狭义相对论的新探讨

《狭义相对论的新探讨》由会员分享，可在线阅读，更多相关《狭义相对论的新探讨（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、狭义相对论的新探讨狭义相对论的新探讨1905 年，爱因斯坦以狭义相对性原理和光速不变原理为基础，建立了狭义相 对论。这一理论已经成为现代物理学的主要基础之一。然而，最新的实验检验和 理论思维却揭示了相对论体系的一些疑难。这些疑难带有如此根本的性质，以致 作者认为，探索和建立新的时空理论，已是一项紧迫的任务。这里，我们先回顾 狭义相对论遇到的实验上和理论上的一些可能的挑战，然后探索一下建立新时空 理论的可能途径。 一、关于狭义相对性原理一、关于狭义相对性原理狭义相对性原理认为，所有惯性参考系都是完全等价的，不存在一个优越的 特殊的惯性参考系；在一个惯性参考系内部做的任何物理实验都无法发现该惯性惯

2、性 系系相对任何别的惯性系惯性系的运动速度。在现代宇宙学的成就面前，上述论断已经难 以成立。狭义相对性原理和现代宇宙学是完全冲突的。当前比较公认的宇宙学理论，建立在宇宙学原理的基础上，即假设宇宙在空 间上是均匀而且各向同性各向同性的。宇宙可以看作是密度到处都相同的流体，而星系或 星系团就是组成这种流体的质点质点。由于均匀性和各向同性各向同性的要求，这种流体只能 均匀膨胀或均匀收缩。现代宇宙学认为，在宇观范围内，存在着“宇宙标准坐标坐标 系系”，典型星系或星系团在这个坐标系坐标系中是相对静止相对静止的；“宇宙标准坐标系坐标系”是 优越的空间坐标系坐标系，典型星系和宇宙背景辐射对于这个坐标系坐标系

3、均匀和各向同性各向同性； 可以测量地球相对于宇宙标准坐标系坐标系的运动速度。现代宇宙学得到河外星系红移和 27K 宇宙背景辐射等大量观测事实的支持。 宇宙背景辐射是美国科学家彭齐斯和威尔逊于 1965 年发现的。近几年的研究证 实，背景辐射严格地各向同性各向同性的情况只存在于一个惯性系惯性系中，在相对它运动的任 何其他惯性参考系中显示出辐射温度的方向变化。可以认为，宇宙背景辐射是宇 宙标准坐标系坐标系的最好的物质体现。测量从各个方向到达地球的宇宙背景辐射温度 的微小偏离，得到我们的地球穿过这个“宇宙背景”的绝对运动速度大约为 400 公里秒。正是这个速度被称为“新以太漂移”。爱因斯坦在以太问题

4、上也曾犹豫不定。1920 年，他在题为以太和相对性原 理的演讲中说：“根据广义相对论，空间没有以太是不可思议的。实在的，在 这种（空虚的）空间中，不但光不能传播，而且量杆和时钟也不可能存在，因此 也就没有物理意义上的空间一时间间隔。因此，在这种意义上说，以太是存 在的。”他甚至说到：“至于这种新以太在未来物理学的世界图像中注定要起的 作用，我们现在还不清楚。”现在，面对宇宙背景辐射等实验事实，许多著名的物理学家都认为应当恢复 以太假设。柏格曼认为，在宇观尺度上，相对性原理被破坏了；宇宙背景辐射只 在一个独一无二的参考系中各向同性各向同性，在这个意义上，那个参考系代表“静止”。韦斯科夫认为，无论

5、如何，观察到的 27K 辐射决定了一个各向同性各向同性的绝对坐标坐标 系系；迈克尔逊和莫雷的梦想变成了现实，即找到了我们太阳系的绝对运动，不过 不是相对于以太，而是相对于光子气。斯塔普认为，27K 背景辐射定义了一个 优越的参考系，利用它可以决定事件发生的绝对顺序。协同学创始人哈肯也认为， 狭义相对论否定了特殊参考系的存在，但是宇宙背景辐射却成了一个绝对的参考 系。罗森甚至认为，宇宙学的最新发现要求回到绝对空间的观念。胡宁认为，在 迈克尔逊实验的零结果和以太模型之间并不存在任何矛盾；在某种意义上，前述 400 公里秒的速度可以看作是迈克尔逊所要测量的地球相对于以太运动的速度。 他认为，宇宙背景

