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狭义相对论之我见
[楼主] 作者:河南博爱张德安  发表时间:2013/09/05 11:39
点击:618次

摘要:本文通过对主要以太漂移实验(迈克尔孙-莫雷实验、光行差现象、斐索流水实验)更加合理的解释(应用笔者提出的新的以太、光学、电磁学假说),以及对力学相对性原理、同时性的相对性的理想实验、时间膨胀效应的理想实验、电磁学(光学)与力学质的差异性的深刻分析,得出了狭义相对性原理和光速不变原理是错误(二者也是不相容的)的结论,进而否定了狭义相对论的时空观及其它理论。同时提出了如下新观点:1.以太是存在的,但它不是人们认为的弹性固体,而是宇宙中(物质内部)无处不在的光子引力子气(可称新以太)。它分三种存在状态,可介导引力、电磁力。2.真正的波都应是振动在媒质中的传播,即都应是波源引起的媒质的传播性振动,"无媒质的波"不应是波。光(电磁波)就是物体(粒子)快速发射和吸收光子(这是一种特殊的振动)引起的新以太的波动(光子引力子流脉冲),光(电磁波)是纵波而不是横波。光速就像电流速度不随发电机的运动变化一样,也不随光源的运动而变化,但一定随参照系的变化而变化。3.质速关系、质能关系只能用绝对的关系去解释才能令人信服。这种关系就是:物质的组成粒子真的随其速度的增大(减小)而增加(减少);由于物质粒子的增加或减少而使能量发生很大的变化。至于狭义相对论的质速关系、质能关系与事实的相符,那只能认为是较完美的巧合了。4. 以太是否存在、光速问题,质速关系、质能关系,这些问题的解决必须依靠物质(宇宙)结构问题的解决,以及在此基础之上对电磁学、光学、粒子物理等学科进行更深层次的探究和革命,而不是靠革牛顿时空观的命,不是靠相对于不同的参照系观察物体的运动去解决。5牛顿的时空观指的是抽象的、无限的时间和空间;爱因斯坦的时空观指的是具体的,有限的时间与空间。两人所指不同。6. 真理都是相对的,超出特定的适用范围就是谬误。力学与电磁学有着质的不同,不必也不可主观地把力学相对性原理推广到电磁学(光学)而硬要去统一它们,否则,则会顾此失彼,或出现矛盾,或让人不可思议。相对论至今还有很多物理学家反对就是此因。

关键词 相对论;狭义相对论;以太;新以太;力学相对性原理;狭义相对性原理;光速不变原理;质速关系;质能关系;时空观;光本性

1. 引言

由于人们的思想很容易被旧的传统观念束缚,所以正确的革命性的新理论(如日心说、进化论),在其产生当时或以后一段较长的时间内,不被学术界理解而反对是很正常的。若一个正确的革命性的新理论,在其产生到现在的一百多年里,一直被许多本学科的科学大师不理解而反对就有些不正常了。狭义相对论刚建立时就遭到了绝大多数物理学家的强烈反对,如庞加莱、汤姆逊、马赫、考夫曼、亚伯拉罕、马吉、迈克尔孙、洛仑兹等,他们直到生命终结时也不接受相对论【5,3,1】。由今天发表的文章可知,现在仍有许多物理学家在呼唤以太及批判狭义相对论,这是不正常的,这就说明狭义相对论是很有可能存在问题的。我在去年发表的文章中【7-10】,用新的物质结构理论(宇宙)及新的电磁学(光学)理论,对主要的几个相对论效应(包括广义相对论的)做了更加合理更加明白的解释,以证明自己理论的正确性,但没有对相对论存在的问题进行分析。本文通过对主要的以太漂移实验(迈克尔孙-莫雷实验、光行差现象、斐索流水实验)更加合理的解释(应用笔者提出的新的以太理论、新的电磁学光学理论),以及对力学相对性原理、同时性的相对性的理想实验、时间膨胀效应的理想实验、电磁学(光学)与力学质的差异性的深刻分析,得出了狭义相对性原理和光速不变原理是错误(二者也是不相容的)的结论,进而否定了狭义相对论的时空观及其它理论。至于其质速关系、质能关系与事实的相符,那只能认为是较完美的巧合了。笔者还同时提出了许多新观点,详见下述。                                                                                                                                                               

2力学相对性原理之原理

  早在1632年,伽利略曾在封闭的船舱里仔细地观察了力学现象,发现在船舱中觉察不到物体的运动规律和地面上有任何不同。他写道:"在这里(只要船运动是等速的),你在一切现象中观察不出丝毫的改变,你也不能够根据任何现象来判断船究竟是在运动还是停止。当你在地板上跳跃的时候,你所通过的距离和你在一条静止的船上跳跃时所通过的距离完全相同,也就是说,你向船尾跳时并不比你向船头跳时--由于船的迅速运动--跳得更远些,虽然当你跳在空中时,在你下面的地板是在向着和你跳跃相反的方向奔驰着。当你抛一件东西给你的朋友时,如果你的朋友在船头而你在船尾,你所费的力并不比你们俩站在相反的位置时所费的力更大。从挂在天花板上的装着水的酒杯里滴下的水滴,将竖直地落在地板上,没有任何一滴水偏向船尾方向滴落,虽然当水滴尚在空中时,船在向前走。"【11】这里,伽利略所描述的种种现象正是指明了:一切彼此做匀速直线运动的惯性系,对于描写运动的力学规律来说是完全等价的,并不存在任何一个比其他惯性系更为优越的惯性系。与之相应,在一个惯性系的内部所做的任何力学实验都不能确定这一惯性系本身是在静止状态,还是在做匀速直线运动。这个原理叫做力学相对性原理,或伽利略相对性原理【11】。

