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關(guān)于相對論時空觀的試探性觀點
關(guān)于相對論時空觀的試探性觀點黃興濱
摘 要：狹義相對論的時空觀是在‘點’到‘點’的前提下建立的理論。當(dāng)把其推廣到有大小的實際情況時，狹義相對論的理論將不再成立。也許，狹義相對論的時空觀僅僅是個數(shù)學(xué)游戲。
關(guān)鍵詞：狹義相對論；時間延緩；時鐘變慢；同時的相對性
0． 引言
狹義相對論是近代物理學(xué)的重要基石。它的成就是上個世紀自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，對物理學(xué)、天文學(xué)、哲學(xué)思想都有著極其深遠的影響。
狹義相對論是二十世紀最偉大的科學(xué)家愛因斯坦于1905年,在普朗克主編的德國《物理學(xué)年鑒》上發(fā)表的著名論文“論動體的電動力學(xué)”中建立的偉大理論。在這篇論文中，愛因斯坦智慧地把相對性原理與光速不變原理這兩條看起來似乎矛盾的設(shè)想放在一起作為基本出發(fā)點。他稱之為兩條公設(shè)，即
相對性原理——物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時所參照的坐標(biāo)系究竟是用兩個在互相勻速移動著的坐標(biāo)系中的哪一個并無關(guān)系。
光速不變原理——任何光線在“靜止的”坐標(biāo)系中都是以確定的速度V 運動著，不管這道光線是由靜止的還是運動的物體發(fā)射出來的。
愛因斯坦明確指出：在他的理論中，以太的概念是完全多余的，因為這里不需要絕對靜止的參照系。以這兩個公設(shè)為出發(fā)點，很容易推導(dǎo)出著名的洛倫茲變換關(guān)系。進而給出:運動時鐘的時間延緩、同時性的相對性等一系列結(jié)論，由此構(gòu)成了一套嶄新的時空觀。(范文先生網(wǎng) www.qkfawen.com收集)
盡管狹義相對論取得了許多驚人的成就并且已經(jīng)寫進了大學(xué)物理和中學(xué)物理的教材中，又有著名的實驗輔證。如：橫向多普勒效應(yīng)實驗、高速運動粒子壽命的測定、攜帶原子鐘的環(huán)球飛行實驗等。但是質(zhì)疑相對論的呼聲從其一誕生就一直沒有停止過。簡單的在谷歌搜索中輸入‘相對論的錯誤’結(jié)果竟然有26萬之多，這還不包含其它類似關(guān)鍵詞和其它語言的檢索結(jié)果。對一個輝煌的科學(xué)理論的質(zhì)疑聲音之高恐怕是前所未有的。一些學(xué)者認為：只要承認光速不變原理，便可嚴密地推得洛倫茲變換，獲得一系列的有價值的結(jié)論，邏輯上是無懈可擊的。即使相對論存在錯誤，也要通過實驗手段檢驗光速不變原理的正確性，而不可能通過邏輯關(guān)系發(fā)現(xiàn)它的錯誤。質(zhì)疑者都是沒有理解和掌握相對論。就目前的技術(shù)而言是無法直接檢驗光速不變原理的對錯的。正如無法證明外星人的是否存在一樣。
作者經(jīng)過近二年來對狹義相對論的思考，發(fā)現(xiàn)事實并非如此。相對論的邏輯矛盾在于洛倫茲變換只能適合兩個慣性系中的‘點’對‘點’的位置與時間的變換關(guān)系。而推廣到有一定大小的實體時將不再成立的。例如：當(dāng)靜系的‘公共時間’為0的時刻，觀測到動系中的一個點的‘公共時間’為0，這樣的結(jié)論是正確的。但無實際意義，僅是個數(shù)學(xué)的游戲。而實際的物理測量要求觀測到動系的一個時鐘顯示的動系的‘公共時間’為0，這顯然是違背了同時的相對性，是不可能的。
1． 洛倫茲變換與時鐘的時間延緩
