應(yīng)該廢棄狹義相對(duì)論
費(fèi)邦鏡
摘要：本文首先論證了“引力場(chǎng)”就是傳播光的“以太”；又指出了洛倫茲變換并不能化解光的傳播定律與相對(duì)性原理的抵觸；接著論證了相對(duì)性原理并不正確；又為牛頓第一定律打了個(gè)補(bǔ)丁，使得舍棄相對(duì)性原理有了理論依據(jù)。
引言
什么？要廢棄狹義相對(duì)論？說夢(mèng)話吧——相對(duì)論和量子力學(xué)是近代物理學(xué)的兩大支柱，那是能夠廢棄得了的嗎？
其實(shí)，這兩大支柱必有一錯(cuò)，因?yàn)樗鼈兊幕居^點(diǎn)是對(duì)立的：1、根據(jù)相對(duì)論，光速是極限，而“量子力學(xué)允許超光速現(xiàn)象存在”；2、相對(duì)論認(rèn)為，時(shí)間是相對(duì)的，同時(shí)性也是相對(duì)的，而“量子力學(xué)在絕對(duì)意義上使用時(shí)間的概念，同時(shí)性也具有絕對(duì)的意義”。[譚署生《從狹義相對(duì)論到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)空論》湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2007，P238]
兩者相比較，相對(duì)論出錯(cuò)的可能性更大——據(jù)【科壇春秋】2015-11-08《物理界的撕逼大戰(zhàn)，愛因斯坦的終身敗筆？》報(bào)道：【近幾年，“證明愛因斯坦是錯(cuò)的”似乎成了各大高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)的熱門項(xiàng)目……愛因斯坦和玻爾終身都在爭(zhēng)論一個(gè)問題——量子糾纏……近幾年，越來越多的大學(xué)科研組織都在進(jìn)行著量子糾纏實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎都倒向波爾一邊……早在2013年，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉教授主持的量子隱形傳態(tài)研究項(xiàng)目組就測(cè)出，量子糾纏的傳輸速度至少比光速高4個(gè)數(shù)量級(jí)……愛因斯坦似乎在離真理越來越遠(yuǎn)?！?/span>
歷史上，許多一流的物理學(xué)家，如洛倫茲、邁克爾遜、J.J.湯姆遜、龐加萊、馬赫等等，他們都終生反對(duì)相對(duì)論，然而，他們?nèi)际×?。一百多年來，人們?duì)相對(duì)論的批判從來就沒有停息過，我也曾斗膽挑戰(zhàn)過多次，但是，相對(duì)論依然堅(jiān)如磐石。
這是為什么呢？我逐漸意識(shí)到，這與我們對(duì)牛頓水桶實(shí)驗(yàn)的誤解有關(guān)，也與牛頓力學(xué)存在瑕疵有關(guān)！
本文僅九千余字，但愿您花費(fèi)幾十分鐘時(shí)間，能分享到我?guī)?/span>十年的挑戰(zhàn)心得，能欣賞到福爾摩斯式的推理。
一、導(dǎo)致創(chuàng)建狹義相對(duì)論的第一原因是對(duì)“以太”探尋的失敗
十九世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展和可喜的成果，但眼光獨(dú)到的開爾文指出：在物理學(xué)晴朗的天空上還有兩朵令人不安的烏云。其中一朵是指“經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋對(duì)‘以太’的探尋實(shí)驗(yàn)”。
什么是“以太”？古希臘的思想家亞里士多德認(rèn)為，天體間一定充滿了一種看不見的物質(zhì)，當(dāng)時(shí)就稱這物質(zhì)為“以太”。17世紀(jì)，笛卡爾最先將以太引入科學(xué)，認(rèn)為物體之間的所有作用力都必須通過直接物體接觸或通過以太這種中間媒介物質(zhì)來傳遞，而且，光也是通過以太進(jìn)行傳播的。
關(guān)于光的本質(zhì)究竟是粒子還是波，在古希臘就已經(jīng)產(chǎn)生了分歧，一直爭(zhēng)論不休。直到1864年麥克斯韋建立起電磁學(xué)的基本定律——麥克斯韋方程組，并指出“光”也是一種電磁波，從此，才有了光傳播的真正理論。普遍認(rèn)為，光既然是波，其傳播也一定需要媒質(zhì)，此媒質(zhì)當(dāng)然就是以太。
物理學(xué)家們都堅(jiān)信，每一個(gè)關(guān)于運(yùn)動(dòng)的陳述都包含著一個(gè)物理的參考系，我們只能參照其他物體來量度位移和速度。而由麥克斯韋方程組導(dǎo)出的光速c是一個(gè)恒量，那么，這一恒定的速度是相對(duì)于何物而言的呢？正如聲速的參照物是傳播聲音的媒質(zhì)一樣，光速的參照物應(yīng)該是傳播光的媒質(zhì)——以太。以麥克斯韋、洛倫茲為首的大多數(shù)物理學(xué)家都持這樣的觀點(diǎn)。
然而，以太無(wú)影無(wú)蹤，其性質(zhì)也難以琢磨，物理學(xué)家們從十七世紀(jì)下半葉開始認(rèn)真地探尋以太，但化了兩百多年時(shí)間也沒能找到它！于是大家又探究運(yùn)動(dòng)物體能否曳引以太。意想不到的是，各種探究結(jié)果都相互沖突：