上述现象的原因,若应用伽利略坐标变换式或古典力学的速度相加定理等知识便可立即得知,可这却比较抽象。现在,我们通过对一个例子的分析,可以较好地加以说明和理解。这里要说明一下,以下的论述,是以地面参照系为静止参照系,站在地面上的人的角度去分析的(分析问题就应该确立一个主角度)。从匀速飞行的飞机上向下空投物资,地面上的人看这物资是沿曲线下落的(见下图曲线),可飞机上的人看这物资却是沿直线垂直下落的(见下图垂线)【15】。这是因为,地面上的人以地球为参照系,空投的物资在做平抛运动,即它是水平方向的匀速直线运动与竖直方向的自由落体运动的合运动。其水平方向的运动是飞机平抛所致,速度与飞机的速度相同。在飞机上的人看来物资所以是垂直下落,也是因为被投下的物资受飞机运动的影响有一个向前的与飞机完全一样的分速度,由于飞机上的人的运动速度与空投物资在水平方向上的分速度完全相同(不计空气阻力),所以就看到空投的物资老是在其正下方下落--直线垂直下落。同理可知,从匀速运动的船舱天花板上滴下的水滴,车上的人看来也是竖直地落向地板。当你在匀速直线运动的船上跳起来,以地面为参照系是在做斜抛运动,你所以仍能落到原地,是因为你有一个水平向前的分速度,与船的速度相同。总之,匀速直线运动物体内部的质点、刚体的机械运动都要受到所在物体运动的影响,使其附加一个与所在物体运动速度一样的速度。这就是力学相对性原理之原理。

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甲                         乙

图1  运动路线相对性示意图

3.某教科书上一段论述的分析

 该书在介绍狭义相对论知识时这样写到【11】:"在一辆以速度v相对于地面做匀速直线运动的车厢内,有一质点从车厢顶板的A点处,沿着车厢壁上的B、C等点落下,最后落到车厢地板上的D点。从车中观察者看,这个质点是做直线运动的,经历的时间为t(见下组图上边的那个图)。而从地面上的观察者来看,质点是做曲线运动的,经历的时间比t长(见下组图下边的那个图)。"我认为这种说法是不妥的。地面上的人所以把质点的运动轨迹看成曲线,是因为他以自己所处的地面作为参照系(若地面上的人以车厢为参照系,质点照样做竖直向下的直线运动)。这样,在地面上的人的眼里,质点是在做平抛运动,如同地面上的人看飞机空投物资的运动,其中的质点的水平分速度等于车的速度。据运动独立性原理,在平抛运动中,其中的自由落体运动是不受水平方向运动影响的,也就是说,地面上的人所看的平抛运动中的自由落体分运动与车厢内的人看的自由落体运动是完全一样的。因此说,地面上的人看的平抛运动的质点到达车厢底的时间,与车厢内的人看的直线运动所用的时间是相等的。另外由速度合成原理可知,物体在平抛运动轨迹中的每一点时的速度,是竖直向下运动的分速度与水平运动的分速度的合速度。这样,在地面上的人看来,质点运动的路程虽然长了,但速度也大了,通过计算可得知,所用的时间与车上的人看的直线运动所用的时间是一样的【15】。再次还可以这样说明:地面上的人和车厢内的人同时看到质点从车厢顶板处落下,又同时看到其落到车厢的底板上,因此他们测得的时间必然是相同的。

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  图2    时间长短相对性示意图

4.迈克尔孙-莫雷实验与狭义相对论的关系及我的看法

4.1以太知识简介

以太观念的提出可以追溯到古希腊时代,亚里士多德认为天体间一定充满有某种媒质,这种媒质当时就称为"以太"。笛卡尔在1644年发表的《哲学原理》中,也引用了以太的观念。1678年惠更斯把光振动类比于声振动,看成是以太中的弹性脉冲。但是后来由于光的微粒说占了上风,以太理论受到了压抑。因为牛顿主张超距作用,倾向于微粒说,在他的引力理论中不需要以太。【5】

1800年后,由于光的波动说成功地解释了光的干涉、衍射和偏振现象,以太学说重新抬头。在波动说的支持者看来,光既然是一种波,就一定有载体存在【5】。光能通过万籁俱寂的虚空,就证明在虚空中充满这种载体,这种载体就是以太。麦克斯韦也认为光和电磁波是以以太为媒质传播的,并认为自己的电磁方程组只适合于以太这个绝对静止的参照系【3】。

4.2 迈克尔孙-莫雷实验简介

那时,拥护和提出以太学说的人认为:以太是绝对静止的,地球在以太的"汪洋大海"中遨游,在地球和以太之间必有相对运动。物体在以太中运动,从物体上看,就好像以太是在漂移。地球沿轨道绕太阳运转,也必沿相反方向形成"以太风"。这就给人们提供了一种可能的途径,通过测量以太相对于地球的漂移速度,来证实以太的存在和探求以太的性质。【5】

那时,许多物理学家还把以太作为绝对静止的绝对参照系,凡是相对于这个绝对参照系的运动叫做"绝对运动",以区别于相对于其它参照系的相对运动。根据这一观点,历史上一些物理学家设计了许多种实验,期望通过运动参照系中所发生的物理现象,找出一种发现绝对运动并测出绝对运动速度的方法来。但是,所有的试验都未得到预期的结果,最终导致爱因斯坦创立了狭义相对论。在所有这些试验中,1881年迈克尔孙和莫雷所做的试验,对相对论的建立起了决定性的作用。根据迈克尔孙和莫雷的设想,如果以太是存在的,它又不为地球的运动所带动,那么地球相对于以太的运动速度就是地球的绝对速度。利用地球的运动速度和光速在方向上的不同,应该在所设计的迈克尔孙干涉实验中获得预期的结果,从而可以测得地球相对于以太的绝对速度。【11】

