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时间膨胀理论是世纪大谬误，也是爱因斯坦的画蛇添足之举 ——时间本质与光速的关系之一 时间膨胀理论试验结果分析 摘要 自狭义相对论诞生以来，对于时间膨胀理论，对于验证这个理论的试验，例如环球飞行原子钟试验，飞行μ子寿命延长试验等等，绝大多数科学家都做出了其中的有利解释，往往忽视，或者说无视其中的不利解释。作者通过更为客观合理的试验分析，特别是完美时钟试验分析，得出了一个与现在物理学界公认的时间膨胀理论一个完全不同的结论：时间膨胀理论只是理论推导成立，现实中是一个谬论，是一个伪命题，就如同1×0=0，但是(1÷0)没有数学意义一般。 关键词：时间膨胀理论，完美时钟 1、引言 在时光函数所著科幻小说《银河英雄》——弛宇转第一部第三卷第七十六章《星际探宝》中，主人公秦弛与一位特殊生命体迪莉有一段关于运动速度与时间膨胀的对话。 ……“大哥哥，你们家乡一定有着关于速度愈大，时间将延迟膨胀的物理理论吧？”迪莉笑嘻嘻地问道。 “不错！”秦弛回答了一句，脸上很是困惑，“难道不是吗？” “相对时间的膨胀理论实际上不存在，那是因为你们受到了数学理论的误导。”迪莉回答道。 秦弛很是好奇问道：“误导？那为什么运动的时钟会变慢呢？” “在你们所谓的时间延迟科学实验中，你们计时器有着这样或那样的延迟现象，最主要的原因就在于你们的时间计时仪器太落后，没有剔除运动质量的增加以及空间尺度的缩短对时间计时工具本身产生的影响。” “在粒子加速试验中，粒子寿命延长又怎么解释呢？”秦弛再次问道。 “在你们的粒子加速实验中，你们只见到了粒子寿命的延长，而忽略了粒子运动质量的增加以及粒子空间尺度的缩小对于粒子本身特性产生的影响。一旦粒子运动起来，此粒子已非彼粒子。”…… 小说中那位小姑娘是胡言乱语，还是确有其事，我们可以通过一系列有关时间膨胀理论试验分析得出具体的结果。 2、时间的定义和公理 时间是物理学中的七个基本物理量之一，符号 时间公理设定：无论时间是否会膨胀或者压缩，时间总是各向同性的。[注解‚] 这个公理的意思就是，时间不会在一个方向上走得快，而在另外一个方向走得慢。 3、相对论中的时间观念、公式和光速 3.1 相对时间公式：
3.2 相对长度公式
3.3 相对质量公式
这条公式是经过无数实验检验过的，是客观真实可靠的，在此不做赘述。 3.4 相对速度合成公式： 两物体速度是 3.5 质能方程： 质量和能量本质相同。这是狭义相对论的经典推论，也是经过实验检验过的，在此也不做赘述。 3.6 光速 在相对论中，光速c是恒定的，不变的，在任何情况下都是299792458米/秒。也就是： 光速恒定不变是各种实验检验过的，是经得起考验的，在此也不做赘述。 4、质量空间尺度变化对计时影响的实验分析 在一系列实验之中，我们假设公式（1）、（2）、（3）、（5）都成立为前提。不过，在百年的历史上，这四大公式中只有公式（5）和公式（3）得到实验确实认证的，因此，本节“质量空间尺度变化对计时影响的实验分析”主要侧重于研究质量改变对时间的影响。 在原子钟出现以前，我们地球人最初用的是沙漏计时，然后是摆钟或者是钟表，为了验证质量空间尺度的影响大小，我们就先做一些最原始的时钟实验——沙漏计时和摆钟。 在做试验之前，我们先设定两个参照物。一个是静止的地球，另外一个则是被“上帝”出手加速到约0.8660254038倍光速的地球，运动方向与南北极方向平行，我们称这个地球为亚光速地球。这样一来，将 得到的结果约等于0.5，取值为0.5。 4.1 沙漏计时实验。 