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论时空的本质

2014-11-28  物理网文

论时空的本质

 

 

(广西南宁市一点通教育咨询中心)

 

我在国家正式出版的刊物先后发表了三篇论文:

1)《如何应对学生对相对论的合理质疑?》【广西师范大学学报.自然科学版.29.增刊.2011-06. 86】;

2)《同时的相对性探疑》【理科爱好者201318期(教育教学2)第13页】;

3)《空间弯曲是真实的吗?》【理科爱好者201330期(教育教学4)第15页】。

第一、二篇文章指出了狭义相对论的主要错误,并进行了修改;第三篇文章指出了广义相对论的主要矛盾,改用平直时空的方法来描述大自然的规律。

我写的第四篇文章《一种可能的超光速理论》,补充了对狭义相对论的修改,但由于猜测的成分太大,虽然具有一定的逻辑性,但目前不具备接受实验检验的条件,故只发表在网上。

以下首先向大家介绍第一篇文章。

 

一、“空间”大小是绝对的

其实,我第一篇文章的题目原来叫《论时空的本质》,但后来考虑到这样的标题火药味太浓了,《广西师范大学学报》的编辑未必让如此标题的文章刊登,故改为柔和的《如何应对学生对相对论的合理质疑?》之后,终于可以与广大读者见面。文章的目的是通过逻辑论证和实践检验,否定“相对空间”的物理真实性,还“空间”以本来面目;肯定“相对时间”和“绝对静止”。

一直以来,不少人对狭义相对论(SR感兴趣,但在接触它的过程中,常常会发现它有许多违背逻辑关系的悖论。伟大的哲学家兼数学家罗素认为:“……直到今天,相对论依然是有争议的,而且受到其内在难题的困扰。”许多人由此产生各种困惑和误解。爱因斯坦用神秘的逻辑难题来眩惑人们已经超过了100年,然而带来真正危害的还是那些不以批判态度对待爱因斯坦的人,他们全盘吸收相对论,对不好的东西也不扬弃,这最终必将使爱因斯坦的名誉受到损害。

SR从它建立开始就受到许多人的强烈反对,当中有许多是世界著名的物理学家。以国家行为反对SR的先后有德国、原苏联和我国。SR能够在100多年不倒,并不意味着它没有问题,而是因为反对它的人没有击中要害。另外,仅仅能够指出SR的错误是不够的,还必须拿出正确的理论来取而代之,这才能让人心服口服。

相对时空观使得一个唯一的客观物理过程变成了在不同惯性系中观测者主观知觉的不同,这种唯心主义的时空观必然引起其内部的深刻矛盾。SR几乎所有的悖论都是由于它的时空矛盾引起的,故对相对空间的否定是研究相对论的重中之重,它是修改SR的第一个突破口。

论证的切入点是分析仓库装杆悖论(俎栋林.电动力学. 清华大学出版社2006.267-271):

撑杆运动员有一根10 米长的杆,农民有一9 米长的仓库。以仓库为参照系,运动员以u =0.6c的速度奔跑,杆的长度收缩为8米,小于9米,仓库能装杆,农民来得及关门。

若以运动员为参照系,则撑杆是静止的,其10 米长不变,而仓库是运动的,运动的仓库长度收缩为7.2米,小于10米。门关不上仓库不能装下杆。

这个矛盾是显而易见的,其道理本来一个5岁的童孩都可以看出来,根本无须具备什么高深的物理、数学和哲学知识,可是,爱因斯坦却故弄玄虚,使人眼花缭乱,他却在混水中摸到了许多条大鱼。

产生这一矛盾的根本原因,在于爱因斯坦假定空间具有相对性——即空间的大小可以随观测者所在的参照系而变化,并且他认为这种变化是本质的,是空间的固有属性。我查遍了国内外所有的SR专着、论文、大学教科书,北京大学、清华大学、北京师范大学、中山大学、武汉大学等等著名高等学府的许多著名教授们,在他们编写的教科书里企图用深奥的理论——“同时性的相对性”来破解“仓库装杆悖论”,结果,所有的论证过程漏洞百出,非但不能破解矛盾,反而新增了更多、更严重、更明显、更可笑的矛盾。这的确不是因为教授们无能,而是爱因斯坦惹的祸。正所谓“巧妇难为无米之炊”。其实,这样的矛盾是根本不可能在相对论的时空框架内解决的,这一尖锐的矛盾不可调和!

