正確認識、理解、對待相對論
楊
關(guān)鍵詞:牛頓物理學(xué)，狹義相對論，相對性原理，時空變換，相對論時空的方向特征，相對論是客觀存在的自然規(guī)律
愛因斯坦是偉大的科學(xué)家。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的相對論，是地球人認識相對運動系統(tǒng)內(nèi)，物質(zhì)運動變化規(guī)律的科學(xué)理論，研究宇宙中的問題，特別需要相對論。
愛因斯坦在《論運動物體的電動力學(xué)》中，介紹了狹義相對論的具備內(nèi)容，但沒有給相對論作出明確的定義。這就跟后來研究相對論的人們，沒有一個明確的規(guī)范，現(xiàn)在有些人沒有真正搞懂相對論，隨便將自的一些觀點和看法，寫成《XX時空》，《XX相對論》等書刊，自命為是相對論創(chuàng)新的東西，并流傳到市場上。如果人們認真地閱讀一下這些書刊，就會清楚，這些東西不是相對論范疇的東西，用這些東西推不翻相對論，但污染了學(xué)術(shù)環(huán)境，誤導(dǎo)了求知的青少年。
1，相對論及時空變換的定義
什么是相對論?相對論，就是研究相對運動系統(tǒng)內(nèi)，物質(zhì)運動變化規(guī)律的時空理論。
什么相對論的時空變換?就是在相對運動系統(tǒng)中，測量同一事件的時間和空間之間的關(guān)系，就叫做相對論的時空變換。
以上有關(guān)相對論的基本定義，是從狹義相對論的具體內(nèi)容中總結(jié)出來的。本文陳述的相對論，指的是狹義相對論。
相對論的核心是時空變換。建立狹義相對論的時空變換，需要光信號來傳遞信息，以光為基礎(chǔ)用待定系數(shù)法，推導(dǎo)相對論的時空變換時，就需要要
相對論的時空變換需要滿足線性迭加原理，這就需要相對性原理。因為，線性迭加規(guī)律只能在慣性系統(tǒng)中成立，所以，愛因斯坦將相對論建立在慣性系統(tǒng)中。這就是愛因斯坦作出兩條基本假設(shè)的原因。
什么是相對性原理?就是在相對做勻速直線運動的系統(tǒng)中，表達物體運動規(guī)律的數(shù)學(xué)物理方程，都具有相同的形式，就叫相對性原理。相對性原理，是宇宙中客觀存在自然規(guī)律，是科學(xué)研究的基礎(chǔ)。相對論是建立在相對性原理基礎(chǔ)之上的理論，牛頓物理學(xué)也是建立在相對性原理基礎(chǔ)之上的理論。沒有相對性原理，狹義相對論和牛頓物理學(xué)都將不能成立。
什么是光速不變原理呢?就是光無論是從靜止系統(tǒng)中發(fā)出來的，或是從運動系統(tǒng)中發(fā)出來的，都具有相同的傳播速度，這就是光速不變原理。世界各國科學(xué)家通過大量的實驗證明，宇宙中天體發(fā)出來的自然光，都具有恒定不變的傳播速度這是客觀存在的事實，用光來傳遞宇宙信息，就能保持信息的面貌。
20世紀初期，由于當時的科學(xué)水平與愛因斯坦的學(xué)識程度所限，愛因斯坦在建立狹義相對論時才提出了兩條基本假設(shè)。實質(zhì)上，狹義相對論是建立在相對性基礎(chǔ)之上的時空理論，光只是用來傳慈信息，狹義相對論不需要作任何假設(shè)，就可以建立起來。
3，洛侖茲變換的直接推導(dǎo)
愛因斯坦用待定數(shù)學(xué)法，推導(dǎo)狹義相對論的時空變換，它要借助于光速
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下面，我們介紹一種已經(jīng)廣為流傳的運動模型，直接推導(dǎo)出洛侖茲變換。
A
[圖1]所示，一列以速度V均速運動的火車，某一時刻，一乘客從車箱底A點，垂直向車箱頂射出一光信號。由于火車在勻速運動，光從車箱底傳播到車箱頂這段時間內(nèi)，火車前進了一段距離
式就是洛侖茲變換。狹義相對論不僅僅只有洛侖茲變換一種，狹義相對論有多種形式的時空變換。當時，由于愛因斯坦誤以為洛侖茲變換是唯一性的，就沒有繼續(xù)去尋相對論時空變換的普適表達式。愛因斯坦為了保住洛侖茲變換在狹義相對論中的存在，就人為地作出了兩條規(guī)定:一，宇宙中一切物體的運動速度以光速為極限;二，光子的靜止質(zhì)量為零。
這兩條人為的規(guī)定，就是狹義相對論的主要缺陷，也是否定相對論的人們，當成反相對論的把炳來抓。如果找到了相對論時空變換的普適公式，這兩條規(guī)定就可以取消了。
