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1、相对论时空观质疑谭 强（广西南宁市一点通教育咨询中心）摘要：狭义相对论内部存在深刻的逻辑矛盾，其理论与实验存在明显的冲突。本文试图找出产生矛盾的原因，提出解决问题的方案，力图使修改后的科学理论与实验相一致、逻辑自洽、更加完善。关键词：双生子悖论；长度收缩悖论；因果律；绝对空间；优先坐标系；绝对静止；延迟测量引言量子力学和狭义相对论（以下简称相对论），是物理学乃至整个自然科学的两大支柱。“尺缩”和“钟慢”效应是相对论中最核心的两个结论，但是，从相对论诞生起，“尺缩钟慢”就遇到了明显的重大逻辑困难，陷入了自相矛盾的境地，甚至理论与实验发生了剧烈冲突。相对论的所有悖论都是由于它的时空矛盾引起的。首先
2、，让我们了解由“相对空间”引起的逻辑矛盾。1、长度收缩悖论如下图所示，撑杆运动员有一根L0=10m长的杆，农民有一仓库d0=9m长。双方打赌，农民说：“你只要以u =0.6c的速度奔跑，杆的长度收缩为 （1）小于9m，仓库能装进你的杆，我来得及关门”。运动员说：“运动的仓库长度收缩为（2）小于10m，门关不上”。请问，谁能赢得打赌？某大学教科书解法如下【1】：取杆AB的前端（B）到达门（C）的时刻为t=t=0。农民在静止系S观测：运动杆的长度收缩为9（m） （3）杆前端B碰到仓库后壁D（称为事件甲）时，B的坐标为X1=9m，时间为t1，则：X1=ut1即9=0.6ct1（4）杆后端A到达仓库门
3、C（称为事件乙）时，B的坐标为X2=8m，时间为t2，则：X2=ut2即8=0.6ct2（5）由于t2t1，说明“事件乙发生在先，事件甲发生在后”。仓库能装进杆，农民来得及关门。运动员在运动系S观测：运动的仓库长度收缩为10（m） （6）杆前端B碰到仓库的后壁D时，B的坐标为X1=-7.2米，时间为t1，则：X1=ut1，即-7.2=-0.6ct1，（7）杆后端A到达仓库门C时，A的坐标为X2=-10m，时间为t2，则：X2=ut2，即-10=-0.6ct2，（8）图1 （仓库装杆图示）由于t1 t2，说明“事件甲发生在先，事件乙发生在后”。设发生在B的事情（B碰D）的时刻为t1，该事情通过光
4、信号传播到A的时刻为t3，则t=t3-t1，BA=ct=t3-t1将BA=10m和代入上式得：（9）t2 t3，说明“事件乙发生在先，事件甲发生在后”。结论：农民在S系观测的结果，与运动员在S系观测结果一致，不出现矛盾，仓库能装杆，农民来得及关门。农民赢得打赌。以上解题过程有明显错误：（1）在S系观测，虽然主观上运动员看到“仓库后壁D碰杆前端B”事件的光信号晚于“仓库前门C碰杆后端A”，但客观上是“D碰B”早于“C碰A”；（2）如果在S系的B处设立一个观测者，他看到的仍然是“事件乙发生在先，事件甲发生在后”。正确的观测地点应该选择在AB的中点，这样，同时发生在A、B两处的事件，将同时传播到观测
5、者处。（3）运动员认为杆比仓库长，杆的后端（A）进门（C）发生在前，前端（B）碰到仓库后壁（D）发生在后。请问，当杆后端进门那一刻，杆的前端在哪里？只能得到“杆的前端在仓库外左端”的结论即杆的后端先进门、前端后进门，这是违反事件发生因果律的“时间倒流”行为。一切事物都是运动发展着的，事物发展有一定的因果关系，通过物质运动的联系，作为原因的第一事件导致作为结果的第二事件，这种时间顺序的因果关系凌驾于一切科学之上，是绝对的，不依赖参考系而转移。时间概念就是从事物发展中抽象出来的，正确的时空观必须反映事物发展的绝对因果性。如果对“时间倒流不可能”这一基本逻辑不具有坚定的信念，就无法建立任何科学定律。