静止的地球半径为 不考虑空气的阻力和摩擦力，对沙漏计时影响最大的就是重力g，也就是时间流速t正比于g，即t∝g。 4.1.1 放置在南极的沙漏b 根据公式（3），可以得出亚光速地球质量 根据公式（2），得出运动方向的地球半径缩减为静止状态的0.5倍，也就是一半，即 代入万有引力公式： 得到南极的重力g=8go 由于t∝g。，因此t1=8to，意味着静止地球上的沙漏a完成1次计时，亚光速地球南极上的沙漏b就能完成8次计时；如果相对论时间存在，也就是公式（1）成立，时间将膨胀到静止状态的2倍，那么t1依然是to的4倍，即t1=4to。 可以看出，在这个实验中，即便是时间膨胀成立，但参照系的质量和空间尺度的变化远远超过时间膨胀对计时器的变化影响。 4.1.2 放置在赤道上的沙漏c 放置在赤道的沙漏由于地球半径不变，只需要考虑地球质量的增加，如果相对论时间存在的话，to=t2。也就是说，静止地球上的沙漏a同亚光速地球上摆放在赤道上的沙漏c计时完全一样。 如果相对论时间不存在，那么t2=2to，也就是说，静止地球上沙漏a完成一次计时，亚光速地球赤道上的沙漏c可以完成2倍的计时。 实验4.1.1，4.1.2表明，参照系质量的变化对计时器的影响极大，即便时间膨胀理论成立，也是无法用沙漏这样的仪器来验证的。 为了提升计时的精度，这次我们就试用摆钟。 4.2 摆钟实验 同实验4.1一样，在静止的地球上放置一个摆钟a，时间流速设为to,钟摆周期为To；在亚光速地球上设定两个摆钟，一个摆钟b放在南极，钟摆周期为T1,另外一个摆钟c则是放在赤道上，钟摆周期设为T2。 钟摆周期公式： 4.2.1 放在南极的摆钟b 根据公式（3），可以得出亚光速地球质量 根据公式（2），得出运动方向的地球半径r缩减为静止状态的0.5倍，也就是一半，也就是r=0.5ro。 根据公式（2），得出南极钟摆的摆臂长度 根据公式（7），可以获取南极方向的重力g是静止地球的8倍， 即：g=8go 代入公式（8），得出4T1=To 如果相对时间成立，那么2T1=To 也就是说，静止地球上的摆钟计时1分钟，亚光速地球上南极摆放的摆钟已经计时2分钟。 以上情况表明，参照系质量空间尺度的变化远远超过时间膨胀对计时器的影响。 4.2.2 放在赤道的摆钟c 赤道上的地球半径不变，摆钟c的摆臂不变，也就是空间尺度不变，因此只需考虑亚光速地球质量的改变。 由公式（3）、（7）、（8）可以得出： 如果时间不膨胀，那么摆钟c走一分钟，静止地球上的钟摆a才走42.426秒，也就是说，地球上的摆钟应该慢一些。 如果相对论时间有效，那么T2= 两个钟的结果刚好倒过来。 由以上实验4.2可以看出，由于空间尺度、质量的改变，时间膨胀理论也难以验证，因此，我们需要再次提升计时器的精度。这次，我们就采用原子钟作为验证时间膨胀理论的工具。 4.3 原子钟实验 在进行原子钟实验之前，我们先了结一下原子钟的工作原理。 从时间定义“铯-133的原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间”中，我们可以看出，原子钟的原理归结到底，还是一个或多个粒子之间的运动记录。为了实验分析的方便，我们特地先设置两个粒子之间的运动关系。这两个粒子可以是原子核与电子，也可以是原子与原子或者其他的具有稳定状态的粒子之间。 4.3.1 电子围绕原子核旋转计时 设定原子核a与电子b两个粒子形成一个稳定参照系，质量分别为 库仑力公式： 离心力公式： 计时周期公式： 假如，粒子a、b作为一个参照系被匀加速到0.8660254038倍光速，方向与粒子a、b组成的运动平面垂直，则式（6）的结果是0.5。 