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沈惠川:我的世界线:相对论

2014-12-30  物理网文

我的世界线:相对论

沈惠川

中国科学技术大学天文与应用物理系,安徽合肥,230026

 

       我与相对论的不解之缘从我念初中时就已开始。当时听弄堂里的小伙伴说些新名词“狭义相对论”,“广义相对论”,“Einstein相对论”,觉得好奇。读高中一年级时,在中国科学院上海分院附近的肇嘉浜路(岳阳路口)一个小书亭里买到了一本由EinsteinInfeld所著的《物理学的进化》(中译本)。这是我首次接触Einstein和相对论。但坦白说,当时对相对论的认识是稀里糊涂的,与现在一些中学生或社会自学成才者差不多。后来,上大学(清华大学当时也没教过张量和相对论),毕业,下乡劳动,就有许多年没碰相对论。有一年,我为联系调动工作事,到安徽马鞍山市去找大学同学陈利颐。在一次闲谈中,陈利颐说:“《物理学的进化》中有许多话说得很深刻。”(陈利颐同学现在上海交通大学图书馆工作)他这句话我留心了。回上海后,我从书橱中从新找回了那本《物理学的进化》,并开始从新阅读。

       到中国科学技术大学工作后,由于教学需要,我自学了张量;当时的主要参考书是N.Y.Coqin的《向量计算及张量计算初步》(商务印书馆,1954[自学时是借图书馆里的,后来我弟弟沈惠申在上海南京路旧书店为我“淘”来一本]P.G.Bergmann的《相对论引论》(人民教育出版社,1961[当时能买到]V.A.Fock的《空间,时间和引力的理论》(科学出版社,1965[自学时也是借图书馆里的,后来也由我弟弟在上海南京路旧书店为我“淘”来一本]以及其它几本书。Bergmann的书前有Einstein写的序,更添权威性。Fock的书中有当时苏联书所具有的通病,那就是自以为是;但张量部分写得不错。我为了自学张量,笔记和计算就搞了两厚本。只有学通了张量,才能体会广义相对论是怎么回事。在学习的过程中,终于有一天,顿悟,明白了Einstein想对我们所说的是什么。从此以后,Einstein和相对论成了我的信仰,并成了我自己的一部分。在物理学中,能够“永远站得住脚”的,除了分析力学(包括Lagrange力学,Hamilton力学和Birkhoff系统动力学),热力学外,就是相对论(包括狭义相对论和广义相对论,或称为特殊相对论和一般相对论)。这三门学问可说是物理学中的“铁三角”,是其它物理学科必须遵守的“约束条件”;是物理中的物理,是物理中的哲学。其余的学问,包括量子力学在内,都是在变化的,不一定全对。

        后来又买了不少有关Einstein和相对论的书。我买书有两大原则,即名家或名著,否则家里书橱放不下。Einstein和相对论的书符合我的原则,因而有关Einstein和相对论的书几乎买全了;有些书的不同版本我都有(如Pais的书我就有陈崇光的译本,方在庆的两种译本);有些书的不同版本甚至买两册(如Einstein的《相对论的意义》),因为这些书很薄,不贵,值得。Einstein和相对论方面的名书,大部分极具收藏价值。

        我也曾想在相对论方面做些工作。刚到科大时写过一篇文章,关于广义相对论和狭义相对论结合方面的,投《天体物理学报》。(在这之前,还写过一篇“广义相对论的实验验证”的短文,在《天文爱好者》1980年第7期上发表;并由于这篇文章,李中元教授介绍我参加“中国天文学学会”。)文章寄出后发现不妥。果然不出所料,审稿人觉得狭义相对论是广义相对论的特殊情况,将两者相结合很不妥。我同意审稿人的判断。又看到,所谓“搞广义相对论”的人一再将广义相对论搞得支离破碎,完全没有了广义相对论中的物理美(我自己那篇也不美),因而发誓再不撰写破坏广义相对论物理美的文章。当时,汪克林教授对我说,相对论已经定型,没什么课题可搞的了(除非解Einstein场方程,但很难);还不如搞量子力学。于是,我后来的文章,除了两篇外,基本上不涉及相对论;但,相对论要求一直是我审视其它文章(包括自己文章)的基本标准。