洛倫茲變換是光速不變原理的自然推論，是光速不變的數(shù)學(xué)表述。它反映了兩個慣性系之間的時空關(guān)系。一般的講，觀測者靜止在一個慣性系內(nèi)觀測該系的時空關(guān)系時，與經(jīng)典理論所描述的沒有什么區(qū)別；但如果觀測另一個相對其運動的慣性系的時空特性時，則與經(jīng)典理論大相徑庭。因此，洛倫茲變換究竟描述了一個怎樣的運動時空？筆者以為還需要更深入的探究。
愛因斯坦在其“論動體的電動力學(xué)”的“§3、從靜系到另一個相對于它作勻速移動的坐標(biāo)系的坐標(biāo)和時間的變換理論”中寫道：
設(shè)在“靜止的”空間中有兩個坐標(biāo)系，每一個都是由三條從一點發(fā)出并且互相垂直的剛性物質(zhì)直線所組成。設(shè)想這兩個坐標(biāo)系的 X 軸是疊合在一起的，而它們的 Y 軸和 Z 軸則各自互相平行著。設(shè)每“一系都備有一根剛性量桿和若干只鐘，而且這兩根量桿和兩坐標(biāo)系的所有的鐘彼此都是完全相同的。
現(xiàn)在對其中一個坐標(biāo)系（k）的原點，在朝著另一個靜止的坐標(biāo)系（K）的x增加方向上給以一個（恒定）速度v，設(shè)想這個速度也傳給了坐標(biāo)軸、有關(guān)的量桿，以及那些鐘。因此，對于靜系 K 的每一時間t ，都有動系軸的一定位置同它相對應(yīng)，由于對稱的緣故，我們有權(quán)假定 k 的運動可以是這樣的：在時間 t （這個“t”始終是表示靜系的時間），動系的軸是同靜系的軸相平行的。
我們現(xiàn)在設(shè)想空間不僅是從靜系 K 用靜止的量桿來量度，而也可從動系 k 用一根同它一道運動的量桿來量，由此分別得到坐標(biāo) x，y，z和ξ，η，ζ。再借助于放在靜系中的靜止的鐘，用§1 中所講的光信號方法，來測定一切安置有鐘的各個點的靜系時間t 。同樣，對于一切安置有同動系相對靜止的鐘的點，它們的動系時間τ也是用§1中所講的兩點間的光信號方法來測定，而在這些點上都放著后一種[對動系靜止]的鐘。對于完全地確定靜系中一個事件的位置和時間的每一組值 x , y , z , t，對應(yīng)有一組值ξ，η，ζ，τ，它們確定了那一事件對于坐標(biāo)系 k 的關(guān)系，現(xiàn)在要解決的問題是求出聯(lián)系這些量的方程組�！�
因此，已經(jīng)得到的變換方程就變?yōu)椋?br /> ， (1a)
(1b)
(1c)
(1d)
此處
式（1）就是眾所周知的洛倫茲變換，且當(dāng)在 時，這兩坐標(biāo)系共有一個原點。接著愛因斯坦就把上述結(jié)論應(yīng)用到運動的時鐘上。
進一步，我們設(shè)想有若干只鐘，當(dāng)它們同靜系相對靜止時，它們能夠指示時間t；而它們同動系相對靜止時，就能夠指示時間τ，現(xiàn)在我們把其中一只鐘放到k的坐標(biāo)原點上，并且校準(zhǔn)它，使它指示時間τ。從靜系看來，這只鐘走的快慢怎樣呢？
在同這只鐘的位置有關(guān)的量x，t和τ之間，顯然下列方程成立：
和 (2)
因此， (3)
由此得知，這只鐘所指示的時間（在靜系中看來）每秒鐘要慢 秒，或者——略去第四級和更高級的[小]量——要慢 秒。
上述就是著名的時鐘的時間延緩效應(yīng)或稱為鐘慢效應(yīng)。由于運動的相對性，相對論的反對者歷來都會質(zhì)疑“鐘慢效應(yīng)”的真實性。一般的信奉相對論的學(xué)者認為：只要承認光速不變原理，就可獲得（1）式所示的洛倫茲變換，就可嚴格地推出“鐘慢效應(yīng)”。邏輯上上是嚴密的。我們下面的深入分析洛倫茲變換給出的運動時空的特性會揭示，愛因斯坦的“鐘慢效應(yīng)”在邏輯上是存在問題的。
2． 對洛倫茲變換的重新認識