由于是稳定系统，因此电磁力与离心力大小相等，也就是 因此得到： 其中速度 将（12）式解开，得到： 根据公式（3），可以得出亚光速电子b质量 将（14）式带入（11）式，得到： 其中T为运动参照系中电子环绕原子核的周期。 以上结果表明，当a、b粒子组成的参照系被匀加速到0.8660254038倍光速时，即便时间膨胀不成立，即便是质量的改变也会让这种方式计时的原子钟变慢，较静止状态慢上 推而广之，当原子核与电子形成的参照系依照速度 如果时间膨胀成立，以这种方式计时的原子钟将比静止状态慢上 以上实验分析也可以推广到多个原子核和多个电子，或者由库仑力推广到整个电磁力。 接下来，我们要分析一个粒子自旋发出信号作为计时凭证的实验。 4.3.2 粒子自旋计时。 假设粒子a质量为 角动量守恒公式： 角速度公式： 当粒子a被匀加速到0.8660254038倍光速，方向与粒子运动轴心方向平行，则式（6）的结果是0.5。 根据公式（3），可以得出亚光速粒子a质量 其中 将以上结果带入（16）式，得到： 其中T为亚光速粒子a的自旋周期。 推而广之，当粒子a以速度 如果运动时间膨胀存在，那么还将减慢为 在现实中，原子钟的计时原理还有不少，但大体状况与以上两种没有本质的区别，在此就不一一赘述了。 4.3.3 环球飞行原子钟速率减慢实验分析 1971年，美国华盛顿大学的哈费勒(J.C.Hafele)和美国海军天文台的理查德·基廷(Richard Keating)两位物理学家作了环球旅行，并且测量了飞机上的4座原子钟。得出的结果如下表所示： 表一：环球航行原子钟试验结果与理论预言的比较
通过以上结果，科学家们说，证实捕捉到了时间的伸缩性。 不过，结合本章原子钟实验4.3.1、4.3.2的试验结果分析，我们可以得出这么一些浅显的结论。 a、实验的结果误差太大，揭示验证物理原理有限，不过可以很确切的说：运动速度快的原子钟跑得慢。这个实验验证了狭义相对论部分理论的正确。 b、科学家们剔除了引力效应，但却没有剔除原子钟本身质量甚至空间尺度的改变对计时的影响，这显得有些不够谨慎； c、本实验结果误差太大，唯一能说明的问题是：运动中，对原子钟影响因素太多，无法准确验证到底是质量、空间尺度的改变造成计时延迟，还是时间本身的“膨胀”造成的结果，或者是引力磁场干扰造成的结果。 显然易见，为了验证《狭义相对论》中时间膨胀效应，我们需要更加有力的计时工具。 现在，我们即将分析《狭义相对论》时间膨胀理论的天王山“铁证”：飞行μ子寿命增长实验。 4.4 飞行μ子寿命增长实验分析 μ子是自然界的基本粒子之一，地球上的生物每时每刻都受到μ子的照射。后来，物理学家通过各种不同的方法对其进行了探测，得到其基本寿命为：（2,197.03±0.04）纳秒。 宇宙射线在进入高层大气时与大气发生反应，产生大量的π介子。π介子寿命很短，会很快衰变为μ子。由于μ子不参与强相互作用，只能通过弱相互作用衰变，因此它在大气中具有较强的穿透力。 经过一系列观察试验，人们发现μ子的“寿命”结果很好符合了公式（1），例如，以地球参考系进行测量，当μ子以接近光速（0.998c）运动时，测得其平均寿命为34,000纳秒，是静止寿命的16倍。因此，飞行μ子寿命增长实验成为《狭义相对论》时间膨胀理论的天王山“铁证”。 在探讨飞行μ子寿命增长实验分析之前，我们先探讨粒子衰变的实质。 粒子的衰变实质上是粒子内部分裂的结果。对于飞行μ子，大致有两种情形出现：一种是分裂力量 当然，粒子内部还有其他的衰变方式，不过，所有衰变都只能以粒子内部的运动作为前提。 