        在量子物理学家中,我最钦佩的就是L.de BroglieP.A.M.Dirac。出发点也是他们对相对论的理解程度。在这方面,Dirac还比不上de Brogliede BroglieDirac看问题看得比较透彻:不能要求相对论来迎合自己的理论,而要让自己的工作符合相对论。只有这样,才能使自己的工作具有旺盛的生命力。正统量子力学之所以矛盾百出,无法令人满意,其根本原因就在于它无法与相对论相协调。EPR实验就击中了正统量子力学的这一要害。EPR实验是正统量子力学的死穴。

        由于“广义相对论的实验验证”这篇短文的发表,引发了全国各地许多相对论爱好者的来信讨论,其中当然既有赞赏广义相对论的也有反对广义相对论的。我记得最清楚的就是一个名叫陈有恒的广东湛江人。陈有恒其人来的信极多,但其手法我觉得很恶劣。由于怕扫他面子,我有时候较为客气地说“你反对广义相对论必须拿出实验证据来”;他收信后便去找了许多所谓“证据”(全是一些经过挑选的,带有偏见的不实之词),并到处散发他的油印“论文”说我“支持”他。我后来光火了,毫不留情指出他的恶劣行径。他的许多来信我后来付之一炬。据说他后来进入湛江某学院(他当时来信时只有家庭地址),并对武汉钢铁大学学报编辑部的赵国求说他“认识”我。赵国求当他是朋友,还护着他。

        19904月的长沙会议(“全国量子理论基础问题暨D.Bohm学术思想研讨会”)上,我认识了洪定国和崔君达。崔君达曾给Bohm的合作者Hiley去过信,兜售过他的“复合时空理论”;据他自己说,两人“交换过论文”。BohmHiley介绍他去找洪定国讨论。由于迟到了好几天,后面又是B.J.Hiley的报告,因此洪定国无法再安排崔君达发言(这是洪定国方面的解释)。崔君达于是对洪定国意见极大,认为洪定国为了“抬高自己”“使劲利用了我一次”(他断言“洪定国夫人无意中透露”当初是以洪定国和他两人的名义邀请Hiley的,又说洪定国对他“耍了三个小诡计”)。我当时作为“协办”,只好在两人之间打圆场;但我觉得崔君达有点自视颇高且心胸狭窄,不好交往。崔君达的“复合时空理论”,我是第一次听说;我还向他要了一本由陕西科技出版社出版的小册子。回到学校以后,我对长沙会议上诸位仁兄的理论作了彻底研究,甚至还去信核实他们的观点和计算,其中包括崔君达和北大黄湘友。

        在长沙会议期间,他曾对我说过有人觉得他的复合时空论与量子力学大千世界诠释(多世界诠释)十分像(至于是否“剽窃”的事,似乎也有耳闻,但已记不清楚)。我仔细看了他的书和论文(都发表在不起眼的杂志上,且在www.CNKI.net上能查到他的文章也不多,只有1篇)后,觉得二者确实相像;只是大千世界诠释中各个“世界”是平行的,而崔君达的理论中的各“时空”是叠加的(在这一点上,又看不出是“剽窃”)。实际上,复合时空论既非量子力学(崔君达所理解的量子力学,实际上就是正统量子力学Copenhagen学派那一套,这从他的言谈中可以听出来;他对Bell不等式和Aspect实验的理解,完全是正统观点,与Einsteinde Broglie的思想相去甚远;他认为Einsteinde Broglie的思想已经过时,而正统Copenhagen学派对Bell不等式和Aspect实验的解读才是“新”的),也非相对论;要说它有点与相对论有关,那是因为在复合时空论中提到了Lorentz变换;而且原来意义下的Lorentz变换,已被崔君达糟蹋得不像样子;这与我的宗旨完全不一样。在崔君达的理论中,Lorentz变换是不协变的;他将3个空间方向和1个时间方向的相对论变换公式分别赋予正负两个符号,并按排列组合算法声称这样的变换有16种(又说是32种),并将该16种变换与《易经》卦象扯上关系。众所周知,Lorentz变换是一种张量变换,或者说是一种矩阵变换;它应具有相对论协变性;但在复合时空论中,由于崔君达对每一分量公式分别赋予正负两个符号,因而使相对论协变性丧失殆尽。所以复合时空论在数学上,在物理上都是错误的。实际上,如果坐标和时间可以各取正负两种符号的话,则Lorentz变换至多只有4种选择,它们分别对应于宇称反演和时间反演。而且,在这4种可能的Lorentz变换中,有两种是“正常”Lorentz变换,另两种是“反常”Lorentz变换;考虑到量子力学中的时间反演是用宇称反演,电荷共轭,同位旋共轭等的联合作用的倒数来表示的,因而有物理意义的Lorentz变换仅有两种。根据R.Resnick的证明(见《Introduction of Special Relativity》,John Wiley,1968和《Basic Concepts in Relativity and Early Quantum Theory》,John Wiley,1974),在相对性原理和光速不变原理的前提条件下,两种符号的Lorentz变换只能出现在两坐标系之间有相对运动的方向上,而在与其运动方向垂直的另两个方向上是不可能有两种符号的。由此可见,Lorentz变换与中国古代的《易经》根本没有关系。崔君达的数学计算也实在无法恭维。(他的数学实在有问题,甚至连“线性方程是非线性方程的近似”这一浅显的常识都不知道。)剩下来的只是“多时空叠加”这种想法还有点参考价值(与“Schr?dinger猫”态的叠加有点相似,但对应得不好,因为宇宙中是否真有叠加态的Schr?dinger猫还很难说;而量子力学大千世界诠释则对应得较好,它可以绕过正统量子力学中的“编缩”假定)。洪定国没有在长沙会议上安排他发言对会议本身并无损失,因为复合时空论确与量子力学不搭界。国际学术期刊上没有发表他的文章(他曾就“复合时空论”为题向国外杂志投过稿)可能也正是看到了这一点。