為了重新理解洛倫茲變換所描繪的運動時空的特性，在這里我們要重申一下時間t與τ的物理意義：根據(jù)“論動體的電動力學(xué)”的定義，t表示的是K系的‘公共時間’。即觀測者靜止在K系中，觀測到該系同步化了的靜止鐘的全部數(shù)據(jù)，由于這些鐘是同步的時鐘，因此每個時鐘在t凝固的瞬間都具有相同的示數(shù)，所以靜止在K系的觀察者讀出任意一個從屬于K系的時鐘的示數(shù)都可獲得K系的‘公共時間’；同樣，τ表示的是k系的‘公共時間’。即觀測者靜止在k系中，觀測到該系同步化了的靜止鐘的全部數(shù)據(jù)，k系上的觀察者也可以通過測量任何一個從屬于k系的時鐘的讀數(shù)來確定k系的‘公共時間’。
問題是：當(dāng)動系k的時間凝固在τ=0的時刻，靜止在K系上的觀察者觀測到τ=0時，K系的‘公共時間’t是多少？
換言之，兩個慣性系的‘公共時間’能否比較、如何比較？愛因斯坦在論文中并沒有研究也沒有回答這個問題。從這一問題出發(fā)，我們仔細分析洛倫茲變換可以找出狹義相對論的癥結(jié)所在。
設(shè)k系上τ=0的瞬間，其ξ軸上各點同步地發(fā)出一紅色閃光。這一紅色閃光可把k系的‘公共時間’凝固在τ=0。靜止在K系x軸上的觀察者們觀測到這一紅色閃光的‘公共時間’t是多少？由洛倫茲變換式中的（1a）可知： 。由此可見，靜止在K系上x值不同的觀察者具有不同的‘公共時間’t。這也正是所謂的：“同時的相對性”的結(jié)論。
例如：如果假定位于x=0點的觀察者李四是在K系的‘公共時間’t=0時（定義為中午）看到了紅色閃光，那么靜止在K系x﹤0某點的觀察者張三就可能是在早上看到了紅色閃光；同樣靜止在K系x﹥0某點的觀察者王五則要等到晚上才能看到紅色閃光。如果大家都能看到紅色閃光，只是看到的時間不同，則說明K系沒有確定的時刻t與k系的τ=0時刻對應(yīng)。
反之也是如此，當(dāng)K系的‘公共時間’t凝固后，要觀測到k系ξ軸上的不同的點，則要求該點存在于k系不同的‘公共時間’τ中。因此，洛倫茲變換應(yīng)該告訴我們一個新的結(jié)論。
結(jié)論一、兩個慣性參照系的‘公共時間’不存在一一對應(yīng)關(guān)系。
結(jié)論二、當(dāng)觀察者所在的慣性系的‘公共時間’凝固不變時，觀測到運動
的慣性系的坐標(biāo)值（相對運動方向）不同的點凝固在不同的‘公共時間’。
既然兩個慣性系的‘公共時間’不存在對應(yīng)關(guān)系，那么兩個慣性系的‘公共時間’間隔自然不會存在對應(yīng)關(guān)系。為此，設(shè)k系上τ=τ0的瞬間，其ξ軸上各點同步地發(fā)出一次綠色閃光，即k系的‘公共時間’發(fā)生了一時間間隔Δτ=τ0。
則靜系K的觀測結(jié)果是應(yīng)用式（1）算出Δt，與觀測點的位置有關(guān)
， (4)
其中ξr是ξ軸上被觀測的閃紅光點的坐標(biāo)，ξg是ξ軸上被觀測的閃綠光點的坐標(biāo)。由（4）式又可得到兩個重要結(jié)論。
結(jié)論三、兩個慣性參照系的‘公共時間’間隔不存在一一對應(yīng)關(guān)系。
結(jié)論四、當(dāng)ξr=ξg時，即靜系K上觀測動系k的一個‘點’的時間間隔τ0時，則Δt=βτ0，可稱之為：‘點慢效應(yīng)’。
這與式（3）的鐘慢效應(yīng)的形式完全相同。但要點是：該結(jié)論只能說明運動的點的時間變慢。而不代表兩個點、多個點或者運動系的‘公共時間’變慢。下面的分析我們會發(fā)現(xiàn)：‘點慢效應(yīng)’不能等價為‘鐘慢效應(yīng)’。因為鐘是有實際大小的。
