实验，写了《挑战宇宙论和相对论》一书，对爱因斯坦狭义相对论质疑、挑战。 二、对狭义相对论验证实验的重新审视。 1、拥护者为狭义相对论辩护最有信心的第一个实验验证是光速不变原理，笔者认为爱因斯坦狭义相对论中的光速不变原理所指的光速指的是单向光速，但是至今一切实验实际测量的是回路光速的不变性，因此，用中科院张元仲研究员的话说：“因此，通常所说的光速不变原理已为实验所证实是不确切的”。 2、拥护者认为，狭义相对论的相对性原理，已被实验所证实，用艾小白先生的话说：“将自已的眼睛闭上，几秒以后再将眼睛睁开，人们会发现周围的自然界并没有发生大变化……实际上它是对相对性原理的正确性的有力证明”。笔者认为这句话十分不严格，没有大变化，小变化还是有的，现代科学实验测得精细结构常数（α=e2/hc）的数值不恒等于质心系中的数值1/137，在高运动量转移下会增大到1/128，这件事明显与相对论证明的电子电荷是相对论不变量的论断矛盾。笔者还撰文《惯性系不平权》，对相对性原理提出批评。 3、拥护者对狭义相对论辩护很有信心的实验证据是“时间延缓”。第一个实验是运动的μ子或π+介子的寿命，比静止的μ子或π+介子的寿命长，笔者认为到目前为止实验室还没有办法制造静止（相对实验室的观察者）的μ子或π+介子，因此，实际上静止的μ子和π+介子是不存在的，所谓静止的μ子和π+介子是通过铅版、镉板使μ子和π+介子减速使其静止，在这减速的过程中，必然有物质与μ子和π+介子相互作用，笔者认为这些物质的相互作用也必然影响μ子和π+介子的稳定性，因而他们的寿命比在近乎真空中运动的μ子和π+介子寿命短也是很正常的。 拥护者的第二个实验是Hafele的原子钟环球航行实验。有的说这是验证了狭义相对论的时间延缓效应，也有人说这是验证了广义相对论的时间效应，但是笔者认为（1）该实验没有重复性实验，而没有重复性实验的实验是不可靠的。（2）从理论上讲对爱因斯坦狭义相对论有意义的速度是两时钟之间的相对速度，不是相对于某一参照系的“绝对”速度。那么，向东飞行和向西飞行的原子钟相对于地面的原子钟狭义相对论效应，那个应该走得慢些？（3）笔者对这一实验的结果的可靠性表示怀疑。根据实验报告的修正后的结果与原始数据不相同，他们所作的修正原则上是科学研究中不允许的。根据凯利博士从美国海军天文台索取的原始资料复印件，四个钟的其中三个有严重的不稳定基线漂移。用Hafele在1971年内部报告上自己说的话：“多数人（包括我自己）不认为这些原子钟指出的时间加快说明任何问题”。“理论与测量数值的不同令人困扰”。 下面我们比较理论和实验的实际情况：理论上东向飞行的钟应比地面钟-40ns，向西飞行的钟应比地面钟+275ns。而实验值用最稳定的447号钟，东向飞行的钟比地面钟-97ns，向西飞行的钟比地面钟+26ns，从对比数据可以发现实际实验的值与理论计算发生严重的偏离，根本谈不上实验验证了狭义相对论的时间延缓效应。 其实关于运动时钟变慢结论，这是一个自相对论建立以来，长期争论而未能达共识的问题，即使爱因斯坦本人也认为解决时钟佯谬问题超出了狭义相对论的范围。 4、运动物体长度收缩实验。用北京广播学院黄志洵教授的话说：“至今没有一个实验证明过。” 5、护拥者认为最有力的实验验证是相对论质量随速度增加的实验。 关于运动物体质量的增加结论，确是物理学家做了大量关于质速关于的实验，但是几乎所有的实验都包含了运动电荷电量不变及电荷在电磁场中受力不变的假设。因此，同张元仲研究员的话：“上面所介绍的实验，都包含着对荷电粒子在电磁场中的运动规律的承认，因此，这类实验实际上证明的是相对论力学及荷电粒子在电磁场中的运动规律。” 当然，有一个实验我认为确是证明相对论质速关系的，它就是1964年贝托齐实验，（刊登在1964年美国“物理评论”上。）