1）1728年，布拉德雷發(fā)現(xiàn)光行差現(xiàn)象：為了能看到天頂附近的恒星，不能將望遠(yuǎn)鏡絕對(duì)豎直地放置，而必須將望遠(yuǎn)鏡軸線調(diào)整到偏向地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向，向前傾斜20.5’’角度。
普遍認(rèn)為，地球在以太中穿行。“當(dāng)我們開始利用光的理論來分析光行差現(xiàn)象時(shí)，粒子模型顯然能夠提供一個(gè)非?，F(xiàn)成的解釋：光行差現(xiàn)象恰好同下落的雨滴的情形類似。然而，只要以太完全不受地球運(yùn)動(dòng)的干擾，借助在以太中穿行的波動(dòng)也能解釋這一效應(yīng)。另一方面，如果地球附近的以太隨地球而動(dòng)，那么就不會(huì)發(fā)生光行差現(xiàn)象?！?/span>[1]以太論者認(rèn)為，光行差現(xiàn)象證明了地球運(yùn)動(dòng)并沒有拖曳以太。
2）1818年菲涅爾提出部分曳引假說，即在透明物體中，光可以部分地被這一透明物體曳引：曳引系數(shù)k = 1 -1/n2 ，其中n為透明物體的折射率。1851年斐索做了正反流水中比較光速的實(shí)驗(yàn)，“證實(shí)了菲涅爾的部分曳引假說，從而使這一假說成了以太理論的重要支柱”。[2]
“斐索實(shí)驗(yàn)可以簡(jiǎn)單地用以太既不為儀器拖曳又不為儀器中運(yùn)動(dòng)的水拖曳這種說法給以解釋，部分曳引是由于折射媒質(zhì)的運(yùn)動(dòng)所致”。[3]而且，“斐索實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看作是對(duì)恒星光行差觀測(cè)的加強(qiáng)支持。兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果均能通過下面的假定予以解釋：運(yùn)動(dòng)物體并不把它的任何運(yùn)動(dòng)速度傳給以太”。[1]
3）既然光行差現(xiàn)象和斐索實(shí)驗(yàn)都證明地球不能拖曳以太，而地球又在軌道上以30公里/秒的速度運(yùn)行，那么在地球上應(yīng)該能檢測(cè)到以太風(fēng)。在麥克斯韋的激勵(lì)下，邁克爾遜發(fā)明出一種空前靈敏的干涉儀，他確信可以根據(jù)干涉條紋的位移推算出這以太風(fēng)速，但他并沒能如愿。
后來，邁克爾遜又邀請(qǐng)莫雷一起，進(jìn)一步改進(jìn)了干涉儀實(shí)驗(yàn)，把精度提高到可以分辨0.01個(gè)條紋間距的位移。他們?cè)瓉硗茰y(cè)以太風(fēng)速為30公里/秒，據(jù)此，預(yù)期可觀測(cè)到0.4個(gè)條紋間距的位移。1887年，邁克爾遜與莫雷連續(xù)4天從早到晚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，卻始終觀測(cè)不到預(yù)期的條紋位移。過了半年以后，他們又做了一次觀測(cè)，仍然沒有發(fā)現(xiàn)預(yù)期的條紋位移，這使他們大失所望。他們的結(jié)論是：“即使由于地球與光以太之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使條紋產(chǎn)生任何位移，這位移不可能大于條紋間距的0.01?！?/span>[2]
邁-莫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)表后，幾乎所有的科學(xué)家都膛目結(jié)舌！
這是因?yàn)椋哼~-莫實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于“零結(jié)果”，等于是充分證明了地球完全拖曳了以太，這與斐索實(shí)驗(yàn)和光行差現(xiàn)象的結(jié)論恰恰相反！這似乎是對(duì)菲涅爾部分曳引假說這一以太理論支柱的致命打擊。
4）但是，邁克爾遜和莫雷堅(jiān)信以太理論，他們傾向于用斯托克斯的“完全曳引假說”來解釋這個(gè)零結(jié)果。[2]1845年，斯托克斯提出黏性流體運(yùn)動(dòng)理論，次年，他曾用這一理論漂亮地解釋了光行差現(xiàn)象：“緊挨著地球的以太應(yīng)當(dāng)整個(gè)地同地球一起運(yùn)行，圍繞地球的以太云在地球沿軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)為地球所完全裹攜走。不過，這云的各層是以不同的速度在運(yùn)行的：云層離開地球越遠(yuǎn)，它的速度就越小。由于光速在緊挨地球的比較密的以太層中減慢，所以來自恒星的光的波前就轉(zhuǎn)向，這正確解釋了所觀察到的光行差”。[4]
邁克爾遜和莫雷認(rèn)為，既然緊挨著地球的以太整個(gè)地同地球一起運(yùn)行，那么地表當(dāng)然不會(huì)有以太風(fēng)，這能很好地解釋邁-莫實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果。
