时空有关问题的若干思考.docx

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1、时空有关问题的若干思考沈卫国内容提要：相对论特别是狭义相对论，是一个唯象理论：既 然用电磁相关的测量测不出光速在各个惯性系中的差别，那 么就定义、认为、规定光速在各个惯性系中都一样,并以此 为出发点，建立整个理论。爱因斯坦的贡献是指出这么做是 可行的，但其理论的缺陷，是无形中堵死了进一步的解释， 也就是为什么会如此（何以至此）。以至事实上由很简单的 假设出发，竟然可以推出很多与直觉不符的结论。毕竟，伽 利略相对性原理才是真正与直觉一致的客观描述才更合理。 把一个唯象理论当成本原的，并且认为进一步的任何解释都 是无意义的，此种类似马赫的实证论思想，应该被看成是阻 碍进一步推动理论提升的绊脚石。毕

2、竟，无理上的“没有测 出”与“不可能被测出”不一样。本文是笔者以往相关文章 中的基本思想的一个补充或再说明，试图对狭义相对论成立 的条件、前提、局限性进行一些探讨，并得出相应的结论。关键词：时空；相对论；狭义相对论；惯性系；基准惯 性系；局域绝对惯性系；光速；距离；时间；同时的相对性;尺缩；钟慢；光钟；基本光振动系统；唯象理论；实证论广州业余学者冯清亮曾经在一个会议上展示其在高铁上 （当时刚刚有）类似迈克尔逊干涉仪的实验摄像。可以明显 地看出随着列车速度的增加，干涉条纹是移动的！我当时问:“如果条纹移动是在列车加速段，这个可以用等效引力场的 广义相对论效应初步解释”。但他明确说，这个移动，只与

3、 列车的速度有关，与其加速度无关。也即是在列车的高速匀 速段，干涉条纹并不会回到初始位置，而是随着列车的减速 以至停止，才会回到初始位置。这只能说明，相对地表静止 的参照系，是具有某种局域绝对惯性系也就是前述基准惯性 系的性质的。我对他提出这个实验很有意义，过去没有这么 快的载体，现在有了，建议有关方面继续这个条件已经具备 了的实验。还有一个人，设计了一个理想实验：在地球的自传方向, 铺设环球闭合光缆，然后在某基准点像两边发射激光。问， 两边的光是同时回到发射点还是有延迟？地球不但有自转， 还有公转，光相对于地表是各向同性的，还是相对公转参照 系是各向同性的，结论是不一样的，而且这个实验如果真

4、的 去做，结果也是唯一的。这个实验当然是很有意义的。它等 于是提出了一个不好回答的问题。狭义相对论，是首先定义各个惯性系中光速不变，然 后推出了惯性系间的尺缩、钟慢效应。但正如很多人指出的 （比如复旦倪光炯），速度的定义（当然包括光速），是距 离和时间之比。那么，距离和时间还没有定义，怎么会有速 度？显然，这在逻辑上是循环定义。所以我认为，显然，与 其先定义光速的恒定性，然后再推出尺缩、钟慢，也就是距 离、时间的变化，还不如先有的尺缩、钟慢效应，然后推出 等效的光速不变。注意，此时这个光速不变，仅仅是等效意 义上的，也就是看成光速不变也无妨，与光速不变等效，但 事实上并不是光速不变，只是测不出

5、这个变化而已。当然这 个“测不出”，指的是在光或电磁效应下的测量。用一个已 经变化了的标准或尺度去测量这个标准、尺度本身的变化， 当然是测不出来的了。就像用一个小孩不断长高的身高为尺 子基准去测量这个小孩的身高的变化，当然是测不出来的。 电磁也就是光效应，也有这个特色。总之，我的意思，不要 因果倒置。所谓“钟”，是某种周期往复振动；而“光钟”， 是光传播的往复振动。相对于一个局域静止基本惯性系（在 其中光的传播速度各向同性），其它的惯性系中的光的“本 原速度（真正的速度）”不可能是各向同性的。但为什么其 等效光速可以视为各向同性呢？实际上，前面也说了，对于 光速在各个惯性系中的变化，不可能用同

6、样变化了的光钟测 出来，这个意义上，考虑了实际的光钟本身的变化，和其欲 测的光传播的变化，等效地，可以认为光速未变。这个“未 变”，实际是“同时、同量地在变”的意思。用小孩的身高 为尺，去测量小孩的身高，能感受到小孩的成长也就是身高 的变化吗？具体说，同样的一个周期性的光传播过程，是决 定很多物理性质的关键、基准。这样的一个基本作用、形态、 过程，在各不同惯性系中，经历是不同的。假设存在一个基 准惯性系，在这个惯性系中，光是真正地各向同性而且等于 单向光速的。那么，在其它惯性系中（非基准惯性系），本 原的光速不是各向同性的，且速度不同。但同样的一个光物 理过程，比如由中心一点同时向四周发射光子