但是张元仲研究员没有把该实验列入质速关系部分，为什么？笔者认为，这是因为实验本身存在的严重问题。 对于电子能量的测量，贝托齐实验仅对1.5Meυ和4.5Meυ两种能量的电子作了测量并记录。（而其他著述有5种、4种或3种能量的电子能量测量。）贝托齐实验既然对15Meυ的电子速度测量，为什么没有对15Meυ电子能量测量？是没有达到预期效果，还是有其他原因？ 最重要的是对1.5Meυ和4.5Meυ电子能量测量，但贝托齐没有把当时的实验经过时间详细写出来。在该实验中中间间隔的时间是很重要的，因为在实验中电荷的收集时间很短，而铝盘的热时间常数较大。如果1.5Meυ电子打到铝盘以后，铝盘温度升高没有足够的时间，铝盘的热量不可能很快散发掉，否则4.5Meυ电子打到铝盘时，铝盘温度的升高必然有1.5Meυ电子能量的贡献。也就是36.5格偏转很可能包含1.5Meυ电子能量的成分。 此外，该实验始终没有讲到铝盘的质量和大小。因为24mA的电流通过200Ω电阻133秒校准检流计的偏转19格，相当于每格检流计的偏转200Ω电阻上吸收了0.8焦耳的热量。那么整个铝盘吸收0.8焦耳热能，不能等价于200Ω电阻直接吸收0.8焦耳热能，使检流计同样偏转1格。 综上所述，1964年贝托齐所作能量测量部分并不是很成功的实验，甚至可能是失败的实验，如果是失败的实验，则意味着爱因斯坦狭义相对论理论的错误。 艾小白研究员讲到现代加速器就是根据相对论设计的。笔者认为不是这样的，笔者曾撰文“惯性系不平权”，指出相对性原理在高能物理领域的失败。 三、结论： 大多拥护者是盲目地崇拜爱因斯坦和狭义相对论，夸大狭义相对论在二十世纪物理学的巨大作用，缩小和掩盖狭义相对论的存在问题，尽量避免提及不利于狭义相对论的实验资料，笔者则不同，仔细审视了有关狭义相对论的每一个实验，发现每个实验都是站不住脚的。笔者并且设计八个思维实验，质疑狭义相对论，得出狭义相对论是不能自洽、错误的理论的结果。 纪念爱因斯坦，献身科学事业 季 灏 （上海东方电磁波研究所 上海202150） [摘要] 作者主要歌颂了爱因斯坦在光的本性、质能关系、量子理论研究方面为人类作出的巨大贡献。也独特地勇敢地指出了爱因斯坦在狭义相对论理论、有限无界宇宙理论所存在的问题。作者还鲜明地表示了自己的观点：光是粒子，量子是粒子和无限宇宙的独特观点。 [关键词] 光电效应；世界物理年；确定论。 一、引言 1905年是爱因斯坦的奇迹年，爱因斯坦先后发表了“光电效应”、狭义相对论”等震惊世界的物理学论文。为此，联合国确定2005年为世界物理年。其目的，主要是为了纪念这位伟大的物理学家和社会活动家对人类所作出的巨大贡献。所以“主流”物理学家在“主流”刊物上纷纷刊登了纪念爱因斯坦的文章，来歌颂他的丰功伟绩。都把爱因斯坦当作圣人、完人，他的理论似乎神圣不可侵犯，是一个终极的理论。 笔者今天也借此机会撰写本篇文章，纪念这位20世纪物理学的巨人。但笔者同大师们不同，笔者一分为二地看待爱因斯坦。一方面赞颂他，但另一方面指出爱因斯坦不是完人，也不是圣人。这是因为一方面由于爱因斯坦在各个领域取得了巨大的成就，另一方面却是，由于爱因斯坦在狭义相对论理论引起了颇多的争议。为此，笔者先后共设计了“运动时钟变快”、“大桥断还是不断”、“运动的物体质量增加吗？”等8个思维实验，证明狭义相对论在解释这些实验时所遇到的困难，笔者也写过“‘衍射’、‘干涉’现象的新研究”、“介质吸收和辐射光的新研究”、“光本性研究的新观点”、“德布罗意波动理论的存在问题”。从中证明爱因斯坦对光本性及量子定域理论的正确认识，也同时说明爱因斯坦眼光的敏锐。笔者认为，只有这样才真正使人们对爱因斯坦这位巨人能作全面的深入的了解，也更有利于物理学的创新和发展。使爱因斯坦的理论不断得以完善和锦上添花！ 