由于觀測的同時的相對性產(chǎn)生了所謂的“長度收縮”效應(yīng)。通過張三和李四在K系的早上和中午觀測到k系上的兩個點的紅色閃光的例子，我們來分析長度收縮效應(yīng)。那么靜止在k系上相應(yīng)兩個點上的觀察者則同時地觀測到了早上的張三和中午的李四，則張三與李四之間的距離將不會保持K系上的固有距離，由于t不同從式（1b）可知，張三和李四間因運動導(dǎo)致距離會縮短，這就是長度收縮的原因。但這種擁擠與真的擁擠不同，因為在K系觀測張三與李四還保持著固有的距離并沒有真的靠近。但也與影像的縮小擁擠不同，不僅可拍下縮小的照片，如果用手去觸摸（當(dāng)然要觸摸得足夠快）也真的縮小了。如果觀測一個運動的人的左右兩只眼睛，那就是我們同時看到了那人昨天的左眼靠近了今天的右眼。我們也不必擔(dān)心兩個眼睛會互相擠壓壞了。為此還有所謂的長度收縮應(yīng)力佯謬來質(zhì)疑相對論，實際上，當(dāng)我們看到高速運動的物體擠壓在一起的時候，根本不用考慮應(yīng)力效應(yīng)。因為各點具有不同的‘公共時間’，所以不會存在直接的聯(lián)系。正如我們根本不會擔(dān)心昨天經(jīng)過的汽車會撞到今天的自己是一樣的。
不難理解，洛倫茲變換給出我們這樣一幅時、空圖像：當(dāng)靜系K的‘公共
時間’t凝固后，動系k會以一個大拼盤的形式與之對應(yīng)。即靜系K上的觀察者將會同時觀測到動系k上不同的點擁有不同的動系的‘公共時間’τ的組合，而且還會擁擠到一起。
所以我們后期由洛倫茲變換獲得的很多有價值的結(jié)論也一定要注意這幅時空圖像，要點是洛倫茲變換是針對‘點’的變換結(jié)論，當(dāng)我們將洛倫茲變換應(yīng)用到實際物體時，一定要考慮物體大小的影響，‘點’的近似是否還適用。
3． 理論上不存在鐘慢效應(yīng)
通過上述分析我們應(yīng)該明晰，如果光速不變原理的假定符合自然界的真實情況，則可推出洛倫茲變換。由洛倫茲變換可嚴格推出點時間的延緩。但愛因斯坦不假思索地‘把其中一只鐘放到k的坐標(biāo)原點上，’輕松地獲得了‘鐘慢效應(yīng)’。這種看來似乎不證自明的結(jié)論滿足相對論的邏輯么？作者以為這樣的結(jié)論并不符合洛倫茲變換。
在相對論之前，用一個運動的點的時間來替代它附近點的時間乃至于替代整個運動系的公共時間都是沒有問題的，因為各點都有共同的‘公共時間’。
物理學(xué)中使用點的概念的條件是：當(dāng)一個有限大小的物體的每一部分具有相同的物理性質(zhì)時，才可以用‘點’的概念來替代整體。如果不同則不能嚴格替代�；蛘咚芯课矬w的每一部分的物理性質(zhì)的差別可以忽略時，可以近似地用點的概念來替代。而愛因斯坦用‘點時間延緩’替代‘時鐘的時間延緩’并不滿足上述原則。
愛因斯坦把一只鐘放到k的坐標(biāo)原點上指示時間τ，這靜止在k系觀測是可行的，因為這時所有的點都有相同的公共時間；但在靜系K上觀測則會存在問題，因為K系上確定時刻t觀測運動系k時，只有一個點的時間是可以凝固為τ并與t對應(yīng)。而觀測一個運動的時鐘，則由于實際時鐘有大小則不能簡化為一個點。換言之，當(dāng)時鐘上的兩個點有相同的公共時間τ時，則整個時鐘所在的運動系各點都有確定的τ。根據(jù)結(jié)論一可知，這時K系與k系的公共時間沒有確定的對應(yīng)關(guān)系。也就是理論上K系的t時刻不可能確定一個運動的時鐘的時間τ是多少。
也許當(dāng)我們假定時鐘的線度很小，比如一個運動的原子，我們也許會認為，由于原子上兩個點的距離很小，當(dāng)K系的t一定時，可以忽略同時的相對性，近似為原子上所有的點的公共時間τ相等。則在一定的近似下，時鐘延緩還是可用的。實際這也是不符合相對論的理論的，也是不對的。因為洛倫茲變換清晰地告訴我們：無論間距多近的兩個點具有相同的τ則整個系就有相同的公共時間τ。
根據(jù)2.中的論述可知，在K系確定的時刻t觀測到一個運動的時鐘是由不
同的點有不同的τ的組合的新東西。K系上的觀察者，理論上不可能觀測到運動時鐘上的時間。
結(jié)論五：一個慣性系上的觀測者理論上不能比對兩個相對運動的慣性參照系上的時鐘的時間。
所以靜系上的觀察者，理論上也不可測量一個運動的時鐘的時間間隔。
結(jié)論六：理論上只能存在一個運動的點的時間延緩，不存在運動時鐘的時間延緩或運動的參照系的‘公共時間’的延緩。
4． 相對論時空觀的真實性