5）然而，從斯托克斯假說出發(fā)，必然會(huì)引出一個(gè)結(jié)論，即在運(yùn)動(dòng)物體表面有一速度梯度的區(qū)域，在運(yùn)動(dòng)物體附近，總可以察覺出這一效應(yīng)。于是洛奇在1892年做了一個(gè)鋼盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，專門用以試驗(yàn)這一效應(yīng)。但洛奇的實(shí)驗(yàn)證實(shí)：緊挨著鋼盤的以太，完全沒有被高速轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼盤帶動(dòng)，這一結(jié)果導(dǎo)致人們對(duì)斯托克斯的假說失去了信心。[2]
總之，所有對(duì)以太探尋的結(jié)果似乎都相互矛盾，無(wú)法調(diào)和，物理學(xué)家們對(duì)此一籌莫展。這就是開爾文所指的那朵物理學(xué)上空的烏云。
正是為了驅(qū)散這朵烏云，26歲的愛因斯坦，初生牛犢不怕虎，獨(dú)辟蹊徑，干脆“拋棄以太”，創(chuàng)建了狹義相對(duì)論。他1922年在日本京都大學(xué)的演講《我是怎樣創(chuàng)造相對(duì)論的》中回憶：“最初，我并不懷疑以太的存在，不懷疑地球相對(duì)以太的運(yùn)動(dòng)……如果承認(rèn)邁克爾遜的零結(jié)果是事實(shí)，那么地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的想法就是錯(cuò)的，這是引導(dǎo)我走向狹義相對(duì)論的第一步。”[2]
那么，探尋以太之路真的窮盡了嗎？
參考文獻(xiàn)一
[1] A.P.弗倫奇《狹義相對(duì)論》人民教育出版社，張大衛(wèi)譯，1979，P44、50
[2] 郭奕玲、沈慧君《物理學(xué)史（第2版）》清華大學(xué)出版社，2009，P166～167、170～171、186
[3] R.瑞斯尼克《相對(duì)論和早期量子論中的基本概念》上海科學(xué)技術(shù)出版社，上師大物理系譯，許國(guó)寶校，1978，P30
[4] В.И.雷德尼克《場(chǎng)》科學(xué)普及出版社，周昌忠譯，1981，P50
二、探尋“以太”之路并未窮盡，“引力場(chǎng)”就是“以太”
牛頓年青時(shí)主張光的微粒說，但在他的光和顏色理論受到胡克和惠更斯等人的批評(píng)后，他開始向以太說妥協(xié)，“1674年左右，牛頓寫了一篇《論空氣和以太》手稿，反映出他向以太的妥協(xié)由光學(xué)擴(kuò)展到整個(gè)物質(zhì)觀方面”，“牛頓的重力觀點(diǎn)轉(zhuǎn)向以太效應(yīng)”。[1]“愛因斯坦相信，牛頓所最強(qiáng)烈反對(duì)的是一種能夠自己在空虛空間中傳遞力的概念，牛頓希望用‘以太’來把超距作用歸結(jié)為接觸力”。[2]可見牛頓當(dāng)年就曾認(rèn)為，光和萬(wàn)有引力都是依賴以太傳遞的。
在現(xiàn)代的我們看來，萬(wàn)有引力當(dāng)然是通過引力場(chǎng)傳遞的，“引力場(chǎng)”難道不就是牛頓終生探尋不到的以太嗎？可惜牛頓不知道居然會(huì)有“場(chǎng)”這種無(wú)形物質(zhì)！
既然“引力場(chǎng)”這個(gè)以太可以傳遞引力，那么為什么不可以也傳播光呢？我們不妨假設(shè)“引力場(chǎng)”就是光以太，看看能否驅(qū)散那朵物理學(xué)上空的烏云：
斯托克斯解釋光行差現(xiàn)象所借助的“以太云”，難道不正是非常形象的“引力場(chǎng)”嗎？——全宇宙的引力場(chǎng)不是統(tǒng)一而均勻的，緊挨著地球的引力場(chǎng)必然整個(gè)的隨地球一起在軌道上運(yùn)行，而離開地球越遠(yuǎn)，那里的引力場(chǎng)越來越過渡為太陽(yáng)的引力場(chǎng)，其受地球運(yùn)動(dòng)的曳引當(dāng)然就越來越小，恒星的光線從太陽(yáng)引力場(chǎng)射向地球引力場(chǎng)當(dāng)然會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而邁-莫實(shí)驗(yàn)是在與地球“同步”的地面引力場(chǎng)中進(jìn)行的，既然“同步”，何來以太風(fēng)？
而洛奇的鋼盤，無(wú)論怎樣高速旋轉(zhuǎn)，光路中的質(zhì)量分布并沒變化，當(dāng)然引力場(chǎng)也沒有變化，所以旋轉(zhuǎn)鋼盤完全不會(huì)帶動(dòng)以太，這與斯托克斯的假說毫無(wú)矛盾！
至于斐索實(shí)驗(yàn)，其流水無(wú)論如何流動(dòng)，光路中的質(zhì)量分布并沒變化，當(dāng)然引力場(chǎng)也沒有變化，所以流水就不會(huì)拖曳以太，部分曳引并非是以太被拖曳，而是透明介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了介質(zhì)中的光速發(fā)生了變化。這與洛奇旋轉(zhuǎn)鋼盤不能帶動(dòng)以太是同樣的道理——并非一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)都能曳引以太，而只有能改變光路中的質(zhì)量分布的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)才能曳引以太。可見，菲涅爾的部分曳引假說這一“以太理論支柱”完全正確！