那么，以下将对这两种具有代表性的衰变状况进行分析。 4.4.1 超越临界速度，逃逸衰变 设静止状态的粒子a有分裂趋势，预期分裂出去的b部分占取这个粒子的质量非常小，b的质量为 依照牛顿第二定律，公式： 得到： 由于从静止加速到临界逃逸速度 所以a粒子衰变时间为： 由式（18）中可以看出，衰变时间同b部分的质量成正比。 当粒子a加速到速度 得出运动状态时，粒子a衰变时间 也就是说，即便不存在时间膨胀效应，质量的改变也会让粒子a的衰变时间自动延迟，同时间膨胀效果完全一致。 当时间膨胀成立之时，粒子a衰变时间为：
从（19）式可以看出，如果飞行μ子以这种方式衰变，以接近光速（0.998c）运动时，如果时间膨胀理论成立，理论数据就不是16倍寿命，而是16×16=256倍寿命。显然，实际测量与理论数据存在巨大“误差”。 4.4.2 超越临界温度内部崩裂 设静止状态α粒子内部有逸散能量，功率恒定是P,预期分裂成a、b两个部分，功率热转换系数为k，分裂质量分别为 根据热力学第一定律，也就是能量守恒定律： 因此，各数据之间存在以下关系：
即 观察（20）式，可以发现，在 假定将静止状态α粒子加速到v，此时的a、b的质量为 根据公式（3）可得： 即 将以上等式（21）代入（20），得到： 从以上等式可以发现，在没有时间膨胀的情形下，粒子质量的改变导致这种情形下的粒子衰变时间延迟，而且同相对论时间膨胀结果几乎完美一致。 通过以上4.4.1、4.4.2试验分析，如果相对论时间膨胀存在，飞行μ子也以这种方式衰变，那么飞行μ子寿命增长不是 飞行μ子寿命增长实验分析表明，导致飞行μ子寿命增长的因素可能有两个，一个是质量的改变，另外一个可能的影响是时间流速变慢效应，也就是所谓的时间膨胀造成的结果。不过，造成飞行μ子寿命增长的客观原因到底是质量的改变导致，还是两个因素都有，我们还需要进一步实验分析。 5、完美计时工具 为了再次验证时间膨胀理论，我们需要一种完美的计时工具。从以上实验，我们可以得出这么一个结论，这种完美计时工具需要同时满足以下两个条件： a、作为计时介质的质量不能受到运动速度的影响； b、作为计时介质的空间尺度不能受到运动的影响。 这样的时钟，我们可以将它称为完美时钟。 那么，世上有没有完美时钟呢？在这个世上，我们还是能够找寻到这种完美时钟的，那就是完美光子钟。 6、完美的光子钟与完美的时间定义 我们可以设计一个一米长的圆柱体封闭空间，其中一端设置一个激光发射器，两端都能实现完美反射，然后再设置一个完美的接收器。那么发射一道激光束，激光束在圆柱体中每一次来回意味着2/299792458秒，这个速度也是恒定的，也就是说，一秒钟完成149896229个来回，如此以来就成为最为理想的时钟——完美光子钟。 与此同时，为了在高速运动物体上更好的计时，我们可以调整完美光子钟两接收端的距离以及激光的发射角度，保证激光在光子钟往返一次的距离是2米，而且保证激光在光子钟内实现完美反射并且不会“跑出”光子钟。 有了完美时钟，我们就可以进行完美的时间定义：光子在一米空间内完成149896229个来回的持续时间为一秒钟。 如此一来，我们这个时间定义应该比1967年召开的第13届国际度量衡大会对秒的定义，“铯-133的原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间”还要精确简单得多，而且不用考虑温度变化以及是否有磁场影响。 为了读者们方便理解，光速就取近似值30万公里/秒。如此一来，一秒钟内，激光束将在完美光子钟内走上1.5亿个来回。 7、完美光子钟实验及实验结果分析 为了让大家更好理解以后的试验，在此将以往验证时间膨胀理论的“经典光子钟”试验选取一例。 7.1 验证时间膨胀的“经典光子钟”试验 在以往的光子钟试验中，都是观察者站在地球上观察飞船上的光子钟。例如，一人假设怀抱光子钟在地面，一人怀抱光子钟乘上飞船。但是，地面的观察者拥有“超能力”能看到飞船上你怀里所抱着的光子钟。如图（1）所示：