但是,迈克尔孙和莫雷在不同的地理及季节条件下,多次进行实验,却始终看不到干涉条纹。也就是说,原来认为光速会因地球对以太的运动而在互相垂直的两个方向上出现差异,可实际上并不存在这种现象。迈克尔孙和莫雷原来希望通过这个观测求得地球对以太的速度,现在得到的却是相反的结果,即不能发现这种地球对以太的运动。这种情况和当年伽利略所指出的,在匀速行驶的大船船舱里,不能以人的向前、向后、向上跳动及水滴的滴落运动发现船是否运动是一样的。【11,12】

4.3 爱因斯坦对迈克尔孙-莫雷实验的解释

迈克尔孙-莫雷实验的"零结果"产生了两大矛盾:一是与麦克斯韦方程的矛盾。这是因为,从迈克尔孙-莫雷的实验来看,电磁学规律和力学规律一样,是满足力学相对性原理的。但是,从当时理论来看,在时间与空间的伽利略变换下,麦克斯韦方程的形式是要改变的(包括他的光速只与介质性质有关而与参照系无关的理论),也就是说它不满足力学相对性原理。二是与以太理论的矛盾。这是因为,当时绝大多数物理学家坚信以太存在且静止,坚信地球与以太有相对运动。

由于上述原因,迈克尔孙-莫雷实验的结果引起了物理学界的广泛讨论,许多人提出了解决矛盾的方案。那么,对于此结果爱因斯坦是如何解释的呢?他的解释是【11】:一,相对于以太的绝对运动是不存在的,以太也是不存在的,所以绝对参照系并不存在;二,真空中的光速是一个恒量,它和参照系的运动状态无关。这两个解释实质上就是狭义相对论的两个基本原理,是狭义相对论的基石。

4.4 我对迈克尔孙-莫雷实验"零结果"的看法

4.4.1  我不赞成爱因斯坦对迈克尔孙-莫雷实验结果的解释。因为,实验的主要"前提假设"是以太对地球有相对运动,若实验能测得地球的绝对速度,那么就说明前提假设是正确的,若实验没有测出--是零结果,主要的结论应是--地球对以太没有相对运动,以太被地球的运动所带动。因此可以说,据迈克尔孙-莫雷实验的零结果而下结论说"以太不存在"似乎有些武断、牵强及不合理了吧。而由此得出"光速不变"的结论也有些武断、牵强及不合理。

4.4.2  我对迈克尔孙-莫雷实验的零结果有与爱因斯坦不同的看法。我认为,对实验零结果最合理的解释不应是否定以太的存在,而应该是--地球周围一定范围内的以太对地球没有相对运动,是被地球所带动的。据宇宙中的天体可以相互作用,光(电磁波)能在几十亿上百亿光年的宇宙中传播,也能透过物质,及光速如此之大的事实,我认为,天体间(包括物质内)一定存在类似所谓"以太"的物质。这种物质是天体间(物体及许多粒子间)相互吸引和排斥的介导物质,也是光振动得以传播的介质。我认为,真正的波都应是振动在媒质中的传播,即是波源引起的媒质的传播性振动。没有媒质就没有波,没媒质的波是不可思议的。关于"以太"的本质、光(电磁波)的本质、光子的结构与分布、宇宙的结构等问题的认识,对解释和理解迈克尔孙-莫雷实验零结果是有很大帮助的。关于上述问题的新认识,我在去年发表的几篇文章中已有详述【7-10】。此处只把与问题讨论最相关的内容介绍一下:"以太"是宇宙中无处不在的"光子引力子气"(光子气与引力子气的混合物),它可分为三种存在状态。存在于天体(物体、粒子)内部而参与其组成的叫结合态;存在于天体(物体、粒子)周围并能随其一起运动(平动、转动)的叫半自由态;远离天体(物体、粒子)不随其运动的叫自由态。光源交替快速地发射和吸收光子的现象可以叫"光振动",光就是这种特殊振动在"光子引力子气"中的传播过程(光的波粒二象性就是光的这种特殊性引起的)。光子引力子气半自由态的厚度与物体的质量成正比,所以地球周围的半自由态光子引力子气一定很厚(约在百公里以上),因此,迈克尔孙-莫雷实验的结果就只能为"零结果"了。

     正是由于半自由态的"以太"随地球一起运动,从而使光有一个与地球切线方向平行的分速度,速率与地球的自转速率相同。这样,就在实际结果与表现上符合了"力学相对性原理"。但要明白,这是由于媒质的运动对光波速率的影响,就好像水的运动对船速的影响一样。而不是发射光束的大炮--光源的运动给了光一个附加的速度。也就是说,光的这种"相对性"表现,与力学运动的相对性是有本质区别的,是有完全不同的影响因素与条件的。因而不能据特种情况下的特殊表现与结果,就把力学相对性原理简单奉为一切物理运动形式的普适原理。(我对光及以太的认识也可叫"新以太理论。)

4.5. 我对光行差现象的解释

   布拉特雷发现的光行差现象【3-5】,是说明以太不动的证据,它与迈克尔孙-莫雷实验是矛盾的。这又如何解释呢?这是由于,光行差现象是对十分遥远的恒星观察的结果。上边我已述及,自由态的光子引力子气是不被地球带动而相对静止的(太阳系也在运动,自由态光子引力子气不会绝对静止)。这样,由于半自由态的厚度相对于自由态的厚度是微乎其微的,所以此时就可大致认为地球对新以太是没有相对运动的。但也正是因为有半自由态的存在及影响,才使布拉特雷由此测得的光速低于真空中的光速C【5】。

4.6.我对斐索流水实验的解释

    斐索所做的流水实验,支持菲涅耳提出的以太曳引假说,而后者及光行差现象,都是以太理论(包括以太不动)的重要支柱【5,3】。若使用我的"新以太理论",如何解释流水实验呢?上边已述及,光子引力子气无处不在,存在于物体(天体、粒子)内的叫结合态。结合态的光子引力子气就是物体(天体、粒子)的组成部分,它必然随物体一起运动。这样就必然使顺水流方向与逆水流方向的两束光产生光程差,从而在干涉仪上观察到干涉条纹。