且慢，有人質(zhì)疑：既然洛奇旋轉(zhuǎn)鋼盤不能帶動(dòng)以太，那么，地球自轉(zhuǎn)時(shí)其質(zhì)量分布也幾乎沒變動(dòng)，地球自轉(zhuǎn)應(yīng)該也不會(huì)帶動(dòng)以太，因此，邁-莫實(shí)驗(yàn)就應(yīng)該能測(cè)出以太風(fēng)，而不應(yīng)該是零結(jié)果。
其實(shí)，邁-莫實(shí)驗(yàn)并非真正零結(jié)果。1887年邁克爾遜與莫雷最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：“最大的條紋移動(dòng)量小于0.01……‘以太漂移’速度的上限是4.7公里/秒”。[4]這相對(duì)于預(yù)期的30公里/秒的以太風(fēng)速而言，可以說是零結(jié)果！換言之，邁-莫實(shí)驗(yàn)確實(shí)可以否定地球公轉(zhuǎn)的以太風(fēng)，但并不能否定地球自轉(zhuǎn)的以太風(fēng)——地球自轉(zhuǎn)的最大線速度（赤道處）僅0.464公里/秒。
李立新博士反駁：1973年有實(shí)驗(yàn)表明以太風(fēng)速小于3.8厘米/秒。2000年之后，有多個(gè)實(shí)驗(yàn)表明以太風(fēng)速小于米/秒級(jí)別，[5]這難道不能否定地球自轉(zhuǎn)的以太風(fēng)嗎？但我同曹廣軍博士的觀點(diǎn)一樣，對(duì)這些實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性或有效性表示懷疑。
我更相信張操教授的觀點(diǎn)：【沙涅克（Sagnac）的實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明：?jiǎn)蜗蚬馑偈怯蟹较蛐缘摹！俊?/span>[6]我也相信黃新衛(wèi)先生的觀點(diǎn)：【楊新鐵教授率先發(fā)現(xiàn)：受地球自轉(zhuǎn)影響，電磁波往返中國(guó)西安和日本東京的時(shí)間不相等。黃德民高工率先從靜止于地面的光纖陀螺儀能夠敏感到地球自轉(zhuǎn)角速度看出問題：這直接否定地球表面光速各向同性?！?/span>[7]我認(rèn)為這些都證明了地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了以太風(fēng)。
綜上所述，引力場(chǎng)就是光以太這個(gè)假設(shè)，能非常圓滿地解釋幾乎所有的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并無(wú)任何矛盾，因此該假設(shè)完全能夠成立。當(dāng)年愛因斯坦依據(jù)邁-莫實(shí)驗(yàn)而拋棄以太顯然是錯(cuò)誤的！
不過，僅憑這一點(diǎn)，并不能徹底否定狹義相對(duì)論，因?yàn)閷?dǎo)致創(chuàng)建狹義相對(duì)論還有另外一個(gè)重要原因。
參考文獻(xiàn)二
[1] 閻康年《牛頓的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與科學(xué)思想》湖南教育出版社，1989，P300、418
[2] 許良英等編譯《愛因斯坦文集第一卷》商務(wù)印書館，1976，P622
[3] 劉遼等《狹義相對(duì)論》科學(xué)出版社，2008，P5
[4] 張?jiān)佟丢M義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)》科學(xué)出版社，1994，P26
[5] 李立新《爭(zhēng)鳴觀點(diǎn)之七：曹廣軍》 http://blog.sina.com.cn/s/blog_3c806cc90102v55v.html
[6] 張操《物理時(shí)空理論探討》上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2011，P105
[7] 黃新衛(wèi)《給中國(guó)科協(xié)的信》http://blog.163.com/hubeihxw@yeah/blog/static/701140962016102045728673
三、導(dǎo)致創(chuàng)建狹義相對(duì)論的第二原因是光的傳播定律與相對(duì)性原理的抵觸
1864年，麥克斯韋建立起一套能完美描述電磁學(xué)基本定律的理論——麥克斯韋方程組，由它可導(dǎo)出真空中光速c=1/√(ε0μ0)，其中的ε0為真空電容率，μ0為真空磁導(dǎo)率。電磁學(xué)中，ε0和μ0均是基本物理常量，是普適的，因此，真空中光速c亦是一個(gè)普適常量，“與光源的速度沒有關(guān)系，也與參考系沒有關(guān)系”。[1]愛因斯坦把“光（在真空中）的速度c是恒定的”稱為光的傳播定律。[2]
愛因斯坦說：“誰(shuí)會(huì)想到這個(gè)簡(jiǎn)單的定律竟會(huì)使思想周密的物理學(xué)家陷入智力上的極大的困難呢？”[2]因?yàn)楦鶕?jù)伽利略變換，如果在慣性系S中光速為c，那么，在相對(duì)于S以速度v運(yùn)動(dòng)的慣性系S’中，光速應(yīng)為c+v，或者c-v，而不可能仍然恒定為c?？梢娫趹T性系S’中的光速不再由ε0和μ0來決定，這說明在慣性系S’中的電磁現(xiàn)象不再服從麥克斯韋方程組。