我将这些意见反馈给他与他讨论多次;他听不进去。199498日他甚至来信翻脸说:“关于复合时空论,有人要把它归入多世界理论,这也没有什么。但如果想用这种手法来故意贬低复合时空论,那是徒劳的!因为它并未从别人的多世界理论中抄袭任何东西!那完全是我自己默默无闻地搞了多年,才想出来的。你若不信,你可以认真地查对一下。但愿老兄别干出你本不该干的事!否则,在适当的时机我也将进行反击!”(从此以后,我们之间再也没有联络过。)我的确将崔君达的复合时空论与量子力学大千世界诠释作了比较,那是归纳方法,并没有说他有无“抄袭”;这件事以及指出他的复合时空论破坏了Lorentz变换的相对论协变性那件事(都与他多次讨论过),可能无意中得罪和冒犯了他;于是他在最近的2005年不知哪一天对我进行了莫名其妙的“反击”,而且出言不逊,恶语相向,甚至以影射我们有“劣迹”进行抹黑。事实总归是事实;威吓别人闭嘴只会欲盖弥彰。别人即使闭嘴了,但错误的事实依然存在。这种抹黑伎俩确实很让人瞧不起。他的物理错误不许别人说,却希望人家捧着他的理论:也不看看自己有多少站得住脚的货色!翻来覆去就那么几句话!他对我们抹黑的那句话是针对我和丁,潘两位在“复合时空理论和量子力学的多世界诠释”(武钢大学学报,1997年第一期第11-17页)中的这么一句话的:“对崔君达前面谈及的缘由不必看得过于认真,因为他‘没有作案时间’:根据文[1]的说法,‘本工作来源于1966-1974年间的阅读和讨论,参加这种讨论的有崔君铭,崔君正,吴艾玲同志。’根据文[6]的说法,‘复合时空的想法大约产生于1968-1969年间’;但是Aspect等人的实验结果发表于1981-1982年间。崔君达本领再大也不可能使时间倒流;据笔者分析,他前面谈及的缘由是后来加上去的,目的是为了自圆其说。”不知他为何对这句话耿耿于怀,说不准这句话背后真有什么东西。