4.7.小结

表面上看,光行差现象及斐索流水实验(因为它支持菲涅耳的曳引假说)与迈克尔孙-莫雷的实验是矛盾的,可是,若用我的"新以太理论"去解释却是很自然而和谐的。这就说明以太是应该存在的,同时也说明原来的以太、光、电磁理论、物质结构(宇宙结构)理论是存在问题的。因此,我们应该对旧的以太、光、电磁、物质结构理论进行重新认识,而不是完全否定以太的存在及提出狭义相对性原理、光速不变原理从而完全否定牛顿的时空观等。我对以太、光、电和磁、物质结构(宇宙结构)有新的系统性的认识,可详见去年发表的文章【7-10】。

5 关于狭义相对性原理

5.1 原理简介

  狭义相对论的相对性原理,在爱因斯坦的《论动体的电动力学》一文中是这样论述的:"物理体系的状态据以变化的规律,同这些状态的变化是以两个彼此作相对匀速移动的坐标系中的哪一个为参考,是无关的。【1,2】"简单明了地说就是:物理规律对所有惯性系都是一样的,不存在任何一个特殊的(例如"绝对静止"的)惯性系;在任何一个惯性系内部所做的任何物理实验(力学的、电磁学的、光学的),都不能确定这个惯性系是处于静止状态还是在做匀速直线运动。和力学相对性原理相比较,它是对其的推广,这样就使相对性原理不仅适用于力学规律,而且也适用于所有物理规律,包括电磁学、光学规律在内【11,3,6】。

5.2 爱因斯坦提出狭义相对性原理的主要理由

一,迈克尔孙-莫雷实验的"零结果"。二,麦克斯韦电磁理论,特别是其中的电磁感应现象及光速只与介质性质有关而与介质参照系无关的观点【3,5,6】。

5.3 我对狭义相对性原理的看法

我对狭义相对性原理的看法是基于上述爱因斯坦提出这个原理的主要理由之上的。对迈克尔孙-莫雷实验"零结果"的看法及对爱因斯坦为此提出的两个解释的看法上文已述。关于光速问题将在下节详细讨论。此处只简要地谈一下对其它问题的看法。

5.3.1 麦克斯韦认为以太是存在的且是电磁波(光)的传播介质,并认为其方程组只适于绝对静止的以太系【3】。由此可知,爱因斯坦否认了以太的存在,也就似乎等于否定了麦克斯韦的电磁理论,特别是他的电磁波(光)理论。这就是说,爱因斯坦为此提出狭义相对性原理,理由是不充分的。

5.3.2  在电磁感应现象中,所以无论是线圈运动还是磁体运动都能产生感生电流,是由于都能引起通过线圈的磁通量变化。磁通量的变化所以能够引起线圈闭合回路内产生感生电流,是由于它的增加或减少,可以作用于导体内的电子使其产生十分短暂的与线圈中心轴线垂直的定向移动--短暂电流。此短暂电流,在外加磁场中必然受到洛伦兹力而产生所谓的感生电流。磁通量增加时"短暂电流"向外;磁通量减少时"短暂电流"向内。这是我对电磁感应原理简单明了的分析【9】。由上分析可知,线圈与磁体的相对运动,对感生电流的产生只是表面原因,而本质的原因是通过线圈的磁通量的变化,是导体内部"短暂电流"的产生。假如那个磁体是电磁铁,就不需要线圈与磁体的相对运动,只需要改变通过电磁铁的电流大小与方向即可。这就是说,爱因斯坦为此提出狭义相对性原理,理由也是不充分的。此分析还可说明,没有闭合导体的存在,电场与磁场是不会相互转化的。另外,磁场与电场是有绝对的本质上的不同的,不是相对于不同参照系的产物【8-10】。

5.3.3  参照系及力学相对性原理的提出,主要是为了说明质点、刚体运动的速度问题,而波的速度与质点速度的概念、主体、形成及影响因素根本就是两回事(况且电磁学及光学的绝大部分理论涉及的不是参照系、速度问题)。例如,伽利略所述的匀速船舱内物体(人)的运动,船舱内的人所以感觉与在地面上一样,是因为他们以船为参照系。更明了地说,是因为船舱里的物体和人在运动时由于受船运动的的影响,而有一个与船的速度(大小与方向)完全相同的分速度(正文开头已详述)。而电、磁、光的运动呢?我们知道,电流的速率不是电子定向移动的速率【13】,波速也不是媒质粒子振动的速率;电流的速度不会受发电机运动的影响,电磁波(光)的速度也不会受发射器(光源)运动的影响(下一节要详述)。

5.3.4 由上讨论可知:一,力学相对性原理不适用于麦克斯韦的电磁方程组及光速理论是很自然很正常的,因为,自然科学定律不是哲学定律,它有特定的适用范围。二,电磁学和光学的主要成就,就是在实验和研究电磁(光)现象的基础之上发现了许多规律并得到了很好的应用,而关于它们更深的原因及本质,许多还没有搞清楚。例如,负电子带负电荷,正电子带正电荷,那么电荷的本质到底是什么?电场与磁场的量子都是光子,那么电场与磁场的根本区别到底是什么?电荷之间、磁极之间同性相斥,异性相吸的微观原理是什么?地球(天体)为什么会有磁场又有磁偏角?电流磁效应、电磁感应及其定则的微观原理是什么?电子为什么会发射和吸收光子?电磁波真的不需要传播介质吗?...... 实际上,这些问题的存在才是十九世纪末的物理学危机的真正原因。三,不要说那时,就是现在,电磁学、光学的主要任务是进一步探究电磁学原理之原理、本质之本质;物理学的主要任务应是探究从引力子到宇宙各层次物质的真正组成、结构与转化。这些问题解决了(我去年发表的几篇文章就是探求和试着回答这些问题的【7-10】),相对论效应就会更清楚更合理更简单地给以解释,而没有必要建立一个至今还令很多物理学家反对和头疼的相对论。