实际上,目前世界上没有人能够真正证明现行的SR的确是一个“不存在任何矛盾的逻辑自洽的理论”!物理界之所以还在用它,原因在于没有更好的替代品,只好暂时使用。

我的一位老师是搞天体物理的,“精通”相对论,15年前就是博士生导师了。他过去在一国家科研机构担任首席科学家,现在国内一所著名大学任教。2年前的一个晚上我和他在南宁饭店门口讨论“相对空间”的问题,争论一直持续到第二天黎明,大家都不能够说服对方,然后双方约定今后用电子邮件继续讨论。我们用电子邮件讨论“仓库装杆”问题两个月,他多次想用“同时的相对性”来解决这个问题,回信内容表面上看有点复杂,很吓人,但最后我只需要老师回答我一个问题:“当撑杆的前端抵达仓库的后墙时刻,撑杆的后端在什么地方?”或者:“当撑杆的后端进入仓库门的时刻,撑杆的前端在什么地方?”老师这时才开始承认他无法回答,终于认为全国没有人能够回答这一问题。对于“同时的相对性”带来的深刻矛盾,他也无法进行合理的解释。

黄新卫先生曾友好地对我说,狭义相对论没有矛盾,能够自圆其说。我当然不相信黄新卫先生说的话,如果真的有人在狭义相对论的框架内能够解决“仓库装杆”问题,我希望黄先生拿出来在网站上公开,也好让我们这些孤陋寡闻的反相人士长些见识,省得大家在相对论论坛里瞎折腾,充当世人的笑柄。

100多年来大家都在质疑“相对空间”的正确性,物理主流一直不能给大家一个合理的、经得起历史考验的说法,这本身就说明了“相对空间”是错误的。就好像前段时间我想买一辆新桑塔纳轿车,结果上网一查,多年来许多网友一直怀疑桑塔纳轿车没有后防撞梁,缺乏安全性。针对网友的合理质疑,大众公司从来就没有正面回应,这本身就说明了桑塔纳轿车的确没有后防撞梁,况且据了解,目前桑塔纳轿车后部使用的缓冲材料的防撞性能,并不优于普通的防撞梁。这就给广大消费者带来了安全隐患。

对于“相对空间”带来的严重问题,有些物理专家(例如北京师范大学的刘辽教授)是十分清楚的,但他们却有意回避矛盾,滥用自己的学术权威向百姓宣称:“我们根本不能提仓库能不能装得下杆的问题”;“以仓库为参照系认为仓库能装下杆”和“以运动员为参照系认为仓库不能装下杆”两种看法都是正确的,因为两者的条件不同。哇塞!竟敢置公理于不顾?且不说这是否属于学术上的霸道行为,问题在于这种任意修改逻辑规则的做法是否站得住脚。如果逻辑规则真的可以被刘辽教授这样修改,那么,人类几千年来进行的数学推理是否仍然有效?人类进行科研活动所依赖的逻辑推理是否仍然有效?警察破案、检察官起诉、律师辩护、法官量刑进行的逻辑推理是否仍然有效?……科学讲求的是理论与实验的一致以及逻辑的严密,因而可以被人所理解。虽然宗教讲求的是信仰而不必要求被人所理解,但宗教内容也是不能违反逻辑的。无论是量子力学还是SR,一切科学都没有权利违反矛盾律。SR并非绝对真理,并没有也不可能关闭人们进一步认识自然界的道路。一切违背逻辑关系的物理理论只能是暂时的,不可能长期存在。因此,我们不应该把目前违背逻辑关系的SR当成宗教而加以“神化”。