1905年前后，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，光的傳播定律與相對(duì)性原理是嚴(yán)重抵觸的。鑒于電磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)精確度遠(yuǎn)比力學(xué)的要高，因此，“許多著名的理論物理學(xué)家比較傾向于舍棄相對(duì)性原理”。[2]
唯獨(dú)26歲的愛因斯坦認(rèn)為：“相對(duì)性原理和光的傳播定律實(shí)際上絲毫沒有抵觸之處，如果系統(tǒng)地貫徹這兩個(gè)定律，就能夠得到一個(gè)邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摗?，即狹義相對(duì)論。[2]可見，如何化解這個(gè)抵觸，是導(dǎo)致創(chuàng)建狹義相對(duì)論的第二個(gè)原因。
那么，這個(gè)抵觸真的被愛因斯坦化解了嗎？
參考文獻(xiàn)三
[1] 楊桂林 等《近代物理》科學(xué)出版社，2004，P372
[2] A.愛因斯坦《狹義與廣義相對(duì)論淺說》上海科學(xué)技術(shù)出版社，楊潤(rùn)殷譯，1964，P15、17
四、洛倫茲變換并不能化解光的傳播定律與相對(duì)性原理的抵觸
愛因斯坦化解這個(gè)抵觸的方法是：對(duì)于兩個(gè)慣性系之間的坐標(biāo)變換，不采用“伽利略變換”，而采用 “洛倫茲變換”！
果然，采用了洛倫茲變換之后，在不同的慣性系中光速確實(shí)都能恒定為c了！抵觸似乎已被化解?！奥鍌惼澴儞Q”因此而成為狹義相對(duì)論的核心思想。
但是，洛倫茲變換需要顛覆“同時(shí)性是絕對(duì)的”這一幾乎是我們與生俱來的觀念！它還會(huì)導(dǎo)致“運(yùn)動(dòng)的鐘變慢、尺縮短”，甚至讓基本的物理量“時(shí)間”，成為派生出來的物理量“速度”的函數(shù)，產(chǎn)生了一系列怪異的思想。
而正是這些怪異而又“正確”的思想，讓大部分人都哀嘆自己不夠聰明，使得愛因斯坦名聲大振。
其實(shí)，愛因斯坦在這里犯了一個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤！
因?yàn)楦鶕?jù)麥克斯韋方程組，真空中光速c是一個(gè)普適常量，“與光源的速度沒有關(guān)系，也與參考系沒有關(guān)系”。那么，既然與參考系無(wú)關(guān)，當(dāng)然就意味著不僅在各慣性系中光速恒為c ，而且，在非慣性系中光速也都恒為c。
然而，洛倫茲變換并非是普適的，它僅僅適用于慣性系之間的坐標(biāo)變換，該變換雖然可讓各慣性系中的光速恒為c，但是，并不能讓非慣性系中的光速也都恒為c！顯然，洛倫茲變換并沒能真正化解這個(gè)抵觸！狹義相對(duì)論的這個(gè)核心思想是錯(cuò)的！
那么，當(dāng)年許多著名的物理學(xué)家主張“舍棄相對(duì)性原理”，是否可行呢？
五、相對(duì)性原理違反事實(shí)，應(yīng)該舍棄
愛因斯坦反對(duì)舍棄相對(duì)性原理，因?yàn)樗?/span>堅(jiān)信：“有兩個(gè)普遍事實(shí)在一開始就給予相對(duì)性原理的正確性以很有力的支撐?！?/span>[1]那就讓我們仔細(xì)看看他“精選”出來的是兩個(gè)怎樣的事實(shí)：
【第一個(gè)普遍事實(shí)】
愛因斯坦說：“必須承認(rèn)經(jīng)典力學(xué)在相當(dāng)大的程度上是‘真理’……因此，在力學(xué)的領(lǐng)域中應(yīng)用相對(duì)性原理必然達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。一個(gè)具有如此廣泛的普遍性的原理，在物理現(xiàn)象的一個(gè)領(lǐng)域中的有效性具有這樣高的準(zhǔn)確度，而在另一個(gè)領(lǐng)域中居然會(huì)無(wú)效，這從先驗(yàn)的觀點(diǎn)來看是不大可能的?！?/span>[1]簡(jiǎn)言之，愛因斯坦認(rèn)為，伽利略相對(duì)性原理在力學(xué)領(lǐng)域中非常有效，當(dāng)然可以擴(kuò)展到全部物理學(xué)領(lǐng)域。
其實(shí)，伽利略相對(duì)性原理并沒有可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，所能查證的，僅僅就是伽利略描述的在勻速航行的大船中所觀察到的那些極其粗略的力學(xué)現(xiàn)象。而我們大家都以“舟行不覺”的經(jīng)驗(yàn)很自然地接受了它。
物理學(xué)史上，不乏被“經(jīng)驗(yàn)”誤導(dǎo)的深刻教訓(xùn)，因此，對(duì)伽利略相對(duì)性原理進(jìn)行深入的考證是有必要的。