相對論的時空觀取得驚人的成就的同時也帶來了很多矛盾。有的被解釋為佯謬，像雙生子、潛水艇等。有的似乎是不可調(diào)和。比如，根據(jù)“論動體的電動力學(xué)”中的多普勒效應(yīng)公式。很容易發(fā)現(xiàn)：在橫向多普勒效應(yīng)的結(jié)論中，前提需要的兩個慣性系的時間間隔關(guān)系與得到光波周期所代表的時間間隔存在著自相矛盾。這不能不讓我們懷疑相對論時空觀的真實性。
盡管有許多學(xué)者相信，只要光速不變原理的假定是正確的，相對論給出的結(jié)論就是無懈可擊的。其實未必如此，相對論的一些結(jié)論未必是嚴格的邏輯結(jié)論。正如我們上面討論的兩個慣性系的‘對鐘’問題。實際上，按照相對論的理論我們在兩個慣性系之間是不能‘對鐘’也不能‘對尺’的。
實際上，光速不變原理只有事件發(fā)生在‘點’的條件下才能成立。而實際物理問題都是發(fā)生在有一定大小的空間內(nèi)，這時洛倫茲變換的結(jié)論會否定光速不變原理。也就是當(dāng)k系的有一定大小的空間τ時刻發(fā)出光波時，K系則無確定的時刻與之對應(yīng)，因此光速不變原理將不在成立。
按照洛倫茲變換我們知道，在靜系K上時間t凝固后觀測運動系k時，K系上的靜止觀察者觀測到運動系上ξ軸上不同的點有著不同的τ的一個拼盤。如果k系天生就是相對K系存在勻速運動時，諸點應(yīng)用光速不變原理，則一定會得到上述的‘拼盤’結(jié)論。但是如愛因斯坦在論文中描述的那樣，k系開始相對K系是靜止的，兩系每點的‘公共時間’也是同步的�，F(xiàn)在對其中一個坐標(biāo)系（k）的原點，在朝著另一個靜止的坐標(biāo)系（K）的x增加方向上給以一個（恒定）速度v，設(shè)想這個速度也傳給了坐標(biāo)軸、有關(guān)的量桿，以及那些鐘。結(jié)果還會出現(xiàn)洛倫茲變換要求的同時的相對性么？也就是如何從‘前相對論’進入到相對論？筆者認為這是絕對不可能出現(xiàn)的。假定開始加速時所有點的‘公共時間’都是0，任何理論的邏輯都不會計算出，當(dāng)k系各點同時加速且完成后進入勻速運動狀態(tài)時，k系不同的點會按照位置的不同自動進入不同的‘公共時間’τ、而且還會合理地完成長度收縮。
結(jié)論七：狹義相對論所描述的時空觀是不可能真實存在的。
5． 結(jié)果討論
狹義相對論的建立完全基于‘點’事件的光速不變原理。也就是兩個慣性系分別對光從一點傳播到另外一點的速度測量時要保持不變。而由此獲得的洛倫茲變換也只是對‘點’成立的理論。而實際物理問題是要考慮大小的，當(dāng)波前有一定大小的光波在一個慣性系中確定的時刻開始傳播，則在另一個慣性系中沒有確定的時刻與之對應(yīng)。因此即使光速不變原理對一條關(guān)系成立，但對一束光線將不再成立。
洛倫茲變換只是一個適合點到點的數(shù)學(xué)變換。當(dāng)把其應(yīng)用實際的物理問題時，還要嚴格思考其適用范圍。本文得到的重要結(jié)論是：當(dāng)把洛倫茲變換應(yīng)用到點時，存在點時間延緩，而對有大小的時鐘來說，并不存在時間延緩效應(yīng)。目前的理論所說的時鐘的時間延緩是違背了同時的相對性后的錯誤結(jié)論。
盡管很多實驗結(jié)果都符合相對論的邏輯，但是幾乎所有的結(jié)果都是幾十年前的老機器完成的。由于相對論效應(yīng)極其微小，就是現(xiàn)代的儀器也很難檢驗清楚。因此，我們不僅要從理論上探討其正確性，而且還要重視相對論的實驗檢驗。既要設(shè)計新的實驗，也要重視利用新的儀器檢驗老實驗的可靠性。
本文的分析也許存在原則的錯誤，希望能得到批評和討論，但質(zhì)疑是必要的。如果都不敢質(zhì)疑，也許我們今天還相信太陽繞著地球轉(zhuǎn)呢。
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