宏观世界的逻辑关系本质上完全不同于微观世界中量子力学的状态叠加性质。微观世界中的哪种薛定鄂猫“既死又活”的状态,在宏观的现实生活中是根本不可能存在的。在普朗克尺度内,时间的先后不可分辨,空间的上下、左右、前后也不可分辨,时间概念和空间概念都失去了意义,因果律以及所有的物理规律也都失效,这在现实生活中是根本看不到的。与任何一门自然科学一样,我们应该把量子力学看成一门还在发展中的学科。除了量子信息论领域之外,量子力学正在逐步渗透到生命科学领域,其前景实在难以预测。尽管迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性,但量子力学也有逻辑问题,今后也要修改。在没有更好的理论代替量子力学之前,只好暂时使用它。目前只表明:量子力学在人类迄今实践所及的领域是正确的。

大约1000年前,欧洲一位名叫达米安的学者提出了一个学说,认为上帝可以不受矛盾律的约束,并且能够做到“覆水回收”,这就产生了万能概念上的麻烦。比如说,如果上帝是万能的,他就能造出一块连自己也举不起的石头;如果上帝确实是万能的话,他又应该能够举起石头。因此,上帝似乎既能够,又不能够。“万能”最终成了一个不可能的概念,除非人们放弃矛盾律。但放弃矛盾律又将使论证无法进行下去。正是由于这一原因,达米安的理论才必然遭到了抵制。这就意味着:上帝也没有违背逻辑关系的权利。

量子力学和SR对物理的影响是极其深远的,它们已经构成了现代物理的两大基础。它们对哲学的影响也是十分重大的,量子力学对哲学的影响主要是由微观客体的波-粒二象性造成的,然而,包含概率因素的因果关系并没有违背传统的逻辑关系,而是给逻辑关系赋予了更广泛、深刻的内容。现在研究哲学的人却被SR弄得很狼狈,如果不懂量子力学和SR,哲学家的话基本上没有人愿意听。但是,SR违背逻辑关系的现状又是十分荒唐的,这就使得哲学家们处于两难境地——如果要哲学家接受有逻辑矛盾的SR,他们就无法解释传统的逻辑关系;如果要哲学家反对SR,他就会被主流哲学家责备为思想落后,没有与时俱进。

显然,任何把自己的看法说成是普遍真理和事物本质的做法都是武断的。因为那是一种把主观感觉强加于人、强加于事的做法,而实质上那只不过是他自己的一种感觉,不具有普遍意义。真理并不能仅靠“学术权威”来维系。相对论这种让主观看法左右事实、让矛盾在物理界横行、企图推翻人类早已建立起来的逻辑基础的现象,使物理学和哲学处于非常危险的境地!

仓库装杆悖论表明:以运动员为参照系和以仓库为参照系的观测(测量)结果至少有一个是错的。

农民用一只静止的尺去测量静止的仓库,测量的结果是仓库的长度为9 米,这当然是正确的,同时可知,运动员测量的结果仓库的长度收缩为7.2是错误的。这一事实反映出测量相对运动物体的长度的测量理论有错误。那么,农民测量运动的杆,其长度从10米收缩为8米,是否也有错误呢?对此,我们并不能先验地确定,因为,作绝对运动的杆也有可能收缩了。有可能由于运动的杆和运动的尺同时收缩,运动并不能测量出他手上的杆收缩了。

但是,1902年瑞利(J.W.Rayleigh)的实验和1904年雷兹(D.B.Brace实验表明空间是绝对的,作绝对运动的物体不会发生任何收缩。因此,仓库和撑杆的收缩只是测量效应,是不同观测者的主观看法,它们的长度并不会因自身的运动或观测者的运动而有丝毫改变。即以运动员为参照系和以仓库为参照系的观测结果——运动的物体长度发生收缩,两个观点都是错的。