愛因斯坦對(duì)伽利略相對(duì)性原理有嚴(yán)格的定義：“假使力學(xué)定律在一個(gè)坐標(biāo)系中是有效的，那么在任何其他相對(duì)于這個(gè)坐標(biāo)系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中也是有效的。假使有兩個(gè)坐標(biāo)系，相互作不等速運(yùn)動(dòng)，則力學(xué)定律不會(huì)在兩者之中都是有效的?！?/span>[2]
根據(jù)這個(gè)定義，只要我們不把眼光只盯著伽利略大船，就可以輕易地發(fā)現(xiàn)伽利略相對(duì)性原理并不符合事實(shí)：
1）力學(xué)定律在固定于地球的坐標(biāo)系中是非常有效的，不然，伽利略、牛頓等科學(xué)家怎么可能在地球?qū)嶒?yàn)室中，歸納、總結(jié)出力學(xué)定律呢？
2）愛因斯坦指出：“關(guān)聯(lián)于太陽(yáng)的坐標(biāo)系比關(guān)聯(lián)于地球的坐標(biāo)系更象一個(gè)慣性系?！?/span>[2]這當(dāng)然是指力學(xué)定律在關(guān)聯(lián)于太陽(yáng)的坐標(biāo)系中非常有效。
3）在月球上，宇航員們已證明了力學(xué)定律是有效的。
4）愛因斯坦指出：對(duì)自由落體電梯內(nèi)的觀察者來說，力學(xué)定律是有效的。[2]
5）在地球同步衛(wèi)星內(nèi)，宇航員們也證明了力學(xué)定律非常有效。
上述這五個(gè)坐標(biāo)系，難道它們相互之間是在作勻速直線運(yùn)動(dòng)嗎？當(dāng)然都不是！但是，力學(xué)定律居然在它們之中“都”非常有效！可見，伽利略相對(duì)性原理明顯違反事實(shí)！即使在力學(xué)領(lǐng)域中它也無(wú)效，遑論擴(kuò)展到全部物理學(xué)領(lǐng)域。
有人反駁：伽利略相對(duì)性原理的成立，必是有其邊界條件與適用范圍的。然而，他們誰(shuí)也說不出上述事例究竟超越了什么邊界條件與適用范圍。
【第二個(gè)普遍事實(shí)】
愛因斯坦指出：“由于我們的地球是在環(huán)繞太陽(yáng)的軌道上運(yùn)行，因而我們可以把地球比作以每秒大約30公里的速度行駛的火車車廂。如果相對(duì)性原理是不正確的，我們就應(yīng)該預(yù)料到，地球在任一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向?qū)?huì)在自然界定律中表現(xiàn)出來，而且物理系統(tǒng)的行為將與其相對(duì)于地球的空間取向有關(guān)……但是，最仔細(xì)的觀察也從來沒有顯示出地球物理空間的這種各向異性（即不同方向的物理不等效性）。這是一個(gè)支持相對(duì)性原理的十分強(qiáng)有力的論據(jù)。”[1]
愛因斯坦的這段話邏輯非常清晰：如果能找到地球物理空間各向異性的證據(jù)，就可以證明相對(duì)性原理是不正確的！
很不幸，居然被我找到了兩個(gè)這樣的證據(jù)：
第一個(gè)各向異性：【1728年，布拉德雷發(fā)現(xiàn)光行差現(xiàn)象：為了能看到天頂?shù)暮阈?，不能將望遠(yuǎn)鏡絕對(duì)豎直地放置，而必須將望遠(yuǎn)鏡軸線調(diào)整到偏向地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向，向前傾斜20.5’’角度?！?/span>[3] 這當(dāng)然意味著地球物理空間是各向異性的！各向同性的話，望遠(yuǎn)鏡還需要總是向一個(gè)方向傾斜嗎？
第二個(gè)各向異性：【1971年，Hafele和Keating……將四只銫原子鐘放到飛機(jī)上，飛機(jī)在赤道平面附近高速度向東及向西繞地球航行一周后回到地面，然后將飛機(jī)上的四只銫原子鐘與一直靜止在地面上的銫原子鐘的讀數(shù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)向東飛行時(shí)四只原子鐘的讀數(shù)比地球上的原子鐘讀數(shù)平均慢了59×10-9秒；而向西飛行時(shí)四只原子鐘的讀數(shù)比地球上的原子鐘讀數(shù)平均快了273×10-9秒。】[4]也就是說：向東飛行的原子鐘會(huì)變慢，而向西飛行的會(huì)變快。這當(dāng)然也直接顯示了地球物理空間的各向異性！
上述這兩個(gè)各向異性，都直接否定了愛因斯坦自認(rèn)為“支持相對(duì)性原理的十分強(qiáng)有力的論據(jù)”。
這真讓我們大跌眼鏡——愛因斯坦用洪荒之力精選出來的兩個(gè)支撐相對(duì)性原理的“普遍事實(shí)”，居然統(tǒng)統(tǒng)違反事實(shí)！
而且，2009年朱永強(qiáng)、季灝、郝建宇等人在復(fù)旦大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一個(gè)“帶電體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的跟蹤觀察”實(shí)驗(yàn)：讓一個(gè)高靈敏度的磁場(chǎng)檢測(cè)儀跟隨帶電電容板“同步”作勻速直線運(yùn)動(dòng)，用來檢測(cè)帶電體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)究竟是以什么為參考系。結(jié)論是：“在地球上帶電體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的‘運(yùn)動(dòng)’，不可能以任何的運(yùn)動(dòng)參考系統(tǒng)為參考系，必須以地球?yàn)閰⒖枷岛筒灰蕾囉谟^察系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?！?/span>[5]