7、，然后反射回 来，在某时刻同时又回到原先发光的中心，这么一个过程， 可以看成是一个基准过程。那么这么一个在基准惯性系中的 基准光的周期振动系统，在其它非基准惯性系中，如果这个 中心发光点是固定在相对基准惯性系运动着的非基准惯性 系中的，那么，光速就不是各向同性的了（相对这个非基准 惯性系而言），对与运动方向相同的方向，光回到中心有延 迟；对横向的光，则不可能再与纵向的光同时回到中心点。 这个通过惯常的计算就可以证实，可参考相关资料。那么， 这个被破坏了的基本光的周期振动如何才能恢复（在这个非 基准惯性系中），到达与基准惯性系相同的效应？只有把这 个在运动的非基准惯性系中的光振动的纵向距离缩短，

8、而振 动时间减慢。而这个减慢、与缩短，当然是相对于基准惯性 系中的测量而言的，这就是通常所说的“在静系看来，动系 中的运动物体的尺缩了、钟慢了”的根本缘由。由于在这个 非基准惯性系中，这个尺缩了、钟慢了的基本光振动系统的 效应与在基准惯性系中同样的光振动系统是等效的，不可分 辨的，于是，如果我们身处于这个非基准惯性系中，就完全 可以认为或定义这个实际是非标准的尺缩、钟慢了的基本光 振动系统为标准的光振动系统，因为这个效应反正也不可分 辨。不可分辨的原因前面反复强调了，就是测量的工具一一 光钟，与其欲测量的光的效应具有同样的变化，因此测不出 这个变化了。同时一个很重要的效应就是，如果我们把这个

9、非基准的惯性系中的基本光振动系统（实际上真实发生了尺 缩了、钟慢了的）看成是一个基准，当然是新的基准，那么, 如果反观原先的真正基准的惯性系中的同样的基本光振动 系统，就可以反倒认为会有等效的、但并不是真正的尺缩、 钟慢。注意，这里的尺缩、钟慢，是用非基准惯性系中的新 定义的标准衡量的，不是原先在基准惯性系中的真正意义的 标准来衡量的。仅仅是一个等效看法而已。因为效果无法分 辨。这里不妨借用一句中国的古诗“不识庐山真面目，只缘 身在此山中“。对于迈克尔逊-莫雷实验，在转动干涉仪时, 为什么观察不到干涉条纹的移动呢？解释可以是在仪器转 动时，作为实验仪器的每一个部分，其分子、原子都是与前 述光的

10、基准振动系统有关的，因此其相对基准惯性系（局域绝对惯性系）的改变（尺缩、钟变等效应）与其所欲测的光 的宏观干涉效应是同步变化的，因此，这个变化是用这种仪 器测不出来的。这个效应，不但是各个惯性系对基准惯性系 有效，可以推出，就是各个惯性系之间也成立。但这个效应 必须明确是基于用电磁也就是光的效应来测量时才有的，不 排除未来可以有其它观测手段，可以区分基准惯性系与其它 惯性系的区别（进而所有惯性系的区别）。实际上，如果只 是考虑思想实验范畴的效应，笔者曾经早就提出了的“测尺 对钟法”（一把巨大的垂直于运动方向的刚性尺子，同时接 触于静系与动系中的个点，以确定或定义同时性），就可以 确定各个惯性系

11、之间的同时性。因为这种对钟法并不依赖于 光的传播。总之，电磁效应，光效应，仍旧是依托于一个具体的、局域 绝对的、也就是基准的惯性系的。我们之所以用通常光的效 应、电磁的效应找不出这个惯性系，是因为在其它惯性系中 光、电磁的传播变化，与这些测量仪器中的原子、分子中的 电磁、光的基准运动方式的改变同步，因此测量不出来罢了。 我不确切知道洛伦兹当年的看法究竟是什么，对这一点他是 不是很明确。但狄拉克曾经说过，最终还是要回到洛伦兹的 观点上来，彭加勒似乎也是这个看法。那么，对狭义相对论究竟怎么评价呢？究竟是对还是错？恐 怕不能如此简单地说。爱因斯坦发现了这种各个惯性系间的 等效性，就是如果重新定义光速

12、，使其在任何惯性系中都是 常数而且各项同性，整个电磁学和电磁效应仍旧成立，这应 该是一个了不起的、出人意料的创见。当然是有助于揭示整 个电磁效应的真谛的。但是，他的这个相对论，其中又有了 绝对论的东西，也就是把光速不变、光速各向同性又绝对化 To也可以说是一种理论上的过度推广。也即是把这种其实 只在某一个局域绝对惯性系中才绝对成立的东西，外推到了 所有惯性系。这样做尽管在理论推导（洛伦兹变换公式）上 是简单而干净利落的，但在其后的解释上，反而是出奇的复 杂，很容易出错且与直观不符。这是相对论如此简单，但又 如此令人难以理解的根本原因。本来速度是由距离和时间定 义出来的一个“二级定义”，结果现在