6. 关于光速及光速不变原理

6.1 光速的参照系问题

麦克斯韦认为光是在以太中传播的,且认为以太是绝对静止的,所以他自然认为光的速度是以静止的以太为参照系的【3】,可是,在他的光速公式中又显示出与参照系无关【6】,只与介质的性质有关。这说明,麦克斯韦关于光速参照系问题的说法是自相矛盾的。爱因斯坦否定了以太的存在,又说光速与参照系无关,可在他的论述中有时却显示出与参照系有关(见6.2)。因此说,光速的参照系问题至今不明。我认为,任何"速度"都是相对于某参照系而言的,因为位置与位移是相对一定参照系而确定的,无参照系的速度是不可思议的。由我的"新以太理论"可知,光速应以光子引力子气为参照系,而地球周围的半自由态光子引力子气是随地球一起运动的,所以我认为我们所言的光速是以地球为参照系的。实际上,那些测定光速的物理学大师们,就是以地球为参照系的。

6.2 光速不变原理的说法

     光速不变原理有多种说法,现分述如下。一是爱因斯坦在其《论动体的电动力学》中的说法【2】:"任一条光线在"静止的"坐标系中都以确定的速度V运动,不管这条光线是由静止的还是由运动着的物体发射出来的。"二是一般大学物理教科书里的说法【6,11,12】:在所有惯性系中,光在真空中的速度都相等。三是《电动力学》【3】中的说法:"真空中的光速是一个宇宙常数,对于所有观察者都相同。"概括上述说法而简言之就是:光速在真空中是个定值,与光源的运动无关,与参照系的选择无关。这里需要说明的是,关于光速不变原理,爱因斯坦在他的《论动体的电动力学》一文中的说法未提及是否与参照系(观察者)有关,但在他的《狭义与广义相对论浅说》【1】中却明白地说明了"与参照系无关"。可是,在他的《论动体的电动力学》一文中,当讨论动系中的钟是否同步时(两个公式中)却又表示出光速是随观察者而变化的【2】。这说明,爱因斯坦本人关于光速问题的说法也是自相矛盾的。这种矛盾在其关于同时性的相对性的论述中也会显示出来,下节将述及(见7.3)。

6.3 我对光速不变原理的看法

实际上,要想真正明确地讨论光速问题,必须对光的真正本质有明确的认识。关于光的本质,现在公认的是新的电磁说(不需要介质的电磁说)。没有导体闭合回路的存在,变化的磁场真的能产生变化的电场吗?在没有介质存在的情况下,电磁波真的能在宇宙空间传播吗?我不认为电磁波的假说是正确的,因为,一个假说的预言的被证实,并不能绝对地认为这个假说就是正确的,也有可能是巧合撞上的【5】。关于电磁学、光学的基本理论,我有较系统、较深刻、较合理、较明了的新认识,当然对光速问题也有相应的详细的新的论述,这可参见我去年发表的文章【7-10】。现在谈一下对光速不变原理的看法:一,任何"速度"都是相对于一定参照系而言的,相对任何参照系都是定值,就等于不相对任何参照系或没有参照系。因此说,光速不随参照系而变化是不可思议的(只能说,一般参照系的运动速度与光速相比很小很小,对其影响不大)。例如,一个人以光速和光向着同一方向运动,在这个人看来,光速为零;一个人以光速与光反方向运动,那么在这个人来看,光速是2c。二,光速不变原理中的"光速与光源的运动无关"这一点我是没有异议的。因为波速、光速与质点的速率概念就不是一回事(上边已述),就好像电流速率与电子的定向移动速率完全不同一样【13】。我们知道,电流速度是不会受发电机的运动影响的,光速不受光源运动影响也是同理。爱因斯坦正是没有认识到"光速不随光源的运动而变化"的理由,才使他在为此苦恼和思考了十年之后【6】,想到了修改牛顿的绝对时空观,而创立了至今仍有许多物理学家反对的狭义相对论。我对光速的看法在后边的论述中还要谈及。

7 关于同时性的相对性

7.1 同时性的相对性的理想试验

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图3  同时性相对性理想实验示意图

同时性的相对性的意义是:在某一惯性系中同时发生的两个事件,在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察,并不是同时的。关于同时性的相对性问题的说明,一般都使用下面所述的理想实验【6,14】。爱因斯坦所用的理想实验虽然形式上与一般的不同【1】,但意思都是一样的(见7.3)。

假设列车沿平直铁路以很高的速度匀速行驶,在车厢中点O处置一光源。某时刻,光源发出一个闪光(上图甲)。在车厢参照系中,光源是静止的,闪光沿各方向的传播速度相同。根据狭义相对性原理的意义,经过一段时间后,闪光同时到达车厢的前端A点和后端B点(上图乙)。从另一方面看,在路基参照系中,光源是随车运动的,根据光速不变原理,闪光沿各方向的传播速度并无变化。经过一段时间,闪光同时到达A/点和B/点。A/与B/是闪光时与车厢上A和B两点对应的路基上的两点(上图丙)。由于在闪光传播的时间内,列车前进了一段距离,A和A/与B和B/已经错开了,因此闪光同时到达A/和B/,就不可能同时到达A和B,而应该是先到B后到A。这样一来,在车厢参照系中同时发生的两个事件,到了路基参照系中就不再是同时的了。同样的道理,在路基参照系中闪光同时到达A/和B/的两件事,到了车厢参照系中也不是同时的了,不难看出,闪光先到A/后到B/。(上边三图由上到下依次为甲、乙、丙。)