什么叫做测量效应?简而言之,这是一种数学概念,但不是物理真实。比方说,当我们把一根筷子插入一只装有水的透明玻璃杯时,就会发觉筷子被弯曲了。当我们幼小第一次看到这种现象时,并不知道筷子是否真的被弯曲,只有将筷子从水中拿出来,才发现筷子仍然是直的,而没有被弯曲。等到我们上了中学,才知道光学中有个折射定律,正是折射定律作用于我们的眼睛才产生了这种视觉效果,筷子还是原来的筷子,它被弯曲只是一种假象,我们称之为测量效应。如果我们家养的哈巴狗一辈子都没有机会将筷子从水中拿出来,它永远都会认为筷子真的被弯曲了!狭义相对论认为运动物体的长度收缩就是测量效应,爱因斯坦和现在世界各地的许多物理教授就象我家那只哈巴狗,他们一辈子都认为运动物体的长度真的收缩了!他们甚至连我家那只哈巴狗都不如,哈巴狗之所以认为筷子真的被弯曲了,是因为它一辈子都没有机会将筷子从水中拿出来。而爱因斯坦和这些物理教授则有机会面对否定相对空间的逻辑推理和实验验证,他们对此却充耳不闻,视而不见。悲哉!

其实,对于运动物体的长度,测量值真实值并不相等。高中物理有一个电学实验,要求用半偏法测出电流计的内阻,并比较测量值真实值谁大谁小,说明原因。在这里,电流计内阻的测量值真实值并不相等。

当年,伽利略首先用一个思想实验,从逻辑上否定亚里斯多德关于较重物体先落地的结论。伽利略设想将轻、重的两个物体用绳索连接在一起,这样,由于较重物体受较轻物体的拖累而速度比较重物体单独下落时要更慢一些,由于较轻物体受较重物体的拉力而速度比较轻物体单独下落时要更快一些,但以两个物体为一个整体的物体要比较重物体要重一些,其下落居然更慢一些,这是违背逻辑关系的。所以,亚里斯多德关于较重物体先落地的结论是错误的。其次,伽利略亲自到比萨斜塔上作实验,他将两个体积相同的木球和铁球同时在斜塔上同一高度放下,结果发现这两个小球的确同时下落到地面。从而推翻了亚里斯多德持续2000年的错误结论!(难道在伽利略之前的2000年中竟无一人发现亚里斯多德的逻辑矛盾吗?)伽利略同时使用逻辑推理和科学实验两种方法推翻亚里斯多德的错误结论,其实用两种方法的其中之一就已经足够了。

否定相对空间靠的是逻辑推理和实验验证,这正象当年伽利略用逻辑推理和实验验证来推翻科学巨人亚里斯多德重物先落地的结论一样,论证真实可靠,无懈可击。由此,SR的矛盾得到破解,SR的第一个缺口被打开了!!!

对空间概念暴露了人类目前对运动物体的长度测量理论存在问题。它是由于过去错误的同时性 概念造成的,对于这样的严重错误,必须立即纠正,建立正确的运动物体的长度测量理论(延迟测量理论)。我们都知道,测量理论在量子力学中占有很重要的地位,因为测量仪器和测量的设计都会对微观客体的行为产生重大影响。这是由微观客体的波-粒二象性所决定的。

微观领域中抽象的自旋概念存在的价值在于它与整个理论形式的关系,而不在于人们对这个理论词作如何直观的理解。形象的空间概念属于经验的,不可与自旋概念相提并论,空间概念既属于微观也属于宏观领域,它的概念存在的价值完全取决于人们对这个理论词作如何直观的理解。数学是一个自洽的公理化体系,数学的任何一个公理系统中,由它本身的独立性、协调性、完备性建立起来的逻辑体系,完全不用与现实世界相关就形成一个独立的演绎系统。在这个系统中,每一个概念都可以在逻辑基础上定义,而不用与可观察的现实世界联系起来。然而物理学不行,不能用纯数学来说明空间这个理论词。在物理学和其它自然科学中,理论体系不能象数学那样独立于现实世界之外,必须将它们用某些对应规则联结到可观察现象上加以解释,而这些对应规则是数学符号无法胜任的。