這是一個(gè)直接否定相對(duì)性原理的有力證據(jù)。
然而，舍棄相對(duì)性原理會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果——普遍認(rèn)為，“慣性定律說明靜止與勻速直線運(yùn)動(dòng)都是物體在不受外力作用下，能不斷維持下去的狀態(tài)；相對(duì)性原理則說明在靜止與勻速直線運(yùn)動(dòng)這兩種狀態(tài)中，力學(xué)定律是相同的。這就揭示了力學(xué)中的靜止?fàn)顟B(tài)與勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的等價(jià)性。”
因此，盡管否定相對(duì)性原理的理由非常充分，但幾乎很少有人敢舍棄它！
參考文獻(xiàn)五
[1] A.愛因斯坦《狹義與廣義相對(duì)論淺說》上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，楊潤(rùn)殷譯，1964，P12、13、17
[2] A.愛因斯坦《物理學(xué)的進(jìn)化》上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，周肇威譯，1979，P114、156、159
[3] R.瑞斯尼克《相對(duì)論和早期量子論中的基本概念》上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，上師大物理系譯，1978，P26
[4] 張?jiān)佟丢M義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)》科學(xué)出版社，1994，P64
[5] 朱永強(qiáng)、季灝、郝建宇《帶電體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的跟蹤觀察》前沿科學(xué)（季刊），2009年第1期，P81
[6] 林德宏《科學(xué)思想史》江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2004，P87
六、應(yīng)該為牛頓第一定律打個(gè)補(bǔ)丁
毋庸置疑，牛頓第一定律是整個(gè)牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)，牛頓力學(xué)的驚人成功和巨大貢獻(xiàn)決定了這個(gè)基礎(chǔ)不可能被推翻。
然而，迄今為止，幾乎全部與“慣性”相關(guān)的問題都仍是迷。如：慣性的起源是什么？為什么無(wú)法找到一個(gè)真正的慣性系？等等。這些問題，令一代又一代的物理學(xué)家糾結(jié)不已。這引起我思考：牛頓第一定律本身是否存在瑕疵呢？
經(jīng)過三年多時(shí)間反反復(fù)復(fù)的深思、辯論、修正，我在2016年9月2日完成了一篇較為成熟的博文《應(yīng)該為牛頓第一定律打個(gè)補(bǔ)丁》！簡(jiǎn)述如下：
【本文首先強(qiáng)調(diào)了牛頓第一定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是伽利略斜面實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的結(jié)論中，慣性運(yùn)動(dòng)是沿水平面，并不是沿直線；又論證了牛頓水桶實(shí)驗(yàn)中的“水”是相對(duì)于“絕對(duì)處所”——“引力場(chǎng)”在作絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，而不是普遍所誤解的“相對(duì)于絕對(duì)空間”！依此，第一定律所適用的參考系既不是絕對(duì)空間，也不是慣性系，而是“絕對(duì)處所”——“引力場(chǎng)”；既然慣性運(yùn)動(dòng)是引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，若沿直線，將違反機(jī)械能守恒定律。上述兩方面的理由，相互印證了慣性運(yùn)動(dòng)不是直線運(yùn)動(dòng)。
繼而指出，亞里士多德的“自然運(yùn)動(dòng)”應(yīng)該是指僅僅在萬(wàn)有引力作用下的運(yùn)動(dòng)，在牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力“之前”，普遍認(rèn)為自然運(yùn)動(dòng)是被自身推動(dòng)的，這個(gè)“自身推動(dòng)力”應(yīng)該就是牛頓所謂的“物質(zhì)固有的力”——慣性！因此可推斷，慣性就是萬(wàn)有引力！這個(gè)推斷具有非常厚實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)——至今的一切實(shí)驗(yàn)都證明了慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量，精度已高達(dá)10-12；且這個(gè)推斷與愛因斯坦的“慣性與引力本質(zhì)統(tǒng)一”觀點(diǎn)是殊途同歸！但這個(gè)推斷比等效原理更簡(jiǎn)明、更可信。