7.2我对同时性相对性的理想实验的看法

   我不同意上面的说法,理由是:一,由于狭义相对性原理是力学相对性原理的推广,所以由第二节对"力学相对性原理之原理"的详细分析可知,在车厢参照系内,只有光速随光源的运动而变化,闪光才会同时到达车厢前端的A点和后端的B点。因此,假如真的如理想实验那样符合狭义相对性原理--在车厢参照系内,闪光能同时到达前端的A点和后端的B点,那么,光速必然随光源的运动而变化,这就否定了光速不变原理。也因此可以说,在车厢参照系内,若闪光真的能同时到达A和B,那么,路基上的人若以车厢为参照系(路基上的人不一定非要以路基为参照系)看待闪光的运动,同样可得到闪光能同时到达A和B的结论。由实际观测及我的理论分析可知(见6.3),光速真的是不受光源运动影响的。因此,在车厢参照系内实际发生的情况应是,闪光先到达B点后到达A点,在此情况下,路基上的人若以车厢为参照系看待闪光运动,照样是先到达B再到达A,道理见7.1分析。通过上边对理想实验的讨论可知:一,不但力学相对性原理与光速不变原理是不相容的,就是狭义相对性原理与光速不变原理也是不相容的,因为理想实验在车厢中的情况与结论就是狭义相对性原理的体现。二,狭义相对性原理是错误的,力学相对性原理不能推广到电磁学与光学。 三,同时性没有相对性。

7.3 对爱因斯坦关于同时性的相对性的理想实验的看法

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图4 爱因斯坦同时性相对性理想实验示意图

爱因斯坦关于同时性的相对性的理想实验是【1】:假设有一列很长的火车,以恒速v沿着下图所标明的方向在轨道上行驶。在这列火车上旅行的人们可以很方便地把火车当做刚性参考物体(坐标系);它们参照火车来观察一切事件。因而,在铁路线上发生的每一个事件也在火车上某一特定的地点发生。而且完全和相对于路基所作的同时性定义一样,我们也能够相对于火车作出同时性的定义。但是,作为一个自然的推论,下述问题就随之产生:                                  

对于铁路路基来说同时的两个事件(例如A、B两处雷击,B在右方、A在左方),对于火车来说是否也是同时的呢?我们将直接证明,回答必然是否定的。

当我们说A、B两处雷击相对于路基而言是同时的,我们的意思是:在发生闪电的A处和B处所发出的光,在路基A→B这段距离的中点M相遇。但是事件A和B也对应于火车上的A点和B点。令M′为在行驶中的火车上A→B这段距离的中点。正当雷电闪光发生的时候,点M′自然与点M重合,但是点M′以火车的速度v向图中的右方移动。如果坐在火车上M′处的一个观察者并不具有这个速度,那么他就总是停留在M点,雷电闪光A和B所发出的光就同时到达他这里,也就是说正好在他所在的地方相遇。可是实际上(相对于铁路路基来考虑)这个观察者正在朝着来自B的光线急速行进,同时他又是在来自A的光线的前方向前行进。因此这个观察者将先看见来自B发出的光线,后看见来自A发出的光线。所以,把列车当做参考物体的观察者就必然得出这样的结论,即雷电闪光B先于雷电闪光A发生。

我认为爱因斯坦的理想实验是自己否定自己。理由是:上述车厢参照系中发生的情况正好否定了狭义相对性原理。这也表明,狭义相对性原理是很站不住脚的,因为爱因斯坦自己的理想实验也不支持自己,而正好否定了自己想要证明的基本原理。

8.关于时间膨胀问题

8.1 时间膨胀效应的理想实验

关于时间膨胀问题的讨论和说明,一般使用下面的理想实验【6,14】,且仍以上面所述的高速运动的列车为例。在车厢天花板上正对光源处装一面向下的平面镜,设光源到镜面的距离为d。某时刻,光源发出一个闪光,其中竖直向上的光线离开光源后射到镜面上经反射后回到原处。下面着重讨论这条光线往返一次所用的时间。 

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图5  时间膨胀问题示意图

 

在车厢参照系中,光源是静止的,因此光线的往返路径与镜面垂直(见上组图上图)。因光在真空中的速度为c,所以光线往返一次,车厢参照系中的时钟给出的时间为t0=2d/c.在路基参照系中,因为光源是随列车一起运动着的(设车速为v),所以光线往返的路径并不与镜面垂直(见上组图下图)。根据光速不变原理,路基参照系中的光速仍为c。这样,光线往返一次,路基参照系中度量出的时间为t=2S/c.把S=http://i.xilu.com/index.php?p=album_pubcomment&id=926350和t0=2d/c代入上式得:

t=http://i.xilu.com/index.php?p=album_pubcomment&id=926351

由于http://i.xilu.com/index.php?p=album_pubcomment&id=926352<1,因此t>t0。这表明,在光线往返一次的过程中,路基参照系中的时钟度量出的时间比车厢参照系中的时钟度量的时间要长。用大家习惯的语言说,就是车上的钟比路上的钟慢。或者说,与静止的参照系相比,运动的参照系中的时间流逝得慢。这种现象叫时间膨胀效应或钟慢效应。

8.2 我对时间膨胀效应的看法

我是不赞成上边之论述的,理由是:一,由第二节我对力学相对性原理的原因分析可知,只有在光速随光源的运动而变化的情况下,光线在车厢参照系中的轨迹才会与镜面垂直。由此可知,假如车厢参照系中的光线真的是与镜面垂直,就说明光速是随光源的运动而变化的(这就否定了光速不变原理),在此情况下,路基上的人若以车厢为参照系看待闪光的运动轨迹,照样是与镜面垂直的,也就是说t=t0.二,在光速不随光源运动变化的情况下(这是实际存在的),无论车上还是路基上的人,若以车厢为参照系,它的轨迹都应是下边组图上图所示,照样是t=t0。三,在光速不随光源运动变化的情况下,无论车上还是路基上的人若以路基为参照系,它的轨迹都应是下边组图下图所示,还是t=t0。由上可知:时间膨胀效应是不存在的。这也再次说明:狭义相对论的两个基本原理是错误且不相容的;把力学相对性原理推广到光学、电磁学是不应该的。"某教科书上一段论述的分析"一节也是我对时间膨胀效应的看法(见3)。