我們在[圖1]相同的條件下，改變光的傳播方向，如[圖2]所示，光沿著AE方向射出，使其地上的人觀測到光從A傳播到F，由[圖2]得:
(1)式和(2)式都是狹義相對論的時空變換公式，并充分顯示出了狹義相對論時空的方向特征，這也表明洛侖變換不是狹義相對論的唯一表達式。
相對論時空與孤立時空的性質(zhì)不同，不是各向同性的，相對論時空是隨物質(zhì)在相對運動系統(tǒng)中的運動方向變化而變化的，相對論時空有伸也有縮，這是愛因斯坦沒有發(fā)現(xiàn)的。
相對論時空的伸縮特性，多普勒效應(yīng)就作出了最好的解釋和證明(請參閱作者發(fā)表在《多普勒效應(yīng)的寬帶原理及其實際應(yīng)用》，2001年16期《通信世界》)。
二，相對論新時空理論的建立
1，人造“四維時空”
愛因斯坦，為了將物體的曲線運動，簡化為直線運動來處理費盡了心機。愛因斯坦的老師閔可夫斯基，給愛因斯坦開出了一個藥方，將時間作幾何化處理，提出了一個“四維時空”。將X、Y、Z三維空間，加進一個時間t融為一體，構(gòu)成“四維時空”。愛因斯坦想借助四維時空，提出世界線觀點，企圖將曲線直線化處理，用來解決廣義相對論的問題，但沒有獲得成功，最后才轉(zhuǎn)向張量表述法，來描述廣義相對論。
四維時空，只是一種數(shù)學(xué)表述手段，沒有多在的物理意義。
2，什么是真正的相對論?
什么是相對論?什么是相對論的時空變換?這是檢驗真假相對論的試金石。真正的相對論，必須具備三個基本要素:
第一，
第二， 相對運動系統(tǒng)都要處于動態(tài)平衡狀態(tài)(愛因斯坦所稱的慣性狀態(tài));
第三， 系統(tǒng)中要有物質(zhì)存在，
研究物質(zhì)在相對運動系統(tǒng)中的時空關(guān)系，才是真正的相對論。
物理學(xué)原理，只有用數(shù)學(xué)方程表示出來，才有明確的定量意義，才能會諸實際應(yīng)用，推動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)在，一些反對相對論的人們，常常用文字大談特談他們?nèi)绾畏磳ο鄬φ?，卻拿不出物理模型及其數(shù)學(xué)表達式，就想推翻愛因斯坦相對論。科學(xué)研究要嚴謹辦事，動不動就要推翻這個科學(xué)理論，推翻哪個科學(xué)理論，這些人寫出文章各種學(xué)報和期刊都不采用，難道說這些編輯們都不識貨嗎?反相對論的人們，應(yīng)當冷靜下來，好好清理一下思維，總結(jié)一下經(jīng)驗教訓(xùn)。
相對論的核心是時空變換，什么是相對論的時空變換?就是“在相對運動系統(tǒng)中，測量同一事件的時間和空間之間的關(guān)系，就是相對論的時空變換?！?/b>
這里，我將選用發(fā)表在《科學(xué)中國人十年優(yōu)秀論文選》論文《相對論的基本原理》中介紹的方法，來直接推導(dǎo)相對論的時空變換普適公式。
以下二圖，在τ= t =O時，Σ，和Σ重合。當Σ`相對于Σ開始運動的同時，從原點射出一光從信號。光在Σ系統(tǒng)中經(jīng)過時間t，在Σ`系統(tǒng)中經(jīng)過時間，到達的同一終點P。這就是同一事件，在相對運動系統(tǒng)中，得的不同時空中的結(jié)果。依此，就可以直接推導(dǎo)出相對論時空變換的普適公式。
[圖3]所示有:
0
將A和B兩式平方后相加得:-----(C)，
將(C)式移項整理得:
在[圖4]所示的情形下得到:
------(C)
將(C)和(D)兩式平方后相加:，經(jīng)整理得:
----------(4)
三，相對論與牛頓物理學(xué)的關(guān)系
1，空坐標的時空關(guān)系不是相對論的時空變換
[圖5]所示，就是兩個空坐標之間的時空關(guān)系，人們稱它伽里略變換。
現(xiàn)在，在市面上出現(xiàn)的一些書刊中，有的人提出所謂“絕對時空原理”，“同時的絕對性原理”，等等，用絕對時空觀點來否定相對論。相對論，是研究相對運動系統(tǒng)內(nèi)，物質(zhì)運動變化的時空關(guān)系，沒有物質(zhì)存在的空坐標之間的時空關(guān)系，不是相對論的時空變換，用它否定不了相對論
宇宙萬物都處在相對運動之中，靜止只具有相對性的意義，這是客觀存在的事實?，F(xiàn)在有些反相對論人們，把牛頓物理學(xué)與相對論對立起來，用“時空的絕對性原理”來否定相對論，保衛(wèi)牛頓物理學(xué)，是沒有意義的，也是不可能成功的。