图1：经典光子钟试验 Fig.1.Classic photon clock test 如上图（1）所示，地面上的观察者看到的宇宙飞船上的光子飞行路线比地面上的要长。 整个实验，实验者是这么描述的。 “……当我手上的光子钟来回折腾时，你的飞船就会从A位置飞到B位置，那么我将会看到你手上那个光子钟里面的光子走过的是一条斜线。这是显而易见的，如果光子飞行的路径在我眼里不是斜线的话，光子必定飞到光子钟外面去了。现在我们运用光速恒定不变的原理来看一下，因为宇宙飞船上的光子飞行的路线比我手里光子的更长了，那么也就意味着，当我手里的光子钟‘滴答’一次的时候，飞船上的光子钟还来不及滴答一次叻……”[注解③] 在笔者看来，这个试验存在三处明显的错误。 第一，在明知光速恒定的情形下，试验者凭借自己的观察而臆测飞船上光子的飞行路径，这是不客观的。这就如同再次重复“麦克尔逊—莫雷试验”的“错误”一般。 第二，时钟的变慢并不完全等于时间的变慢，这在笔者前面几个试验中已经做出了相当详尽的分析，在此不赘述。 第三，对于光子钟中光子的运行方向选择，试验者有意选取了对自己貌似有利的方案，并没有采用“挑拨时差”的方式调整光子钟的设置，保证光子能够在时钟内实现完美反射和运作。 因此，我们可以得出这么一个结论，以往光子钟试验是片面的、不严谨的，这需要我们改进这个实验。 7.2 崭新的完美光子钟试验 我们这次使用的是完美光子钟，自然就不用担心光子垂直飞船方向飞行撞击计时的有效性，也不必担心“光子必定飞到光子钟外面去”。而且，我们并不需要站在地球上“臆测”飞船上光子钟的计时，而是直接乘上亚光速飞船观察光子钟的计数，然后返回地球对比查看各个光子钟的计数差别。 我们现在设定地球为静止参照系，上面设置有一个完美光子钟做参照，称作光钟a；有一艘飞船以约0.8660254038 7.2.1 光钟 为了实现完美计时，光钟
由光速不变原理可以得出： 因此， 可以得出： 其中
根据正弦定律，可以获得激光束飞行方向与飞船运动方向的夹角
也就是说，当光钟 将
即当光钟 现在，我们再次回到试验中。 按照时间公理，飞船上的时间流速各向同性。 如此一来，按照狭义相对论时间观，飞船速度越快，时间流速越慢，也就是时间膨胀。将
其中 按照狭义相对论理论，运动方向空间尺度将缩减，将
其中 7.2.2正式试验分析 现在我们开始正式实验，看一看完美光子钟实验结果会不会同狭义相对论推导出的结果相吻合。 由于公式（1）、（2）并没有被实验确实验证过，因此，我们将分为四种情况进行分析。四种情况，也是四种假设分别是：“公式（1）成立（2）不成立”，“公式（1）不成立（2）成立”，“公式（1）（2）同时成立”、“公式（1）（2）同时不成立”。 7.2.2.1 公式（1）成立，公式（2）不成立。 公式（1）成立，意味着时间膨胀成立，而公式（2）不成立，意味着运动方向空间尺度并没有改变。 公式（1）成立，意味着时间膨胀成立，意味着光钟 由于公式（2）不成立，意味着运动方向空间尺度并没有改变，也意味着激光与飞船的平行运行方向的空间尺度 因此第一个假设“ 公式（1）成立，公式（2）不成立”是一个伪命题，是不成立的。 