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图6  光速不随光源运动而变化时的闪光路径示意图

  

 

9 我对狭义相对论其它结论的看法

   狭义相对论的一切理论和结论都是在狭义相对性原理及光速不变原理的基础上推导出来的。通过前面大量的分析和论证说明,这两个原理是站不住脚的,也是互相矛盾的,因此由它推出的一切结论也是站不住脚的。其一些结论所以与事实相符,那只能说是一种较大的巧合罢了。

狭义相对论的主要结论是同时性的相对性、时间膨胀效应、长度缩短效应、质速关系、质能关系。我对前两个结论的看法上边已述。关于长度缩短效应,它是同时性的相对性、时间膨胀效应的直接推论,这两个结论若是错误的,自然它也是错误的。关于质速关系和质能关系,我在去年发表的文章中【8-10】,利用我提出的新的物质(宇宙)结构观点,新的电磁学(光学)观点,做了更加明了更加合理的的解释,可详见之。要说明的是,我认为的质速关系及质能关系是绝对的,是不需要相对于不同参照系的。只有这样才能令人信服,才有可能是正确的。

10 关于时空观问题

爱因斯坦的时空观是根据其提出的两个基本原理得出的,笔者在上边的讨论中,主要论述的就是这两个原理的不相容、不正确性,因此对他的时空观自然是不赞成的(见7-9)。那么,自己对时空问题有何见解,对牛顿的时空观又有何看法呢?

10.1我的时空观

10.1.1 关于空间的概念

     由几何知识可知,直线是由一个点在平面内或空间里沿着一定的方向和它的相反方向移动形成的,也可以说是一线段(如书桌的边沿)向两端无限延长形成的。那么我认为:平面是由一条直线在空间里沿着一定的(与其方向成一角度的)方向和它的相反方向移动形成的,也可以说是一圆面无限延展形成的;空间是由一个平面沿其法矢量的方向和它的相反方向移动形成的(当然,沿与平面发矢量成一角度的方向也可以,只要这个角小于直角),也可以说是几何体(如球体、长方体)无限膨胀形成的。

广义地说,线、面、空间都有无限和有限之分,上边所述的线段、圆面、几何体就是有限的线、面、空间。空间若依据物质下定义就是:物体(粒子、天体、宇宙)其体积向四周所能无限扩展的余地就是无限空间;物体所占据无限空间的那一部分叫有限空间(物体的体积)。

10.1.2 关于时间的概念

我们常说的"此时"与"彼时"之差叫时段,也叫有限时间;时段向前向后无限延长就是无限时间。

10.1.3 空间、时间与物质的关系

     空间是物质得以存在的地方,是物质扩展膨胀的的余地和范围,总之,空间是物质得以存在和变化的必要条件。时间是物质存在和延续的久暂余地和范围,它也是物质存在和变化的必要条件(同时,它们又都是物质存在和变化的表现、形式和量度)。也就是说物质的存在离不开空间和时间。

但是,我们不能反过来说,离开了物质,空间和时间就不能存在,尽管空间与时间的度量离不开物质。这是因为,结果离不开原因,但有原因不一定就有结果,原因不依靠结果而存在(事物存在和变化的原因叫做条件)。例如,我们把一个苹果吃掉了,难道也可以说我们把苹果占据的空间和存在的时间也吃掉了吗?我们所说的真空就是"真正的空间"之意,只不过那时人们没有认识到场物质的无处不在,而认为抽去了空气就是"真正的空了

由此我们也可得出结论:没有物质的地方照样有空间的存在,假如宇宙是有界的,那么空间却是无界的;真正的空间--真空,应是指任何形式的物质都不存在。

10.1.4 空间与时间的关系

空间与时间是物质存在和变化的两个条件也是物质的两个属性,但它们犹如物体的重量和颜色两个属性一样,没有什么联系,因此我认为它们没有什么必然的关系。

10.1.5以太与空间的关系

    以太是空间里的一种物质,由10.1.3所述可知,以太和空间不是"同一",没有必然的联系,因此即使否定以太的存在及绝对静止,也不能否定绝对空间(抽象的无限的空间)的存在。

10.1.6绝对空间与参照系的关系

     承认绝对空间存在与承认有绝对参照系存在是两回事,因为任何形式的物质都不存在的空间,是无所谓运动与静止的,更不能作为参照系。

10.2 我对牛顿时空观的看法

     今天,人们都认为爱因斯坦的时空观是对牛顿时空观革命的结果,好像二者有不可调和的矛盾。其实,他们的时空观各有所指,并不矛盾。牛顿的时空观指的是抽象的、无限的时间和空间;爱因斯坦的时空观指的是具体的,有限的时间与空间。具体的时间和空间的测定,就是可随着测量者的不同、测量方法的不同、技术的高低而有变化和差别的。但这种变化和差别是人为的、主观的,因而也可以说是相对于真实值的误差。实际上,目前的情况是,对牛顿的时空观质疑的人并不多,反而是爱因斯坦的时空观却受到许多物理学家的质疑和批判。他的时空观就是有一定的正确性,也只适用于以光信号为手段而测定物体的时间与长度,而不能推广到研究高速运动的质点与刚体。因为,光速与质点的速度有着质的不同(详见前边所述)。

