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狭义相对论两条基本假设是互相矛盾的-科学网

2017-08-12  物理网文

张崇安

1887年,精确、可靠的迈克尔逊-莫雷实验测定地球在以太中漂移速度时得出零的结果给传统麦克斯韦理论当头一棒。1905年爱因斯坦发表“论动体的电动力学”一文,写到:“对力学方程成立的所有坐标系,电动力学和光学方程也应成立……,下面我们用了这些假设,同时引出另一假设,一个初看起来与上一假设不相容的假设:光在真空中以速度c传播,其值与发光物体的运动性质无关”。这一简单的叙述,包含爱因斯坦建立狭义相对论的两条基本假设,归结如下:

1) 物理学定律在所有惯性系中具有不变的形式。

2) 自由空间中,光传播速度具有相同的数值,与惯性系的运动速度无关,因而与光源速度无关。

在这两条假设基础上,为解释迈克尔逊-莫雷实验,爱因斯坦寻找第三条道路。他首先采用了劳仑兹变换,因这一变换含有一常量的光速;他还察觉,时间和空间抽象且历史上少有人定性,于是采取对时空下手策略,他的方法是:据劳仑兹变换把时间和空间随速度缩伸,这就很好解释了迈克尔逊-莫雷实验,狭义相对论也由此诞生了。

两条基本的假设,一条充分显示了简单优美、另一条则是“实验的结果”,让人“感到”基础坚实。

其实,换一个角度看,这种做法充满冒险:常识告诉我们,时空容万物运动,是两个非常基本的量。一般地,是定义了时空后才能定义速度。然而,狭义相对论相反,为保持光速不变,把广而大时间、空间扭曲,这种不顾大小主次的做法本身潜伏了隐患。

经典力学体系的速度服从迭加原理,即速度服从伽利略变换。但狭义相对论的“光速不变假设”阐明光速不服从伽利略变换,两条假设初一看就是矛盾的,这点爱因斯坦察觉,许多物理学家亦察觉。可还是沿用下来。什么原因?原来,人们并没有深入去追究相对性原理的起因及“光速各向同性、与源速无关的”实质;另近百年的光速测定值为一恒值亦起到一种迷惑性。有必要对两条假设做认真的分析。

一、相对性原理是牛顿绝对空间下的产物

经典物理学以伽利略和牛顿为始,有两个代表性的观点是惯性原理和绝对空间。牛顿在《自然哲学之数学原理》一书的首要篇幅定义绝对空间(牛顿深知,不定义绝对空间,三大力学定律等都无从谈起)为:“与任何外界无关、永远保持相同和不动” [1],--这一简单和优美的陈述后人不深入理解而轻易抛弃!事实上,牛顿对空间的定义至少包含了以下几点:1)空间处处均匀同一,广而无界;2)空间永远保持静止;3)空间与实物不相互作用性和不相互转换。“无”是最好、最彻底的均匀,如果我们把容万物运动的空间看作是绝对的真空(这里的真空是一切皆无,有别于量子力学充满虚粒子涨落的“真空”),则可认为空间自身是一切皆无的,这要求空间自身不含有杂质,或换句话说:空间中不含有受力而不运动的杂质(则复杂的世界解释为:与空间还并存着一类受力必运动的实物,二者构成我们的整个世界)。绝对空间观可以推出许多物理观念:首先,牛顿三大定律源于此(此点读者可自己深入去理解);其次,伽利略变换、一切守恒定律亦源于此。以伽利略变换为例:此变换属一种严格的惯性系间的变换,则何为惯性系?只有参照系在绝对空间中匀速运动、且与空间之间不相作用不相转换,惯性系才能成物理上的实在而非数学的抽象;由于空间均匀同一,无此处、彼出之分、与惯性系间无任何力的作用,才有惯性系间简单、严格的伽利略变换,故伽利略变换就是绝对空间下的产物。

既然空间自身空而无物、处处均匀同一、与实物不相作用、不相转换,才有不同速度做匀速运动的惯性系之等价,这样各惯性系中的力学定律具有相同的形式,--这就是相对性原理。故相对性原理亦是绝对空间下的产物。

二、经典电磁场理论有悖于相对性原理

爱因斯坦在他的第一条假设中,把电动力学和光学方程归于服从相对性原理,这正是一种革命性的观点。因为正统的麦克斯韦理论是不服从相对性原理的。

麦克斯韦理论协调于库仑定律,其实质是承认一种充满空间的以太在自然界中存在,只不过,在惠更斯时代的光以太在麦克斯韦理论中变成了“电磁以太”或“场”,场的实质是现代物理学未解决的问题(由于相对论、量子力学的不完善,场的实质也不可能得到真正解决),但起码有一点是:场不存在伽利略变换,这实际上是说:场无限广延,不可能在绝对空间中整体运动,即没有一个独立于场的惯性系存在。麦克斯韦虽然在实验上没有找到电磁以太(他的“位移电流”也是假想的),但他深信电磁以太存在,他自己曾提出过以太结构的力学模型,他的方程组也完全是以太模式下的。

承认以太是一个什么样的概念?我们知道,在空气中是不存在惯性参照系的,即使要验证物理定律,也通常在真空状态下。其实,以太也是这样,由于它传递各种光振,且与各种各样的物体相作用、排挤,因此以太空间必然是不均匀的,则在此空间中不可能存在惯性参照系,伽利略变换、相对性原理皆不存在。因此,承认经典电磁论等于承认以太,等于否定了相对性原理。

