|
对历史上几个与物理学有关的重要理论的功与过之反思 － 爱因斯坦的相对论时空观 马海飞 （ http://blog.sina.com.cn/gfis 2014年11月4日） 爱因斯坦在他的狭义相对论中提出了一个与牛顿完全不同的新时空观，即“相对论时空观”。相对论时空观就是把时间与空间视为一个不可分割的整体，也就是一维时间加三维空间的“四维时空”。不仅如此，在爱因斯坦看来，根本不存在牛顿描述的那种绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间。所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系来说，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。因此，相对论时空中的时间和空间都是相对的。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是“狭义的相对性原理”。 狭义相对性原理与伽利略相对性原理在表面上看几乎是一样的，但在时空观上却完全不同。伽利略相对性原理中的时间和空间都是绝对的，而狭义相对性原理中的时空是相对的。 “狭义相对性原理”是狭义相对论的两个基本公设之一。另一个基本公设就是“光速不变原理”。所谓光速不变原理就是光在真空中的传播速度与光源以及观察者的运动状态均无关系。无论光源和观察者的运动速度是多大，光速总也不变。也就是说光速与光源和观察者的运动速度之间不存在伽利略相对论中的那种速度叠加的关系。 从狭义相对论中得出了时间膨胀、长度收缩以及相对论质量等结论。同时也产生出双生子悖论等问题。 然而，时空到底是什么？为什么时空是相对的？等等这类问题爱因斯坦却没有从物理存在上做出任何解释。笔者在此之前的文章中指出，爱因斯坦的理论在本质上都是哲学理论。这就是爱因斯坦不能对他理论相关的问题从物理存在上做出解释的原因。 爱因斯坦的“相对时空”等等都是一些抽象的概念，是精神世界里的产物。爱因斯坦就是用这些抽象概念进行哲学思辨式研究的。得出的结论也都是哲学的。所以，爱因斯坦的理论中描绘的物理过程基本上都是自然界不存在的。例如，时间膨胀，长度收缩和物体质量随着运动速度的增加而增加等等。这些哲学上的结论就像亚里士多德做出的太阳围绕地球转的哲学结论如出一辙。这些结论对科学研究造成了很大的混乱。 尽管如此，哲学理论对科学研究来说并不是没有参考价值。凡是存在的就一定是有其一定道理的。爱因斯坦的相对论时空观虽然不是一个来自科学研究的观点，但是，我们不能否认这个观点所包含的内容是有参考价值的。 爱因斯坦的相对论时空观难以理解的原因就是他没有讲清楚时空在自然世界中的本质是什么。他只给出了一个精神世界里抽象的概念。那是因为爱因斯坦自己也不知道客观存在的时空是什么。实际上，只要我们知道了自然世界中客观存在的时空是什么，所有与时空有关的问题都会迎刃而解。 今天我们已经知道，物质同时具有实体与场这两个存在形式完全不同的基本自然属性。具体来说就是每个物体都具有质量与质量场。质量场所具备的就是空间属性。因为地球有地球的质量场，月球有月球的质量场。每个质量场的强度各不相同，而质量场强度恰恰与时间的快慢相关。质量场既具有空间的性质，又与时间有关。因此，质量场实际上就是爱因斯坦所说的那个时空。地球的质量场就是地球的时空。月球的质量场就是月球的时空，太阳的质量场就是太阳的时空。因此，把时空说成是相对的一点问题都没有。 由此可见，爱因斯坦的相对时空的观点是有一定道理的。只可惜爱因斯坦自己也不知道他说的时空在自然世界里是什么以及为什么时空会是相对的。因此，他就搞不清楚光速与时间和空间是什么物理学上的关系。结果把光速看成是不变的，把时间和空间看成是可变的。于是就出现了时间膨胀和长度收缩等错误的结论。 关于时间膨胀的问题，如果用生物学上的例子来解释的话，那么爱因斯坦的做法就好像是把“一生”作为一个不变的量（相当于相对论中的“光速”），把生命周期长度作为一个相对时间对待。比如说，小鼠一生的平均寿命是4年，人的平均寿命是80岁。那么，人的一生是一生，小鼠的一生也是一生。用相对论的方式，一生是绝对的的。人的一生等于小鼠的一生。 小鼠是按照小鼠的相对时间度过一生的，人是按照人的相对时间度过一生的。因此，时间都是相对的。这样，小鼠的4年就相当于人的80年。 。 很显然，这样的相对性比较是非常容易产生混乱的。这就是为什么人类要制定一个国际统一标准时间的原因。我们现在用来计时的时间都是标准时间。用这个时间作为一个绝对不变的参照标准来衡量所有物理过程变化的快慢（即速度）。所以，标准时间是国际统一的一个度量衡，是绝对不可变的。如果可变的话，时间就失去了它物理学的意义。因为有了这样一个国际统一的标准，我们才可以把小鼠的寿命说成是4年，把人的寿命说成是80岁。把每个天体上不同的相对时间换算成统一的标准时间。 而相对论扰乱物理学秩序的一个做法就是把时间作为可变量使用，把光速作为不变量使用。然而，具有讽刺意义的是，在爱因斯坦的所有计算公式中，涉及到时间以及与时间有关的物理量（例如物体的运动速度）时，公式里使用的时间都是国际统一的标准时间，而不是可以膨胀的相对时间。因为可变的时间是不具有物理学意义的。相对论为了让它的计算结果具有物理学意义，就不得不使用标准时间，而不能使用那个可以膨胀的相对时间。与此同时，光速依旧作为不变量使用。例如，在计算水星轨道的时候使用的是我们地球上的标准时间，而不是水星的相对时间，也不是由运动产生出来的膨胀时间。但这也导致了这个理论自身内部的相互矛盾。所以说，相对论并不是一个真正的科学理论。 读过本系列前面几篇文章的读者都知道，亚里士多德和爱因斯坦对自然的认识手段都一样是哲学的，而不是科学的。从哲学研究中得到的结论只能做为参考，不能作为下一步深入研究的依据。参考的方法就是对哲学结论进行更进一步的研究。例如，在亚里士多德从日出日落现象中得出太阳围绕地球转的结论后，接下来的做法不是象托勒密那样把地心说作为依据使用，而是应该针对地心说对自然现象做出的解释仔细研究看看是否还有其他天体的运转方式也会产生出同样的现象。当我们发现地球自转也能产生出太阳围绕地球转一样的效果时，就必须到自然世界中去确认一下，看看我们见到的自然现象到底是由太阳围绕地球转产生的还是由地球自转产生的。 同样道理，爱因斯坦的理论也都是哲学理论。当爱因斯坦提出相对论时空观之后，我们应该把这个观点作为参考而不是依据使用。参考的方法与上面讲的一样，到自然世界里找找看什么样的客观存在可以让时间和空间成为一个整体，并且具有相对性等等。而不是停留在抽象的概念层面上做进一步的研究。只有从哲学走回到科学，哲学结论对科学才具有参考价值。 |
|
|