11 结束语

11.1 认为以太不随地球运动而绝对静止是武断的,因此而据迈克尔孙-莫雷实验的零结果判定以太不存在是没道理的。我认为以太是存在的,但它不是人们认为的弹性固体,而是宇宙中(物质内部)无处不在的光子引力子气。这种"新以太"可分为:存在于物体内部而作为物体组分的---结合态,存在于物体周围可随物体一起运动的---半自由态,远离物体而不随该物体运动的---自由态。这种新以太可以介导万有引力和电磁力,也是光的"传播介质"【7-10】。

11.2  我认为,真正的波都应是振动在媒质中的传播,即是波源引起的媒质的传播性振动。没有媒质就没有波,没媒质的波是不可思议的。光(电磁波)就是物体(粒子)的一种特殊振动--快速发射和吸收光子引起的"新以太" --光子引力子气的波动(实际上就是光子引力子流脉冲)。光的波粒二象性就是它的这种特殊性引起的,是这种特殊性的表现【8-9】。光(电磁波)不是横波而是纵波。

11.3  质速关系、质能关系只能用绝对的关系来说明才能令人信服。这种关系就是:物体的组成粒子能随其速度的增大(减小)而增加(减少);由于物体组成粒子的增加或减少能引起能量发生很大的变化。而要有这种关系的存在,必须认定有一种特殊的物质在宇宙空间及物质内部都存在。这种特殊物质在物体运动速度增大时进入物体内,当物体速度减小时又从物体内出来;这种特殊物质的组成粒子,其质量很小但运动速度很大,即动质比(物质的动能与其质量之比)很大。这种物质是什么呢?鉴于物理学史上人们对以太的认识,自然就使我们想到应有一种新的以太(见11.1)存在,它就是这种特殊的物质。若要解决新以太是否存在的问题,必须依靠物质结构(粒子)和宇宙结构理论的一场大革命。由上分析可知,以太是否存在、光速问题,质速关系、质能关系等,这些问题的解决必须依靠物质和宇宙结构问题的解决,必须依靠在此基础之上对电磁学、光学、粒子物理等学科进行更深层次的探究和革命,而不是要革命牛顿的时空观,不是靠相对于不同的参照系去观察物体的运动而解决这些问题。

11.4 真理都是相对的,超出一定的适用范围就是谬误。力学与电磁学有着质的不同,不只是低速与的高速的不同,例如速率问题,一个是质点(刚体)运动路程与时间的比,一个是介质(场物质)传播电磁振荡的距离与时间的比。所以说各自的概念、定律等有着特定的适用范围,不必也不可主观地去硬要去统一它们。否则,则会顾此失彼,或出现矛盾,或让人不可思议。相对论至今还有很多物理学家反对就是此因。

11.5 爱因斯坦是崇尚理论的逻辑性、简单性、完美性的,可由于其硬要统一不可统一的东西反而使其理论矛盾、复杂、不可思议。这样就事与愿违了。

                         参考文献

[1](美)爱因斯坦.狭义与广义相对论浅说.杨润殷译.北京:北京大学出版社,2006;导读1页-正文177页

[2] 刘常青.爱因斯坦.上海:上海交通大学出版社,2007;135-158

[3] 俎栋林.电动力学.北京:清华大学出版社,2006;248-315

[4] 余明.简明天文学教程(第二版).北京:科学出版社,2007;270-271

[5] 郭奕玲,沈慧君.物理学史(第二版).北京:清华大学出版社,2006;113-198

[6] 张三慧.大学基础物理学(第二版)上册.北京:清华大学出版社,2007;162-190

[7] 张德安.引力子的结构和分布综述.中国科技信息杂志,2009;第6期;45-46

[8] 张德安.论光子的结构和分布.中国科技信息杂志,2009;第10期;58-62

[9] 张德安.电子的结构与运动之我见.中国科技信息杂志,2009;第12期;55-58

[10] 张德安.从引力子到宇宙之物质的形成结构与转化之我见.中国科技信息杂志,2009;第18期;301-305

[11] 程守洙,江之永.普通物理学(第二版)北京:高等教育出版社,1978;231-262

[12] 复旦大学《物理学》编写组.物理学(中册).北京:高等教育出版社,1979;412-439

[13] 人民教育出版社物理室.物理(二册).北京:人民教育出版社,2000;126

[14] 魏永利.自然科学知识讲座。开封:河南大学出版社,1994;13-24

[15] 人民教育出版社物理室.物理(一册)北京:人民教育出版社,2000;19-87

 

联系方式:  zhesixiaoyu@163.com(本文曾发表在《科技信息》2010年第10期335-339页)

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[楼主]  [2楼]  作者:河南博爱张德安  发表时间: 2013/09/06 13:11 

http://pic1.xilu.com/195/391535/783071356/bf58fa081b68e5cc50014610c475c299.jpg

http://pic1.xilu.com/195/391535/783071356/c39fea35d397090aafad0b37debd5fd4.jpg

[楼主]  [3楼]  作者:河南博爱张德安  发表时间: 2013/09/06 13:25 

图片1图片1

甲                         乙

图1  运动路线相对性示意图

 

 

[楼主]  [4楼]  作者:河南博爱张德安  发表时间: 2013/09/06 13:25 

图片2

图2    时间长短相对性示意图

 

 

图3  同时性相对性理想实验示意图

 

图4 爱因斯坦同时性相对性理想实验示意图

 

图5  时间膨胀问题示意图

 

图6  光速不随光源运动而变化时的闪光路径示意图

  

 

[楼主]  [5楼]  作者:河南博爱张德安  发表时间: 2013/09/06 13:53 

文章中的三个公式补充:

出的时间为t=2S/c.把S=

 

t=

 

由于                   <1

 

 [6楼]  作者:亚东部队  发表时间: 2013/10/26 00:39 

给以太带上绝对静止的帽子
然后把它否定掉

这不是科学态度,这是无赖

※※※※※※
18军和西北野战军进藏,餐风路雪. 亚东部队是先遣队的代号 可以继承来朝着相对论的高峰挺进

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