在百年相對論理論前沉思
季 灝
（上海東方電磁波研究所，202150 上海）
摘要:作者重新審視了狹義相對論的理論和實驗。指出了挑戰(zhàn)派批評狹義相對論在理論上存在問題的錯誤觀點，同時作者也指出維護相對論的科學家，迷信相對論，過分夸大相對論在物理領(lǐng)域中的重要作用，分析了每個驗證相對論的實驗，發(fā)現(xiàn)每個實驗都不是嚴格站得住腳的。作者設(shè)計八個思維實驗和在復(fù)旦大學近代物理實驗室作驗證洛倫茲力變化的實驗，得出相對論是充滿矛盾、錯誤的理論。
關(guān)鍵詞：狹義相對論、洛倫茲力、質(zhì)速關(guān)系
1 引言
1905年是愛因思坦的奇跡年，他先后發(fā)表了“論動體的電動力學”[1]、“光電效應(yīng)”等震驚世界的物理學論文。從此，創(chuàng)建了狹義相對論和廣義相對論兩大理論體系。為此，愛因斯坦的崇拜者和理論的維護者把狹義相對論說成是一個神圣不可侵犯的終極理論，并把愛因斯坦捧到了神壇上。但是，另一方面，國內(nèi)外，對狹義相對論的質(zhì)疑和批評沒有隨著時間的流逝和愛因斯坦狹義相對論聲譽及地位的不斷提高而減少。作者認為近年來對愛因斯坦狹義相對論的批評和質(zhì)疑越來越激烈。甚至有些學者寫了長篇論著全面細致地批評愛因斯坦狹義相對論[2-9]。最可喜的是不管在互聯(lián)網(wǎng)上還是在有創(chuàng)新精神的各種刊物上，大量出現(xiàn)了質(zhì)疑和挑戰(zhàn)相對論的文章和報道。
2 狹義相對論在理論上自洽性問題的探究
狹義相對論在整個理論體系是否有問題？作者和很多挑戰(zhàn)者一樣三十多年來尋找理論上的存在問題，作者是失敗者。因此，作者十分贊同中科院理論物理研究所朱重遠研究員的觀點，在理論上很難找到突破口。作者在同美國UAH張操研究員的長時間接觸過程中，張教授曾談到：“如果狹義相對論在數(shù)學上或理論上真有問題，那它不會被世界物理界公認，因為當時愛因斯坦還是小人物。”很多挑戰(zhàn)者主要集中在光速不變原理、洛倫茲變換等問題上的質(zhì)疑，但在論證過程中都會出現(xiàn)這樣、那樣的問題。大多數(shù)學者對相對論沒有真正的了解。因此，作者認為相對論在理論上能說是自洽的。
3 對狹義相對論驗證實驗的重新審視
3.1相對論的維護者認為狹義相對論已被廣大實驗所證實，而作者則有不同的看法，作者重新審視了每一個驗證狹義相對論的實驗，發(fā)現(xiàn)每一個實驗都不是嚴格站得住腳的，存在著嚴重問題，值得廣大科學家考究。
（1）擁護者為狹義相對論辯護最有信心的第一個實驗驗證是光速不變原理，筆者認為愛因斯坦狹義相對論中的光速不變原理所指的光速是單向光速，但是至今一切實驗實際測量的是回路光速的不變性，因此，用中科院張元仲研究員的話說[10]：“因此，通常所說的光速不變原理已為實驗所證實是不確切的”。作者也撰文“光行差是光速可變的實驗研究”、從廣義相對論理論撰文“光速可變的理論證明”[11]指出光速是可變的。
（2）擁護者認為，狹義相對論的相對性原理，已被實驗所證實，用艾小白先生的話說：“將自已的眼睛閉上，幾秒以后再將眼睛睜開，人們會發(fā)現(xiàn)周圍的自然界并沒有發(fā)生大變化……實際上它是對相對性原理的正確性的有力證明”。筆者認為這句話十分不嚴格，沒有大變化，小變化還是有的，現(xiàn)代科學實驗測得精細結(jié)構(gòu)常數(shù)（α=e2/hc）的數(shù)值不恒等于質(zhì)心系中的數(shù)值1/137，在高運動量轉(zhuǎn)移下會增大到1/128，這件事明顯與相對論證明的電子電荷是相對論不變量的論斷矛盾。筆者從高能物理的實驗事實撰文《慣性系不平權(quán)》[9]，對相對性原理提出批評。
（3）擁護者對狹義相對論辯護很有信心的實驗證據(jù)是“時間延緩”。第一個實驗是運動的μ子或π+介子的壽命，比靜止的μ子或π+介子的壽命長，筆者同意馬青平博士的觀點[3]，認為到目前為止實驗室還沒有辦法制造靜止（相對實驗室的觀察者）的μ子或π+介子，因此，實際上靜止的μ子和π+介子是不存在的，所謂靜止的μ子和π+介子是通過鉛版、鎘板使μ子和π+介子減速使其靜止，在這減速的過程中，必然有物質(zhì)與μ子和π+介子相互作用，筆者認為這些物質(zhì)的相互作用也必然影響μ子和π+介子的穩(wěn)定性，因而他們的壽命比在近乎真空中運動的μ子和π+介子壽命短也是很正常的。擁護者的第二個實驗是Hafele的原子鐘環(huán)球航行實驗[3]。有的說這是驗證了狹義相對論的時間延緩效應(yīng)，也有人說這是驗證了廣義相對論的時間效應(yīng)，但是筆者認為①該實驗沒有重復(fù)性實驗，而沒有重復(fù)性實驗的實驗是不可靠的。