13、却认定速度（尽管只 是光速）是“第一定义”，而距离、时间反而是由它决定的 “二级定义”，能不使人难以理解吗？由此而来的必然结果 就是，明明是各个惯性系中光速是不同的（各向并不同性）， 却偏说成是相同的、各向同性的，于是，原先光在其中各向 同性的那个惯性系中的光反而不是各向同性的了，这理所当 然地难以理解。但是，如果我们以“虽然本质上是各系不同 的，但其效应是相同的”来理解这一点，就容易多了。否则 就是本末倒置。因此可以认为，爱因斯坦指出了一种“相对” 意义的真理，但又无意中把这个相对真理绝对化，进而得出 不符合实际的结论。或者说，他正确地揭示了某种相对性的 效应，但它仅仅是一种相对性的效应。爱

14、氏没有去揭示这个 可以相对化的本质原因，反而反过来又把这个相对效应绝对 化，说是反正也测不出来，测不出来就无意义，就可以随意 定义，比如同时性这些概念，你用光钟来测光传播有关的同 时性，当然测不出，但这并不等于用其它办法也不可以测出 来，或虽然测不出或不好测，但我们还可以在现有的物理实 验的基础上，给出符合传统物理的一种解释。不能说反正现 在测不出，就怎么定义同时性和光速都可以了，就不承认或 不允许其他人有其它解释了。而这正是狭义相对论武断的地 方。这个意义上，所谓的相对论，其实在另一种意义上，是 一种绝对论，把相对的东西，也就是有条件、有前提才成立 的东西，解释成绝对的了。具体说，就是把相对

15、论的两条基 本公设绝对化了。由此才推出各个惯性系是相对的这个结 论。如果我们回到光速不变是相对的、有条件的、等效意义 上的，那么，各个惯性系之间的关系，就会自然地具有绝对 不同的意义了。我认为，这才是事物的本源，也更好理解， 与已有的物理事实相符合。不像相对论这么别扭。总之，相 对论的相对化的等效效应，需要一个解释，而不是直接把其 作为理论的出发点，公理化的存在。爱因斯坦本质上实际上 就是认为，测不出来，就不存在，就无意义，就无需解释，就以定义或公设代之。而其实即使测不出，也需要或允许解 释。更何况用其它方法还是可以测的。比如无穷的宇宙、天 体，谁能测的出？不是也要解释吗？不能不说，有人批评爱

16、 因斯坦搞唯心论、不可知论。尽管爱因斯坦后来声称自己是 唯物的，但其早年他自己也承认深受马赫的影响，总是有些 不可知论、唯证论的味道在里面。此外，狭义相对论要求一 个彻底空虚的、没有任何物体也就是“以太”的空间概念， 这种空间即使有，也是相对的，有条件前提的，把它绝对化, 空间无一物，是抽象的空间，请问，仅就这一点而言，无论 如何也说不上是唯物论的吧？唯物居然唯出了一个“无一 物”的空虚空间来了？实际上，爱因斯坦后期是承认这一点 的，他否定了空虚空间的看法，说空间中充满了 “场”，这 就不空了嘛，实际上他自己就已经与狭义相对论的假设在做 区割了。可以看成是一种哲学上的“否定之否定”。有一种相当

17、普遍的看法，认为相对论已经被实验所证实。具 体实例就不一一列出了。但实际上，所有这么说的人，你一 眼就可以断定，他对相对论实际上是一知半解的（包括很多 正牌物理学者）。所有用相对论推论可以解释的实验，用其 它理论同样可以解释，甚至解释的更好。也就是，这些实验 都不具有最终判别性。同时，就狭义相对论的基本特点而言, 它在根本上是不可验证的。因为不同惯性系中的两个点，在 空间只有一次汇合的机会，位于这两个点上的实验仪器，只 能校准一次（比如对钟），然后就会永远分离不再回头，试 问，这样的涉及不同惯性系本身的实验，可以最终完成吗？ 只要这两个仪器再一次相会，就只能通过改变惯性系来完成 了，这就涉及加

18、速系、非惯性系的问题了，绝对超出狭义相 对论的立论范畴了。特别应该注意的是，狭义相对论中说涉 及的“尺缩”、“钟慢”、“同时的相对性”等概念，是对 不同惯性系都成立的，而且是“实实在在的”在“缩”、在“慢”，而绝对不像一些人理解、描述的那样仅仅是个类似 多普勒效应的“观测效应”。这是相对论最为“吊诡”和难 以理解的地方。而被现实很多不求甚解的论者所忽略。比如 有两个分处甲乙两个惯性系的观察者a、b, a看b手里的钟 变慢了，而b看a手里的钟也同样变慢了。而且是实实在在 的变慢（由分别固定在两个惯性系上的系列静止钟所测得的 时间），不是光脉冲、光波类似多普勒效应的仅仅由于距离 因为运动而变化所产生的观测性变慢。有人声称相对论早已 被实验所验证。请问，但上面所说的那些狭义相对论中的在 不同惯性系中的、互相的钟的实实在在的变慢效应、尺缩效 应（你看我慢，我看你还慢呢；你看我短，我看你还短呢）， 该如何去用实验验证？