又對(duì)伽利略斜面實(shí)驗(yàn)中小球受力情況進(jìn)行分析，歸納出“慣性運(yùn)動(dòng)”就是在恒定大小引力作用下的最簡(jiǎn)單的自然運(yùn)動(dòng)，從而明確了第一定律的物理機(jī)制，以此為第一定律打了補(bǔ)?。?/span>相對(duì)于其所處的引力場(chǎng)，任何物體都保持靜止的或沿等勢(shì)面向前作勻速率運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，除非它所受到的引力大小發(fā)生了變化，或有其他的力作用于它，迫使它改變那個(gè)狀態(tài)。其優(yōu)越性是顯著的：1、明確了所適用的參考系；2、完全符合伽利略斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論；3、不違反機(jī)械能守恒定律。
還指出，按力學(xué)原理的分類原則，補(bǔ)丁后的第一定律妥帖地歸屬為不變分的積分原理，而原第一定律則相當(dāng)于其微分形式，通常情況下原第一定律仍然可用。因此，這個(gè)補(bǔ)丁并非另起爐灶，而是讓牛頓力學(xué)更完善。】
（如想深入了解該文，歡迎訪問http://blog.sina.com.cn/s/blog_940c9bd40102wupu.html）
如此補(bǔ)丁之后，慣性運(yùn)動(dòng)不再是沿直線的，靜止與勻速直線運(yùn)動(dòng)不再具有等價(jià)性，更重要的是，這個(gè)補(bǔ)丁明確了第一定律所適用的參考系是引力場(chǎng)，而不是一組相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的平權(quán)的慣性系。這當(dāng)然就意味著伽利略相對(duì)性原理失去了補(bǔ)丁后第一定律的支撐。換言之，補(bǔ)丁后的牛頓第一定律，為舍棄相對(duì)性原理提供了理論依據(jù)。
總論
在我看來，萬(wàn)有引力是無(wú)法屏蔽的，“引力場(chǎng)”就是一把解決物理學(xué)懸疑問題的金鑰匙！
為什么在伽利略相對(duì)性原理已經(jīng)得到確立的情況下，牛頓還要堅(jiān)持提出包含了絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間、絕對(duì)處所、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)時(shí)空觀呢？因?yàn)橄鄬?duì)性原理完全否定了絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的存在，而牛頓力學(xué)對(duì)于絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的需要是不可或缺的，牛頓寫作《原理》這篇巨著的目的“正是為了推知真正的運(yùn)動(dòng)”。當(dāng)我們清楚了水桶實(shí)驗(yàn)中的水是在相對(duì)于引力場(chǎng)作轉(zhuǎn)動(dòng)，我們就明白了引力場(chǎng)就是“絕對(duì)處所”，相對(duì)于引力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)就是“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”；也就可以知道，牛頓定律所適用的參考系就是引力場(chǎng)，而不是絕對(duì)空間或一組相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系；我們才發(fā)現(xiàn)“慣性”其實(shí)就是萬(wàn)有引力，萬(wàn)有引力定律并不是游離于牛頓三定律之外的流浪者；我們才明白牛頓第一定律必須打補(bǔ)丁，相對(duì)性原理確實(shí)應(yīng)該被舍棄。
而在清楚了引力場(chǎng)就是光以太之后，光速c就有了明確的參照物——地球引力場(chǎng)，因此，光速c并非是普適的！既非普適，何來“光速不變”！麥克斯韋方程組所適用的參考系當(dāng)然同牛頓定律一樣，也是引力場(chǎng)?。ㄟ@一點(diǎn)太和諧了！）ε0和μ0并不是π那樣的常數(shù)，而只是地球引力場(chǎng)的基本物理常量！光的傳播定律與相對(duì)性原理的抵觸是物理性抵觸，根本不可能用洛倫茲變換這種純數(shù)學(xué)變換來加以化解，解決抵觸的唯一辦法只能是舍棄相對(duì)性原理。
有了“引力場(chǎng)”這把金鑰匙，狹義相對(duì)論的第一條基本原理——“相對(duì)性原理”必然被舍棄；第二條基本原理——“光速不變”也不可能成立。如此，狹義相對(duì)論難道還不應(yīng)該被廢棄嗎？
上海金標(biāo)軟件有限公司
聯(lián)系客服