二、爱因斯坦在物理学方面的巨大贡献 1905年，爱因斯坦提出了“光的能量不是连续分布在空间的，而是由数目有限的，局限在空间各点的能量子所组成；它们能运动，但不能再分小，只能整个地被吸收或产生”。爱因斯坦对光电效应的解释用一条比较简单的方程式，即 ｍv2/2=hf-p 表示，方程中，p为电子逸出金属表面所消耗的能量。这里笔者认为爱因斯坦始终和其他物理学家一样，没有跳出波动理论的框架。因此，他一辈子没有真正搞清楚光的本质，直到他晚年时只能无奈地叹息：“经过50年的思考，也没有使我更接近于解答光量子是什么这个问题。”正如他在67岁自述时说的：“辐射的（和物质微粒的）这种两象性是实在地一种特性，它已经由量子力学以巧妙而且非常成功的方式作了解释。几乎当代所有物理学家都认为这样解释基本上是最终的解释，而在我看来，它不过是一条暂时的出路。” 尽管如此，爱因斯坦的理论使人们对光电效应的解释得到了正确满意的答案。为此，爱因斯坦在1921年获得了他一身唯一一次的诺贝尔物理学奖。Bohr也说，爱因斯坦对早期量子理论作出了伟大的贡献。主要是爱因斯坦他揭示了光电效应这类物理现象是取决于“个体”的量子效应。根据爱因斯坦的思想，笔者作了新的光“干涉”、“衍射”实验，证明光是光子，不是什么波动。证明了光本性的新观点，完成了爱因斯坦的夙愿。 1905年爱因斯坦不仅成功地发表了光量子假说，而且还提出了狭义相对论，并发表了重要论文“物体的惯性是否与它所含能量有关？”一文，鲜明地提出质量和能量的关系，并创造了著名的方程式E=mc2。其中E是能量，m是物质的静止质量，c是光速。由于光速是非常巨大的，因此，很小一点质量，就等价于巨大的能量。他成功地解释了放射性元素衰变时释放出大量的能量的原因。这种质量和能量的对等关系，很快被核物理学家的实验测定所证实。证实了爱因斯坦的预言，即使极少一点物质也是具有极大的能量值。在此理论基础指导下，核武器及核电站就应运产生，为人类提供巨大的能源作出了不可磨灭的贡献。 1916年，爱因斯坦发表了题为“关于辐射的量子理论”的著名论文。从原子内能级跃迁概念出发，从新推导出普朗克公式，并且还提出自发发射和受激辐射新概念。对量子力学的创建起了不可估量的巨大的作用。但爱因斯坦认为自然界的规律是确定论的，他坚持不懈地反对“被人们普遍接受”的量子力学体系的正统诠释。 他在1924年2月4日给Born的信中说：“量子力学令人赞叹，但一个内在的声音告诉我，这还不是真货色。这个理论有很大贡献，但并不使我们更接近上帝的奥秘。无论如何，我相信他不是在掷骰子。”因此，“上帝不掷骰子”成了爱因斯坦的名言。在前后三届索尔维会议上爱因斯坦与波尔、海森堡等人为代表的哥本啥根学派展开了激烈的论战。爱因斯坦和波尔的论战开始主要针对不确定性原理和互补原理。后来爱因斯坦也不断提出新的论争，主题是：量子力学的描述完备吗？因为按照哥本啥根学派的意见，波函数Φ（r . t）是否已经穷尽了人们对微观客体的认识？因为波函数只是给出可观测量的平均值。但它只能确定宏观（大量）状态，不能确定微观（少量）状态，体系中的单个粒子，仍然遵循不同于统计规律的力学运动规律，这说明统计解释不是最完备的。因此，即使在今天很多物理学家跟爱因斯坦一样对现在“正统的量子力学”还有程度不同的看法。例如，量子力学的奠基人之一——狭拉克提出：“在我看来，很显然，我们还没有量子力学的基本定律……，用统计计算对理论所作的物理解释的观念可能会彻底地修改”。又如中科院理论物理研究所孙昌璞研究员说的：“人们对量子力学本身的完备性及一些基本问题观念的理解甚至持有截然不同的观念。”还说：“事实上对许多量子现象（如量子相干和退相干）本质的理解，人们并非得到了最后的答案。”笔者对此持相同的看法。笔者用不同的方法，指出了量子力学存在的严重问题。