7.2.2.2“公式（1）不成立（2）成立” 公式（1）不成立，意味着时间膨胀不成立，意味着两个完美光钟的显示数值将完全一样。 而公式（2）成立，意味着运动方向空间尺度会出现缩短，也就意味着激光与飞船的平行运行方向的空间尺度 由于光钟 观察公式（23）： 公式中，光速 也因此， 也因此，无论激光与飞船的平行运行方向的空间尺度 因此，第二种假设“公式（1）不成立，公式（2）成立”具有一定可能性。 7.2.2.3 公式（1）（2）同时成立 公式（1）（2）同时成立，意味着时间膨胀成立，运动方向空间尺度会出现缩短。 由于公式（1）成立，因此意味着时间膨胀成立，意味着光钟 而公式（2）成立，意味着运动方向空间尺度会出现缩短，也就意味着激光与飞船的平行运行方向的空间尺度 由于光钟 观察公式（23）： 公式中，光速 也因此，无论激光与飞船的平行运行方向的空间尺度 由于光速 如此一来，我们会发现，这与公式（1）成立产生的结果——时间膨胀理论产生了悖论，实际上是：相对论时间膨胀理论与相对论的基石——光速恒定产生了不可调和的矛盾。而光速恒定理论是经过无数实验所证明正确的、客观的，因此，本次假设：公式（1）（2）同时成立也是一个彻头彻尾的伪命题。 7.2.2.4 公式（1）（2）同时不成立。 由于公式（2）成立是可能的，因此这个结果也只是存在一定可能性。 8、最终结论 沙漏钟摆试验表明：质量的改变以及空间尺度可能的改变对计时器的影响远远大于时间膨胀的影响。 原子钟试验表明：质量的改变以及空间尺度可能的改变对计时器的影响依然不逊于时间膨胀的影响。 环球飞行原子钟速率减慢实验表明：速度快的原子钟走得慢。 飞行μ子寿命增长实验表明，导致飞行μ子寿命增长的因素有两个，一个是质量的改变，另外一个可能的影响是时间流速变慢效应，也就是所谓的时间膨胀造成的结果。 完美光子钟实验表明：狭义相对论时间膨胀理论与狭义相对论的基石——光速恒定不变产生了不可调和的矛盾。而光速恒定不变理论是经过无数实验所证明正确的、客观的，因此，时间膨胀理论是不成立的。 总结以上实验分析，我们可以得出这么一个结论：以往所谓的运动物体时间膨胀寿命延长之类的现象只是运动物体质量或者是运动物体空间尺度可能改变造成的结果，也是导致时间膨胀假象的根源，与时间的真实流速没有半毛钱关系。 总之，时间膨胀理论是百年来人们对狭义相对论认识的谬误，也是爱因斯坦本人的画蛇添足之举。 当然，笔者并不能掩饰在论证过程中的证据不足，特别是对原子钟工作原理、粒子衰变的分析有些简单化了。相信，随着粒子科学研究的深入，对于原子钟工作原理以及粒子衰变的认识将会越来越客观，也越来越会明白时间膨胀理论只是一个理论的推导，现实中是一个谬论，是一个伪命题，就如同1×0=0，但是(1÷0)没有数学意义一般。 附录： [注解]来自百度“时间” [注解‚]摘自《后相对论》张长太著，中国水利水电出版社，2011年11月出版，P102 [注解③]摘自《时间的形状——相对论史话》,汪洁著，北京新星出版社，2013年6月出版，P78、79 参考目录： [1]2011[《后相对论》张长太著，中国水利水电出版社，2011年11月出版] [2]2008[《狭义相对论》刘辽 费保俊 张允中 编著，科学出版社，2008年7月] [3]2006[《时空与相对论》主编李颂，主审方靖淮，西安电子科技大学出版社，2015年6月1日] [4]2013[《时间的形状——相对论史话》,汪洁著，北京新星出版社，2013年6月出版，]
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