以上所说,仅仅是一段小插曲,与相对论基本上无关;与相对论有关的只是崔君达对Lorentz变换的相对论协变性的破坏。他在2005年所说的意思是,宁可不要Lorentz变换的相对论协变性,也要保留他在复合时空论中的形式。对这一点,我最反对。我的观点与P.A.M.Dirac一样:即使真有实验结果与相对论发生矛盾的事,我也只怀疑实验结果而不会怀疑相对论。而崔君达对相对论的态度则是“取之则来,挥之即去”,没有任何原则性可言。他说“Schr?dinger方程也不是协变的”;言下之意他破坏Lorentz变换的相对论协变性也是有传统的;但是想将《易经》之类的玩意引入物理学也不一定非得扯上Lorentz变换,既然提到的是Lorentz变换,那就必须是相对论协变的。正是由于Schr?dinger方程它不协变,才导致后来发明Klein-Gordon方程和Dirac方程;也正是后来发现Klein-Gordon方程和Dirac方程并非彻底相对论的,才会有de Broglie1956年从新提出的双重解理论以及Einsteinde Broglie理论的支持。所以我说过,一部量子力学发展史,实际上是使量子力学满足相对论的历史,而不是相反。

大约在1994年秋冬之交,《武钢大学学报》编辑部诚邀我评审一篇由贵州省六盘水市水城二中杨金城先生(据他自称在七院十二所工作过,且为贵州省物理学会理事,六盘水市物理教学研究会副理事长)撰写的稿件。我审稿后当即指出了杨金城文章的问题所在。但令人难以置信的是,同样的文章竟以“狭义相对论新时空观在现代物理学中的作用和地位”为题几个月后在《大自然探索》1994年第13卷第4期上刊载。我曾給《大自然探索》编辑部去函说明问题的严重性。与大多数缺乏物理思想所谓“科学杂志”一样,《大自然探索》不予置评。

杨金城文章的问题出在先自说自话将将速度矢量(一阶张量)改成以三角函数表示的标量,然后在讨论角度是否大于直角时又不顾物理条件。换言之,当角度大于直角时,第一个模型其中一个关键公式应是相加而不是相减,第二个模型其中一个关键公式应是相减而不是相加。由于他所使用的公式不是矢量或张量形式,因此角度大于直角的条件应当在推导前考虑而不是在推导后考虑;而如果使用的公式是矢量或张量形式,则可不必考虑角度的条件其结果会在导出的公式中自动显现。问题的关键,在于杨金城对于标量,矢量和张量的概念完全模糊。相对论变换因子只有一个,不可能有两个。

接下来便是对许少知一伙错误观点的反驳。许少知(北京),郝建宇(大同),李映华(广州),曲元春(贵州),程稳平(珠海),刘玮颉(广州),程实平(上海),崔继东(山东),张建军(河北),苏钟鳞(福州),杨光京(山东)和李安宝(北京)等12人组织了一个反相对论的小集团,在2000730日发表“致全世界负责任的科学工作者的公开信”,声称相对论中的(1)“同时性的相对性”是“伪命题”,(2)“光速不变原理”是“不能成立的”,(3)“Lorentz变换”是“无效数学式”,(4)“等效原理”是“经不起推敲的”,“弯曲时空”是“虚妄概念”,等等。在同一天发布的“会况报道”中,许少知一伙大言不惭地说:“相对论是一个建立在错误的数学基础和虚妄的理论前提上的理论体系,无科学价值,说它‘已获实验验证’是失实的。”

许少知的文章“Lorentz变换之证伪(一)”是北京广播学院(现改名为中国传媒大学)黄志洵于2000827日寄来的。黄志洵附信说:“当然您不会同意他们的说法,知道有这么回事就可以了。”黄志洵出于他四处收集“超光速”证据的需要,凡是反对相对论的文章,凡是宣扬量子力学“非局域性”的文章,他都视若珍宝。我对此很不以为然。为了打消他的错误念头,避免他误入反相对论的歧途,我一收到他寄来的信便花了几个小时对许少知的文章进行了研究。(其他物理学家根本不愿花时间与这些无聊之极的人打交道,对他们的文章看都不愿看就扔进纸篓里去了。)

许少知的错误与崔君达以及杨金城的错误是同一类型的。在许少知的“悖论”中,波矢方向与坐标系运动方向并不一致。在这种情形下,就只能应用“一般型”(张量形式)的Lorentz变换公式,将波矢方向的“尺缩”投影到坐标系运动方向,得到的结果仍与Einstein一致。但许少知连“通用的Lorentz变换公式只是其张量形式的一个极特殊的简化形式”这一点都不知道,反而自以为是,大放阙词说:“爱氏从他想要的(相对论性)4维时空出发,终于钻进了一个1维丝洞世界。何方有此单维世界,任爱氏等绞尽脑汁去吧。”“Lorentz变换??????如今终于真相大白:它原来是个自悖的虚构物,毫无科学价值,除了可作反面教材外。”