爱因斯坦在其第一条假设中既然承认电动力学和光学方程服从相对性原理,等于要对经典电磁论革新。事实上,当把电磁波看作是规则间隔的光子群时,在否认独立于光源的以太下,也能导出一种能量此起彼伏的波,这时,由于光子服从惯性原理,电磁场方程服从相对性原理,于是涉及电磁的方程会有所改化。然而,我们没有看到这种改化。相反,继续沿用了麦克斯韦理论必然推论的光速的各向同性和光速与源速无关原理。

三、两种不同的光速不变

光速不变其实有两种,并分别对应着不同的光本,混淆了这两种也容易走入歧途。一种是光相对于源之速的不变,对应着光本粒子论;另一种是光与源速及参照系的选择无关的不变,对应着光本波动论。前一种明显的比方是:特定机枪发射特定的子弹,则不论参照系是何速度,只要是惯性的,子弹相对于枪的速度恒定;后一种明显的比方是空气中传播的音速,这个速度仅与空气介质的密度、弹性模量有关,与振源速度、参照系的选择无关。比如我们即使拿上铃铛飞奔,铃声的传播速度依然各向同性为331m/(指标准状况下)。第一种光速不变源于基本粒子的统一性,无须介质,可称发射论光速不变;第二种光速不变必须有介质,可称为介质论光速不变。十八世纪杨氏干涉出现以后,光的波动观占了上风,之后麦克斯韦把光的波动观上升为理论:认为真空中充满电磁以太,光是一种介质波,光速类似于音速,与源速无关。由于前一种光速不变少有人论述,故通常所说的光速不变是指后一种,狭义相对论的光速不变亦属于后一种。

十九-二十世纪,人类上百次的测定光速,发现光速是一个定值。需问,这一定值支持了那一种光速不变?迈克尔逊-莫雷实验原本测定地球在以太中的漂移速度,属于后一种光速不变范畴之中,但这一个实验失败了,或者说,等于宣布以太理论失败。那么,这一实验支持发射论光速不变?只要我们把长度和光速都进行伽利略变换,即能非常完满的解释这一实验,所以,回答是肯定的。进一步研究发现,把光速进行伽利略变换可以解释几乎所有的涉及光速类实验[2][3]。则过去“支持”相对论的实验实质上是支持发射光本论。

有的人会问:既然光速服从伽利略速度迭加,为什么我们测定光速为一恒值呢?原因是大多数光速测定采用回路法,回路法中恰好抵消光速的伽利略变换,光速的方向性差异亦显示不出,测出的值正是光相对于源的速度,这一定值可轻松从自然微粒子相统一的方面去寻找解释。

四、狭义相对论光速不变等于承认以太否定了绝对空间

物理观念不同于数学,数学可以仅有逻辑运算,但物理学必须要有事实根据。有的人说:光速不变是实验事实,是第一原理,无须有其它根据。对光学类实验的重新解释说明,几乎所有的光学实验支持光速伽利略变换而否定光速与源速无关,即使是对光本以太波动论起决定性支持的杨氏干涉实验也可以找到逻辑上畅通的光子群规则发射论解释,无须引进无人能懂的量子力学。因此相对论的光速不变应该有个原因。

声音的传播速度与源速无关且各向同性,原因是传播声音的空气介质与音源是相互独立的实物体、音源非振动的运动与空气的运动没有直接的关系。经典的光波动论把光本看的类似于声音,它不仅肯定了光速各向同性与源速无关,同时肯定了以太。以太是一种独立于光源的光振载体。

是不是承认相对论光速不变必须承认以太?是的。相对论是物理学而不是数学,必须有事实根据。承认相对论光速不变,必须承认一种独立于光源的载体存在,速度才有个着落,这种载体正是以太,否则,光速不变成为无源之水。否定以太,“光波”只得用发射粒子传递,发射的粒子服从惯性原理,其速度在自然真空中是服从伽利略速度迭加,于是相对论光速不变原理必受到破坏。

可见,承认相对论光速不变等于承认了以太,否定了绝对空间,相对论第一条假设失去了存在的根据;反之,承认绝对空间,必须否认以太,则光速服从伽利略变换,不存在光速与源速无关和光速各向同性一说。因此,相对论两条基本假设是互相矛盾的。倘若强把之扭于一起,恐怕只能得出似是而非的结论,相对论至今无人能懂原因就出于此。

五、结语

       相对论和量子力学起源于一元化的西方物理学,作为十九世纪物理学出现裂痕后向二十一世纪过度的数学纽带是有一定意义的,由于人们对绝对空间理解的不彻底,这一个过度也在所难免。但历史的车轮滚滚向前,科学观念会逐步走向完善。中国古代早已有世界由“- -”和“-”组成的观点,内涵是“合二为一”和“一分为二”的,这要比西方哲学灵活的多,我们的世界很可能是由均匀、无界、静止绝对空间和各异、有界、运动的实物粒子组成。这样背景下的物理学坚实,数学可靠。因此可以预言,二十一世纪将会有全新的、符合中国哲理的物理学。

参考文献

[1][]H.S.塞耶《牛顿自然哲学著作选》,上海,上海人民出版社,197419

[2]张元仲《狭义相对论实验基础》,北京,科学出版社,1979.

[3]郑铨《现代物理问题---相对论质疑》,北京,学术出版社,1991


地质出版社出版的《时空理论新探》,其中有这篇文章,还有郝建宇文章《狭义相对论自我否定剖析》,从十来个方面指出了狭义相对论的自相矛盾,可谓批驳之淋漓精致!

http://blog.sciencenet.cn/blog-1821475-984162.html 



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