②從理論上講對愛因斯坦狹義相對論有意義的速度是兩時鐘之間的相對速度，不是相對于某一參照系的“絕對”速度。那么，向東飛行和向西飛行的原子鐘相對于地面的原子鐘狹義相對論效應(yīng)，那個應(yīng)該走得慢些？③筆者對這一實驗的結(jié)果的可靠性表示懷疑。根據(jù)實驗報告的修正后的結(jié)果與原始數(shù)據(jù)不相同，他們所作的修正原則上是科學研究中不允許的。根據(jù)凱利博士從美國海軍天文臺索取的原始資料復(fù)印件，四個鐘的其中三個有嚴重的不穩(wěn)定基線漂移。用Hafele在1971年內(nèi)部報告上自己說的話：“多數(shù)人（包括我自己）不認為這些原子鐘指出的時間加快說明任何問題”?！袄碚撆c測量數(shù)值的不同令人困擾”。下面我們比較理論和實驗的實際情況：理論上東向飛行的鐘應(yīng)比地面鐘-40ns，向西飛行的鐘應(yīng)比地面鐘+275ns。而實驗值用最穩(wěn)定的447號鐘，東向飛行的鐘比地面鐘-97ns，向西飛行的鐘比地面鐘+26ns，從對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)實際實驗的值與理論計算發(fā)生嚴重的偏離，根本談不上實驗驗證了狹義相對論的時間延緩效應(yīng)。
其實關(guān)于運動時鐘變慢結(jié)論，這是一個自相對論建立以來，長期爭論而未能達共識的問題，即使愛因斯坦本人和很多科學家都認為解決時鐘佯謬問題超出了狹義相對論的范圍。
（4）運動物體長度收縮實驗。用北京廣播學院黃志洵教授的話說：“至今沒有一個實驗證明過?！?br> （5）擁護者認為最有力的實驗驗證是相對論質(zhì)量隨速度增加的實驗。
關(guān)于電子質(zhì)速關(guān)系的相對論關(guān)系實驗，歷史上已有這很多實驗物理學家用各種不同的方法進行驗證，其中最多和最成功的是用電磁偏轉(zhuǎn)方法[12-18]。但這類實驗都必須假定作用于帶電粒子上的電場或磁場在其運動方向上所受的力（理論值）不依賴于帶電粒子的運動速度的。然而提供這方面的經(jīng)驗是在大大低于光速的情況下進行的?，F(xiàn)在這個假設(shè)對高速運動的電子是否適用，很多科學家都是持疑問態(tài)度的。因此，用張元仲教授的話說：“上面所介紹的實驗，都……。實驗實際上證明的是……荷電粒子在電磁場中的運動規(guī)律?！盵10]第二類實驗是運用彈性碰撞理論，觀察快速運動的電子與靜止的電子碰撞后的散射角[19]，該實驗首先假定兩電子是彈性碰撞，而且實驗時實際的誤差要比實驗中所考慮的誤差更大。因此，即使在主流物理學界也未達共識。第三類實驗是測量原子光譜的精細結(jié)構(gòu)[20],不同的質(zhì)量公式可以得到不同的精細結(jié)構(gòu)分裂，但是該實驗并不適用于所有原子的光譜。因此，該實驗也沒有在主流物理學家中達到共識。第四類實驗是1964年貝托齊實驗[21]，它避免電磁相互作用，提供十分簡單而直接的數(shù)據(jù)驗證了相對論的質(zhì)速關(guān)系結(jié)果。但是該實驗在測量速度極限時用了0.5Mev、1.0Mev、1.5Mev、4.5Mev、15Mev五種能量的電子，但在能量測量時僅用1.5Mev和4.5Mev能量的電子。因此，作者認為該實驗也不是一個成功的實驗。
3.2關(guān)于電子洛倫磁力和能量測量的實驗略。
我們選取了在大學教育中被廣泛采用的經(jīng)典實驗——關(guān)于驗證相對論中的動能和動量關(guān)系的實驗[22]而作研究。我們用五個不同磁場強度對粒子能量進行測量，發(fā)現(xiàn)該實驗的結(jié)果并不是通常人們所認為的那樣滿足相對論的動能和動量關(guān)系，因而認為相對論關(guān)于帶電粒子在磁場中受力（理論值）不變的假設(shè)是錯誤的。通過合理的物理推斷，我們進一步指出帶電粒子在磁場中的受力（理論值）是隨著粒子速度的增加而逐漸變小的。我們還發(fā)現(xiàn)，相對論對能量定標偏高；實際上，實驗研究的結(jié)果很好地驗證了作者關(guān)于電子在磁場中運動時有效作用力因子的假設(shè)。
4 結(jié)論
大多擁護者是盲目地崇拜愛因斯坦和狹義相對論，夸大狹義相對論在二十世紀物理學的巨大作用，縮小和掩蓋狹義相對論的存在問題，盡量避免提及不利于狹義相對論的實驗資料，筆者則不同，仔細審視了有關(guān)狹義相對論的每一個實驗，發(fā)現(xiàn)每個實驗都是站不住腳的。筆者并且設(shè)計八個思維實驗，質(zhì)疑狹義相對論，作者完成對電子洛倫茲力測量的實驗得出狹義相對論理論和實驗是不能自洽、錯誤的理論。
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