当代科学哲学家发现,思辨方法——或者说非实证原则——在科学活动中所起的作用,集中表现在科学家于从事研究之先已具备某种思维框架这一点上。对于大部分科学家来说,不管他的工作是偏重理论还是实验,甚至在他很好地贯彻研究方案之前,他常常好象已经知道了全部结果,而研究方案所要得到的只是这种结果的最奥妙细节。在非常情况下,它们导致下述不幸结果:意想不到的新理论特别容易受到许多专业科学团体中最负盛名的成员的抵制,并且常常被他们否定。

旧的理论不会自动推出历史舞台,还要拼命挣扎,以图应付反常、苟延残喘;旧的理论也要千方百计地弥补漏洞,改变形态以适应反常,但是,在科学革命中危机只能日益加深,不会彻底缓解,直到新的理论应运而生,在竞争中取胜。

 

二、“时间既有相对性也有绝对性

 

过去,没有任何一个定义可以完整地揭示出时间的根本特征,每个定义都只说明某些时间的现象,而不能说明时间的一切现象。这是对时间的定义出现逻辑循环造成的。当我们面对某一个事物发生的过程的时候,立刻就能够感觉到时间的存在。时间本身并没有问题,时间概念的问题产生在人们的思维和逻辑领域。

一旦证明了绝对空间的正确性,相对时间的概念将不证自明。因为我们不可能再走老路,回到牛顿绝对时空观的时代。用绝对时空观无法说明麦克斯韦理论中电磁波的速度是相对哪一个参照系的速度,也无法解释迈克耳-莫雷的光干涉实验。只要我们假定时间是对的时钟悖论(双生子悖论将得到破解。

最早的SR时钟悖论是在19114月波隆哲学大会上,由法国著名物理学家郎之万提出的,由于这个思想实验涉及到加速度(往返),需要用广义相对论来解决,并没有击中SR的要害,所以笔者将这个双生子思想实验作了一些修改,整个运动过程都是匀速、没有加速度的,不涉及到广义相对论。修改后的悖论显然不可能在SR的理论框架内得到破解。

惯性系是人们抽象出来的一种理想状态下的参照系,在现实中的惯性系都是近似惯性系,更严格地说应该是非惯性系,但这并不影响我们分析和讨论问题。相对论一面不承认绝对静止,一面又提出静止质量。两个以光速相对运动的惯性系,参照系里的物体质量哪个是静止质量,哪个是动质量呢?相对论者会说:双方都认为自己是静止质量,而对方是动质量。认为等于存在吗?两个惯性系平权吗?相对论一面声称不存在特殊的惯性系,所有惯性系都是相同的,这叫惯性系的平权性,一面又推出了相对论效应,不同惯性系的速度不同,其质量、长度、时间都是不同的。这些自相矛盾的概念,使人很难想象能与世界上最高级的科学联系起来,简直让感到人莫名其妙。

在远离引力场的空间,绝对速度(相对绝对静止系的速度)越大钟走得越慢,这是时间的固有属性,与钟的具体结构无关。在引力场的空间,相对引力源的速度越大钟走得越慢这一观点已经得到实验的支持[高速μ子寿命增加实验,1971年,海菲勒J.C.Hafele和凯丁R.E.Keating铯原子钟环球飞行实验]。尤其是铯原子钟环球飞行实验中,充分证明钟的快慢与相对地心(引力源,相比之下,来自太阳和其他行星的引力可忽略不计)的运动速度有关,至此,对相对时间的证明已经结束,但是,为了增强说服力,充分展示论证的威力,我仿效军事打击中的饱和攻击而进行饱和论证,从洛伦兹时间变换出发直接得到双生子思想实验破解的答案,同时也向世人发出一个信号:SR勿须推倒重来,只须重新解释。其实,无论在什么惯性参照系,如果需要校准、比较两地时间,根本无须时时地地设置时钟,只要校对起始时刻,在理论上可运用洛伦兹变换进行比较,在实践中则可发射电磁信号直接沟通进行比较。这个道理很简单,根本用不着用爱因斯坦复杂的校钟法来掩盖矛盾、故弄玄虚、愚弄百姓。

 

三、“绝对静止”与“绝对零度”类似,必须重返历史舞台

 