6、辐射各向同性各向同性分布所决定的坐标系坐标系可以看作是真空的静止坐标坐标 系系；相对性原理的适用范围应有一定的限度。最后，我们看一看当代著名物理学家狄拉克对此作出的评论。早在 1970 年， 狄拉克就指出：“以太观念并没有死掉，它不过是一个还未发现有什么用处的观 念，只要基本问题仍未得到解决，必须记住这里还有一种可能性。”他在 1979 年美国普林斯顿纪念爱因斯坦诞生一百周年大会的报告中进一步说到：“可以说， 宇宙背景辐射只对于一个观测者来说是对称的，这个优惠的观测者在某种绝对意 义上是静止的，也许他就对于以太是静止的。这恰恰与爱因斯坦的观点相矛盾。 在某种意义上说，洛伦兹是正确的而爱因斯坦是

7、错误的，因为爱因斯坦说过 的一切，是当时的物理学不可能观测到绝对的零速度。为什么迈克尔逊和莫 雷得到零结果，为什么他们观测不到地球的绝对运动，唯一的解释是他们的技术 不行。今天的技术比约一百年前能达到的水平要高明得多。用现代化的技术，绝 对运动是存在的。”二、关于光速不变原理二、关于光速不变原理狭义相对论的第二个基本假设是光速不变原理，即假定在任何惯性参考系中， 光在真空中的速度都等于常数 c。这个原理是否已经为实验所证实呢？要测量两个分离点 A 和 B 之间的单程光速，就必须确定从点 A 发射的光脉冲 传播到点 B 所通过的距离和所需要的时间间隔。这个时间间隔的测量必须使用两 个分别置于 A

8、 处和 B 处的同步（校准）的时钟。异地时钟的同步（校准）实质上 就是不同地点的同时性问题。我们可以在 tA时刻从点 A 发出一个信号，假设信号 速度为 u，到达点 B 时，B 处的时钟读数为 tB，如果 tB=tA+ABu，可以认为两处 的时钟已经校准。这里出现了一个难题：为了测量单程速度，需要校准不同地点的时钟；而为 了校准不同地点的时钟，又需要知道信号的单程速度。这就是异地时钟校准和单 程速度测量之间的逻辑循环。在狭义相对论的体系中，这个逻辑循环不可避免。 在这一点上，爱因斯坦本人早先也已承认，尽管他后来（1946 年）实际上否定了 这个看法。爱因斯坦是如何解决这个问题的呢？他在 190

9、5 年创立狭义相对论的论文 论动体的电动力学中说：“要是没有进一步的规定，就不可能把 A 处的事件同 B 处的事件在时间上进行比较。只有当我们通过定义，把光从 A 到 B 所需 要的时间规定为等于它从 B 到 A 所需要的时间，我们才能够定义 A 和 B 的公共时间。设在A 时间tA从 A 发出一道光线射向 B，它在B 时间tB 又从 B 被反射向 A，而在A 时间tA回到 A 处。如果 tB-tAtA-tB，那末这两只 钟按照定义是同步的。”这就是说，爱因斯坦是通过约定光速与方向无关，即单 程光速不变来定义不同地点的同时性，来校准异地的时钟。由此可见，“单程光速不变”完全是一种逻辑约定，或者

10、按照爱因斯坦的说 法，它“仅是为了得出同时性定义，我按照我自己的自由意志所能作出的一种规 定。”除非发现并利用超光速信号（超光速信号的存在是违背狭义相对论的）， 仅用电磁学方法是无法测量单程光速的。因此，也不可能检验爱因斯坦的（单程） 光速不变原理。要注意的是，测量从点 O 发出的通过一段回路距离再回到 O 点的回路平均光 速，是不难通过测量距离和只用一个置于 O 点处的时钟测量时间来完成的。这里 不涉及异地时钟校准和不同地点同时性的问题。事实上，关于光速不变原理的检 验实验的分析表明，各种实验都只证明了回路平均光速不变，并没有证明单程光 速的不变性。因此，通常所谓的“光速不变原理已经为实验所

11、证实”的说法是不 确切的。1963 年，爱德华从回路平均光速不变这一假定出发，舍弃光速不变原理，导 出了各向异性各向异性空间中各个惯性系惯性系之间的普遍的时空坐标变换式（称之为广义的洛 伦兹变换）。当应用于可观察效应时，这些新变换给出了与狭义相对论完全相同 的结果。 三、关于光速的极限性三、关于光速的极限性狭义相对论的一个重要推论，是认为真空中的光速 c 是物体运动的极限速度。 根据相对论速度相加公式和动力学公式可以得出不可能使物体运动速度超过光速 的结论。但是，更主要是因果律的要求，使狭义相对论作出了光速极限性的论断。 因为如果允许超光速信号存在，类空分离事件之间可以建立因果联系，按照狭义