2002年在《挑战宇宙论和相对论》一书中，“德布罗意波动理论的错误”一文，详细论证了量子力学基本理论上的问题。笔者完全赞同爱因斯坦的观点，自然界的规律是确定的，不以人们的意志为转移。物质的运动都按一定规律进行，在微观世界中的“测不准”，不是微观粒子的运动没有规律，而是目前的科学技术和实验条件还没有达到准确测量的水平。但没有水平掌握规律不等于没有规律，你没有办法看到微观粒子，不等于这些微观粒子不存在。正象人们对宇宙的认识一样，你目前没有办法看到更远的恒星，不等于在更远的地方没有恒星。笔者十分赞成德布罗意在1957年讲的：“不确定性是物理实质，这样的主张并不是完全站得住的。将来对物理实在的认识达到一个更深的层次时，我们可能对概率定律和量子力学作出新的解释，即它们是目前我们尚未发现的那些变量的完全确定的数值演变的结果。”1952年爱因斯坦在给Bohm的信中说：“尽管你的书竭尽全力来阐明量子理论，但还是不能使人信服。”因此笔者十分敬佩爱因斯坦对科学真理执着的追求精神和一丝不苟的严谨态度。以及他非凡前瞻性。笔者完全相信，爱因斯坦毕生坚信的理论——一切自然规律是确定的。并必 将被科学家所证明。 三、爱因斯坦理论的问题 尽管爱因斯坦的理论为人类科学事业作出了巨大的贡献，但也并不像很多科学家说的那样完美无缺。自1905年爱因斯坦创建相对论到现在已过百年，但争论从未间断过，最近，反对和质疑的呼声似乎更为多而激烈。笔者认为这是由于它自身所引起的一系列似是而非的矛盾结果（称为佯谬）。笔者曾设计了“运动时钟变快”、“大桥断与不断”、“运动的物体质量会增加吗？”……等8个思维实验，指出了相对论在解释这些实验时遇到的困难。笔者的论文着重对爱因斯坦提出的“运动时钟变慢”、“运动物体长度收缩”、“运动物体质量增加”、“光子静止质量为零”的观点进行质疑批评。说明相对论是一个无法自洽、错误的理论。 1917年爱因斯坦发表了第一篇宇宙学论文，题目是“根据广义相对论对宇宙学所作的考察”，开创了相对论宇宙学研究领域。在该论文中，爱因斯坦提出了有限无边的静态宇宙模型，它是一个有限无边的三维弯曲空间，数学上把这样的宇宙空间表达为三维超球，这个三维超球的三维空间没有边界，根据爱因斯坦广义相对论，物质怎样分布、空间怎样弯曲，空间将弯曲成一个封闭的区域，有一定的直径，有一定的体积。笔者认为尽管现在的宇宙论是大爆炸宇宙论，但它还是爱因斯坦研究整体时空性质的基本思想和基本方法。然而笔者认为正是爱因斯坦的思想和方法误导了人类对真实宇宙的认识，笔者曾撰文“无限的宇宙”、“大爆炸宇宙论面临的困难”指出宇宙论不能解释的种种现象，笔者在文章中完满地解释了即使宇宙无限，也不存在奥勃斯佯谬和西利格佯谬，证明宇宙是在空间上无限伸展，没有边界，没有形状，没有中心（也处处是中心）。在时间上，古往今来，没有开始，也没有终结。物质充满空间，无穷无尽。 四、结论 爱因斯坦是20世纪伟大的科学家，他的光子理论为人们对光本性的认识促进了一大步，他的量子理论为量子力学的开创起了不可估量的先导作用。他的质能相当理论为人类巨大能源打下了良好的理论基础。然而他的狭义相对论的时空观，特别是光子没有静止质量的论断，以及狭义相对论的宇宙观，阻碍了人们对光本性的最终确认，也阻碍了人类对无限宇宙的进一步认识。笔者认为，学习国外物理学家的经典理论特别是学习伟人爱因斯坦的理论，必须取其精华，弃其糟粕，吸取其正确的方面，批评其错误的部分。中国的物理工作者必须根据中国的国情作切实的研究。实施各种可行的实验。必须运用中国人独特的方法勇敢地科学地去思考去创新，去挑战！只有这样才能有所作为，中国人才能做出震动世界物理界的大事。否则如果盲目地、全盘地向人家学习，老是全信崇拜地跟在洋人的后面，怎么能领先？怎么能得第一？怎么能发现？怎么能创新？ |