6、有学者举“火车进站” 的例子2，认为“由于地面和火车观测者的同时性不同，前者认为火车可以同时装进站台，后者认为不可能，两者的观点都是对的”。 甚至认为不能提“到底火车能不能装进站台”的问题。接着又举“汽车钻栅栏”的例子，认为：对于静止长度都是L0的汽车和栅栏来说，当汽车高速运动时（如下图所示），“汽车能钻进栅栏”和“汽车不能钻进栅栏”两个答案都对。图2（汽车栅栏图示）这种不可能同时发生的两个事件叫做互斥（不相容）事件。显然，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！“狭义相对性原理”的含义应正确诠释，不能只强调“数学
7、表达式相同”的形式，而忽视“物理规律相同”的本质。请问：“炸弹在空中飞行的轨迹”算“物理规律”吗？我们知道，对于从匀速飞行的飞机上投掷的炸弹，在飞机上观测炸弹作自由落体运动，轨迹为直线，数学表达式为一次函数；而在地面观测炸弹作平抛运动，轨迹为抛物线，数学表达式为二次函数，两种观测轨迹及其数学表达式都不相同，这种在不同惯性系描述事件的不同主观看法是正常的，但对“炸弹是否击中地面的碉堡”这一事实，两个参照系所得到的客观结果必须一致。这种对宏观事件结果的明确答复，与量子力学中对微观事件结果的几率答复具有本质区别，绝对不能相提并论。以下分析由传统意义上的“相对时间”引起的逻辑矛盾.2、时钟悖论如图3所
8、示，为三只完全相同的钟，它们分别静止在地球、某外星球和宇宙飞船上，外星球距离地球24光年，飞船运动速度恒为u=0.6c，当飞船飞经地球近地上空时，飞船内一男婴（哥哥）降生，地球上另一男婴（弟弟）恰好与飞船婴孩同时降生。弟弟一直在地球上生活并保持低速运动。双方约定，当飞船飞经外星球上空时，立刻向地球发送速度为无穷大信号（假想），报告哥哥的年龄。问：哥哥和弟弟谁更年轻？选地球为静止系S，飞船为运动系S。在S系观测，当飞船飞经外星球上空时，地球上经历的时间为t=24/0.6=40（年）（10）飞船上的钟走时较慢，经历的时间为 （11）即地球上认为哥哥40岁，弟弟32岁。图3（双生子悖论图示）在S系观
9、测，当飞船飞经外星球上空时，哥哥32岁。弟弟跟随地球以速度u=-0.6c匀速运动，经历的时间为 （12）即飞船上认为弟弟只有25.6岁, 弟弟比哥哥年轻6.4岁。这两种矛盾观点争论长达60多年，成为相对论最大的佯缪。以下介绍3种相对论解法，方法各不相同，结果也不一样。在前3种解法中，在地球的观测结果相同（哥哥40岁，弟弟32岁），不一样的是在飞船的观测结果。2.1解法一3在S系（飞船）观测，“t=0时S系看C2指向”这件事，在S系的坐标为x=L（24光年），t=，由洛伦兹变换（13）得到（14）飞船经过外星球时，在S系看到外星钟C2指向40年，但由于 C2是从=14.4年开始的，S系看到C2所
10、经过的时间间隔为40-14.4=25.6（年）， 结果是，飞船上认为哥哥32岁，弟弟25.6岁，弟弟比哥哥年轻6.4岁。这与地球上的观测结果不同。此外，以上解法有明显错误：（1）“t=0时S系看C2指向”这件事，在S系的坐标为x=L（24光年），t=，t=0，而不是t=，t=0；（2）飞船经过外星球时，在S系（飞船）看到外星钟C2指向32年而不是40年，看到“外星钟C2指向40年”的是在S系（地球）的观测结果。就算解法1没有错误，其结果也与在地球的观测结果矛盾。2.2解法二解法2将“双生子佯悖论”的故事改为双程飞行：飞船瞬间加速达到u=0.6c后匀速运动，减速抵达外星球后，瞬间加速达到u=0.