在论证过程中,相对时间绝对静止是一同被证明的,而且,我们很容易得到寻找绝对静止的方法——在远离引力场的空间,根据动钟变慢原理,钟走得最快的参照系为绝对静止参照系

19世纪末20世纪初著名物理学家马赫建议将牛顿的绝对空间绝对静止驱逐正统的科学殿堂的原因,是他认为任何人都无法对之作出量度,它们既无实用价值,也无科学价值,只是无意义的形而上学观点。爱因斯坦则完全抛弃了绝对空间绝对静止。如今,接受绝对空间既是逻辑上的必然,也得到了实验的验证,寻找绝对静止的方法也知道了,它们既有实用价值,也有科学价值,我们必须将绝对空间绝对静止重新请回正统的科学殿堂。

能够认识到时间间隔具有相对性是一种了不起的进步,爱因斯坦的确是一位伟大的物理学家,在物理学史上,能与爱因斯坦相提并论的重量级人物只有牛顿一人。我相信,能够看清尺缩钟慢本质属性的人并不在少数,但他们的思想大多被爱因斯坦在科学上的崇高地位引发的重量压垮了。事实上,并不是爱因斯坦打败了科学精神,而是人们心中的迷信和梦想置科学精神于不顾。

 

四、“同时”必须是“绝对”的

 

之所以“同时”是“绝对”的,那是因为“同时的相对性”会引起一系列的逻辑矛盾。爱因斯坦在证明“同时的相对性”时举了一个“火车”的例子,但在证明的过程中他犯了一个严重的错误(偷换概念)!对于一只在地球上的蚂蚁,在某一时刻,静止在地球人认为蚂蚁刚好死亡,而在一艘经过地球上空的飞船上的人来说,蚂蚁并没有死,它还可以再活一年,这怎么可能呢?

 

五、“时空弯曲”是真实的吗?

 

爱因斯坦用非欧几何这一艰深的数学工具建立了广义相对论,这是人类历史中一件非常了不起的大事。我们的祖先早已证明非欧几何在逻辑上是完备的,无懈可击。广义相对论的两大基础——等效原理和广义相对性原理也没有重大问题,但是,这只能说明由此而得出的结论满足“数学真理”,对于此而得出的结论是否满足“物理真理”是需要进行具体分析讨论的。爱因斯坦在世时就表示,用欧几里得几何来建立引力理论也是允许的,他只是担心因此而得到的结果太过于复杂而没有采纳。本人尝试用欧几里得几何来建立引力理论,得到了许多结果与广义相对论得到的结果是一样的,但是,本人的理论只认为在不同参照系里,时间的间隔不一样,也并不一定是均匀流逝的,从这个意义上说,时间是弯曲的,但空间就是平直的、绝对的了。对于宇宙的“有限无边”等其他概念,本人持怀疑态度,认为这可能也是一种数学概念,在现实中未必存在。

 

我们终于可以将人们(特别是爱因斯坦)对SR的错误理解毫不留情地揭露出来,并果断地纠正它,还以其本来面目,将哲学从黑暗中带入光明。这标志着人类对SR进行长达107年的争论宣告结束。我相信,如果媒体宣传得当,在今后一个不太长的时间内,全世界涉及SR知识的教科书和科普书籍,将会根据本人的研究成果来进行修改;逻辑关系的光荣传统将得到恢复和发扬,全球的哲学家不会再为公然挑衅逻辑关系的SR愁眉不展!

爱因斯坦说:“只有最大胆的思辨才有可能把经验材料之间的空隙弥补起来。”

对于一个理论,仅仅知道如何应用或者将它作为一个工具还远远不够,还应该对它的基本思想有一个清楚的认识,对它所揭示的事物本质有深入的了解和体会。

科学在发展,历史在进步。任何一个时期的科学理论都面临着被更精确、更科学理论取代的境地,SR也不能例外。目前SR最主要的错误是哲学方面的,它将哲学带入了黑暗。这些错误并不是SR本身造成的,而是人们(特别是爱因斯坦)对它的错误理解造成的。

                                      

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