相對論是研究相對運動著的系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)運動變化規(guī)律的科學(xué)。在宇宙中，地球人怎么去觀測，去認識地球之外運動著的天體中，物質(zhì)運動變化的規(guī)律呢?難道說，你能跑到別的天體上去摸著石頭過河，檢驗?zāi)愕慕^對時空理論嗎?研究宇宙天體中物質(zhì)運動變化的規(guī)律，不靠相對論原理和測量方法是不行的。地球人在地球上看到月亮與太陽差不多大，這是眼見的事實，天體測量的結(jié)果是太陽比月亮大很多，是眼見為是?還是測量為是?牛頓物理學(xué)認為，相對運動著的系統(tǒng)中時空是絕對的，以此擴大到研究宇宙中的天體運動規(guī)律，得到的結(jié)果這肯定是不對的。
下面，我們以船過河為例，來闡明牛頓物理學(xué)與相對論的時空關(guān)系。
A，牛頓時空與平行四邊形法則
地面與流水組成相對運動系統(tǒng)，就是一個動態(tài)平衡系統(tǒng)。對于船過河這個事件，牛頓物理學(xué)和相對論有什么區(qū)別?我們就來仔細分析一下。
[圖6]所示，船從M岸的A點出發(fā)，向N岸垂直劃行過去，船的劃行速度和方向始終保持不變。對于船過河這個事件，如果關(guān)上船上的窗子，船上的人只知道船是垂直過的河(從A到B)。岸上的人看到的是船從A出發(fā)，到達了對岸的C，這就是同一事件在相對運動中產(chǎn)生了不同的時空結(jié)果。
設(shè)河寬MN，水流的速度為V2，船的劃行速度設(shè)為V1。牛頓主觀的認為，船過河無論岸上還是船上，所用的時間t是相同的。并用矢量合成的平行四邊形法則處理，得到:
由此得:
B
[圖7]所示，設(shè)船過河的劃行速度 ，劃行方向垂直于河岸。水流的速度為 。對于船過河這個同一事件，由于相對論效應(yīng)引起了時空的伸縮，導(dǎo)致不同的路程結(jié)果。設(shè)船上用 記時;岸上用t計時。由矢量運算平行四邊形法則得:
(6)式給出的結(jié)果表明，對于船過河這個同一事件，用矢量法則處理得到的結(jié)果，與用相對論時空變換得到的結(jié)果相同。事實表明，船過河的相對論結(jié)果，與采用什么樣的數(shù)學(xué)方法處理無關(guān)。事實充分表明，相對論比牛頓物理學(xué)更具有自然規(guī)律的客觀性。
3
[ 圖8]所示，改變船的劃行方向，讓船偏AB向左一個角度出發(fā)，使岸上的人剛好看到船沿垂直方向AC過的河，根據(jù)牛頓物理學(xué)的矢量運算法則，得到的結(jié)果是:
[圖9]根據(jù)相對論原理，時空是相對的，船劃行速度是不變的，根據(jù)矢量運算法則得:
(7)式與(8)式表明，牛頓物理學(xué)與相對論，都分別滿足各自的理論，并不相互排斥。反相對論的人們，用不著推翻相對論去保衛(wèi)牛頓物理學(xué)，牛頓物理學(xué)是包含的相對論中的。
“莫道昆明池水淺，觀魚勝過富春江?！?/span>奉勸那些否定相對論的人們，靜下心來，用點時間認真學(xué)習(xí)和理解一下相對論，弄清楚了什么是相對論?什么是相對論的時空變換?你們就會明白，科學(xué)研究不能跟著別人的感覺走，更不能迷信那些“全能權(quán)威”的觀點，從愛因斯坦的忠告“無知的權(quán)威，是真理的最大敵人?！敝星逍堰^來。
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3，相對論存在一些缺陷，但相對論是客觀存在的自然規(guī)律，我們搞科學(xué)研究的目的，就是要不斷地糾正前人的錯誤，并補充和發(fā)展那些不完善的科學(xué)理論，以推動社會的發(fā)展和前進。
4，100多年的科學(xué)發(fā)展歷史表明，盡管有一些諾貝爾獎得主，一些院士加入了反相對論的行列，相對論還是沒有被推翻。反相對論的人們，請你們用“什么是相對論”，“什么是相對論的時空變換”，深思熟慮一下你們的觀點，正確把握科學(xué)研究思想和方法，為中國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展多做一些有意義的事。
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