由于许少知的错误与崔君达以及杨金城的错误是同一类型的,因而我将批判三者的错误放在一起,写了一篇题为“Lorentz变换真的不堪一击吗?”的文章。此文先寄黄志洵处的的《北京广播学院学报》,愤于该《学报》某编辑说我的文章是“鲁迅笔法”,遂又将此文改寄《武汉工程技术学院学报》。发表时,文题被《武汉工程技术学院学报》的赵国求改为“关于Lorentz变换公式的几种错误理解”(武汉工程技术学院学报,2002143):9-14);文中涉及陈有恒的一句话也被他删除了。后来,黄志洵在他的《超光速研究的理论与实验》(科学出版社,2005)一书中,也不得不承认:“2002年沈惠川发表一篇短文,指出一般书的通用Lorentz变换公式只是其张量形式的一个极特殊的简化形式;此外,一般的通用Lorentz变换公式只是在两坐标之间有相对运动的方向上成立。一些文章作者由于不明白(或未注意到)这两点,抨击Lorentz变换时就发生错误。”他书中所说的“未注意到”这两点的人,其实就是他自己。

许少知在200411月的所谓“香山会议”上看到了我的上述文章,于是气急败坏便在他自己操控(他自封为“科学顾问”)的杂志《发明与创新》上发表了一篇题名为“反对迷信要从科学界做起:与沈惠川先生商榷并致‘主流’科学界”的狗屁洋文(因为文中充满了谩骂)。文中自夸他先前的“Lorentz变换之证伪(一)”是“论证之无懈可击仍力透纸背”(不知人间有“羞耻”二字);继而对《武汉工程技术学院学报》中的印刷错误和编辑规则进行don Quijote式的狂轰滥炸(又能说明什么);然后是一通歪理。全文以谩骂开始,以谩骂结束。2005414日,一个自称为“旁观者兼建议者”的人,将这篇奇文寄了给我,并说:“建议沈教授与许先生在《发明与创新》上零距离交锋。别学何祚庥等假大空‘专家’专玩空手道,背后使小动作,旁敲侧击,只会咬耳朵(像泰森)。你毕竟是真搞具体学术的。”我收信后报之一笑。

类似陈有恒和许少知一伙的反相对论者在国内还有几个人,如:李英杰(《相对绝对论》,对外贸易出版社,1987,自费印刷),陈叔愚(《物理空间》,中国铁道出版社,1987,自费印刷),郑铨(《近代物理学问题:相对论质疑》,学术书刊出版社,1990,自费印刷),许少雄(《现代时空论》,广东科技出版社,1994,自费印刷),邵檬(《宇宙斥力假说》,自费印刷),马国梁(《再论狭义相对论的基本原理》,自费印刷)等人。这些人大多是一些未经过专业训练的年轻人,有些还是中学生。我没有工夫与他们纠缠,也只能一笑置之。他们的错误,有些与杨金城相仿,有些根本是在胡思乱想,胡说八道。

黄志洵先生干劲很大,将所有能“证明”光速“可变”的文章全收罗过来,不管“有理”无理;像许少知这种乱七八糟的文章就是他寄来的;为了证明光速可变的理论根据即量子力学的“非局域性”的可信性(其实他对相对论和量子力学基础理论都不甚了了),他甚至污蔑Einstein在推荐Nobel物理学奖获得者名单时故意打压,“矮化”属于Copenhagen学派的HeisenbergPauli等人。我认为他此举已走火入魔。我与他讨论相对论问题的基本观点,有些已反映在他的书中(《超光速研究》,科学出版社,1999;《超光速研究新进展》,国防工业出版社,2002),另一些虽然在他的书中未提到出处,也仍是我的观点。只不过在他的书中,我是作为“反面角色”出现的罢了。

我自1982年起就对温度的相对论变换公式产生兴趣;当时与身在厦门大学的叶壬癸先生通过两三封信。他寄来了他的两篇文章(“狭义相对论中温度变换的争论”,厦门大学学报自然科学版,1982

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