11、6c返往地球，临近再减速登陆。忽略有加速度的短暂时间。在计算单程飞行时，解法2照搬错误的解法1，得到：在S系看到单程飞行25.6年，双程飞行51.2年，但飞船返回瞬间地球钟快了28.8年。地球钟经历的时间为51.2+28.8=80（年）双程飞行时，飞船上认为哥哥64岁，弟弟80岁，哥哥比弟弟年轻16岁。与地球上的观测结果相同，从而认为“双生子悖论”矛盾已经解决4。以上解法有明显错误：（1）与解法1的错误相同；（2）一方面，相对论认为，在飞船上观测，除了飞船在外星球着陆瞬间地球钟静止以外，地球钟均为运动钟，故“运动的地球钟”怎么也不会比“静止的飞船钟”走时快。解法2却认为飞船返回瞬间地球钟快了2
12、8.8年，这是自相矛盾的。另一方面，实验证明，沿圆形轨道高速飞行的子（速度为0.9998c）的寿命增加了50倍，只与子的速度大小有关而与其加速度无关5。所以地球钟瞬间快了28.8年的理论与实验事实冲突。这些矛盾说明，建立在几何图象法基础上的这一物理理论，是不能令人信服的。1971年，美国人Hafele 和Keating等进行的原子钟环球飞行实验证明：除去引力效应外，环球飞行的运动钟的确比地面上静止的钟走慢了6。以上两个实验相当于肯定了“绝对运动”，表明“钟慢”具有绝对效应而不具有相对效应。2.3 解法三双程飞行涉及到加速度问题，根据广义相对论7：在S系看由于飞船加速、减速双程飞行造成的地球钟时
13、间增加为（15）即使这一结论是正确的，但在计算匀速运动双程飞行的时间仍然沿用解法1的错误，得到在S系看匀速双程飞行的时间为t=51.2年。就算以上两步解法都没有错误，其结论（在S系看哥哥、弟弟都80岁）说明“钟慢”具有相对效应的理论，与“钟慢”具有绝对效应的实验结果不符。如果讨论的是孪生三兄弟，弟弟丙留在地球上，哥哥甲和乙分别以相同方式沿着相反的方向飞行一个往返，试问甲和乙谁更年轻呢？如果运动仅仅具有相对性，甲认为乙的鈡是运动的因而走慢了，乙更年轻。反之，乙认为甲的鈡是运动的因而走慢了，甲更年轻。丙则认为甲和乙年纪一样但都比自己更年轻。有学者认为8，在S系看S系的钟慢，在S系看S系的钟慢，这并
14、不矛盾，因为这两个结论是对不同的观测者而言，对任一观测者并不能得出S（S）的钟既慢又快的怪论。甚至认为我们不能提“到底哪一个钟慢”的问题！客观事实要求：对于事件的看法，在不同参照系中可以有不同的描述，但物理本质必须是一致的！只要以相对论的时空观为基础，相对论的悖论就不会得到真正解决！3、相对论矛盾的原因和解决方案相对论时空矛盾的原因，是由于相对论否定“绝对静止”，否定“绝对运动”， 否定“绝对空间”，否定“绝对同时”，肯定“运动只具有相对性”造成的。爱因斯坦在论文“论动体的电动力学”中写到9：“我们可以断定在赤道上的摆轮钟，比起放在两极的一只在性能上完全一样的钟来，在别的条件都相同的情况下，它
15、要走得慢些”， 他还认为10：“至于造成这种收缩的首要因素，我们发现，并不是运动本身，而是对于参考物体的相对运动这一参考物体是在具体实例中适当选定的”。这就表明“运动杆缩短”是观测造成的相对效应。但他并没有将这一正确的时空观念贯彻始终，而是左右摆动、模凌两可，甚至经常采用双重标准。爱因斯坦之所以这样做，我认为至少有如下原因：第一、由于迈克尔逊-莫雷的“光速不变”干涉实验否定了“以太”这种特殊的物质，爱因斯坦误认为实验同时也否定了“绝对静止参照系”（以下简称“静止系”）；第二、受马赫、庞加来等著名物理学家的哲学思想影响，认为宇宙中不存在“静止系”，即使存在，人类也没有能力用任何实验方法发现、找到它，从而坚信绝对运动是不存在的；第三、电磁现象表明：电磁规律只与相对运动有关，从而认为“绝对运动”的物理概念是多余的；第四、狭义相对性原理要求，在所有惯性系中物理规律的数学表达式相同，似乎表明运动只具有相对性。数学只研究概念之间的相互关系，而不考虑它们对于经验