12、相对论，在某些惯性参考系看来，就会出现结果发生在原因之前的情况。将爱因斯坦的物理实在观与光速极限性结合起来，可以得出爱因斯坦可分隔 性原理或定域性原理，它可以表述为：不存在瞬时超距作用超距作用；若没有以不大于光 速的速度传递的物理信号建立联系，空间中分离的客体的实在状态是彼此独立的。与狭义相对论的论断相反，自 70 年代以来，现代物理学的实验进展有种种 迹象表明，超光速运动和超光速作用很可能是存在的。首先，射电天文学发现，半径大于一光年光年的河外射电源（包括类星体和射电 星系）如 3C273 等，能够在几个月之内发生整体的明亮变化。如果光速是不可超越的，河外射电源发生这种亮度变化所需要的时间就

13、要在一年以上。十分迅速的 整体亮度变化意味着射电源上存在着超光速的相互作用。另外，克莱和克劳奇观测研究了广延大气簇射现象（1974 年），他们在英国 自然杂志上报道说，在通常的簇射粒子（它们的速度接近光速）到达地面之前， 实验装置已经记录到非随机信号。他们认为，这很可能是超光速粒子引起的。当然，对于上述两种实验观测现象的解释也许不是唯一的，要断定超光速作 用存在于上述现象中，还必须做进一步的更为详细可靠和结论明确的实验。关于超光速运动和超光速作用，特别值得提到近十多年来量子力学量子力学的基础研 究中关于贝尔不等式的实验检验。我们知道，对于量子力学量子力学，爱因斯坦和玻尔玻尔持完全不同的见解，他

14、们为此进 行了长期的争论。爱因斯坦并不否定量子力学量子力学在物理学中取得的重大进步，但是 他认为，量子力学量子力学只是关于单个体系的实在状态的不完备的描述；之所以必须根 据几率几率来解释粒子的运动，仅仅是因为某些决定运动的参数尚未找到；如果知道 了这些假想的“隐参数”的数值，就能够定义和完全确定粒子的运动轨道。为了论证量子力学量子力学的不完备性，早在 1935 年，爱因斯坦和波多尔斯基、罗 森一起提出了一个假想实验（通称为 EPR 理想实验或 EPR 论证）。他们考虑两个 自旋为12 的粒子 A 和 B 组成的总自旋为零的体系。设在 t0之前的一段时间内 两个粒子之间存在相互作用，然后用不影响

15、每个粒子自旋的方法使其分开，当 tt0，二者在空间上相距甚远，不再有相互作用。按照爱因斯坦可分隔性原理， 在这种情况下，对粒子 A 的测量不应当立即对粒子 B 发生任何影响。但是，量子量子 力学力学预言，只要测出 A 自旋的某一分量，就能立即得知 B 自旋的同一分量值。按 照量子力学量子力学理论，微观客体在测量之前一般并不处于确定的本征态，测量操作得 出粒子 A 自旋在某一方向上的分量，粒子 A 本身也就进入取该自旋分量值的本征 态。可是，相距甚远的粒子 B，既不与粒子 A 也不与仪器有相互作用，怎么会使 自己的自旋在同一方向上立即取相反的值呢？考虑到上面的叙述对任意方向的自 旋测量都成立，即

16、可以任意改变仪器测量的方位都得到上述结论，问题就变得更 为严重。这意味着仪器测量 A 自旋的事件对粒子 B 产生了影响，并且这种影响是 超光速瞬时传递的。这在爱因斯坦看来是不可接受的。爱因斯坦认为，为了消除上述悖论，人们只能肯定下述两个论断中的一个： “要么量子力学量子力学不完备，要么就必须假设存在超距作用超距作用。”我们知道，爱因斯坦 断然维护了定域性原理，否定了量子力学量子力学的完备性。为了对 EPR 论证进行实验研究，玻姆在 50 年代首先把 EPR 理想实验变成测 量质子自旋和测量光子偏振关联的方案。这类实验早先由吴健雄等人做过，结果 与量子力学量子力学的预言相符。1964 年，贝尔从定域隐参数理论出发，采用定域实在论的三个基本假设（见 下述），证明了一个不等式：P（a，b）-P（a，c）1+P（b，c）其中 P（a，b），P（a，c）和 P（b，c）分别表示：（1）在 a 和 b 方向； （2）a 和 c 方向；（3）b 和 c 方向上分别测量粒子 A 和 B 的自旋投影的乘积 AaBb，AaBc，Ab