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费邦镜:为什么说狭义相对论根本上就是错的

费邦镜:为什么说狭义相对论根本上就是错的

(2016-05-29 06:46:59)

为什么说狭义相对论根本上就是错的

 

费邦镜 20 16/05/27

 



   摘要:
本文从4个方面论证了狭义相对论根本上就是错的:1、用一个简明的思想实验论证了“同时的相对性”不成立;2、假设“引力场”就是“以太”,可让探寻以太所产生的所有矛盾都化为乌有,因此“引力场”这种物质就是“以太”;3、以确凿无疑的事实,证明了相对性原理不成立;4、指出“光速不变”与“声速不变”一样,都是指波速相对于媒质恒定,并非普适的原理。











 





引言

狭义相对论是20世纪初物理学的两大革命之一,之所以称为革命,是因为它彻底颠覆了“绝对时空观”。刘辽先生指出:“同时的相对性是爱因斯坦建立狭义相对论时空观的突破点”。但是,这个突破点却是错的。

 

一、“同时的相对性”不成立

不破除“同时的绝对性”,就无法创建狭义相对论,为了证明同时性是相对的,爱因斯坦设计了一个雷击火车的思想实验:

“假设有一列很长的火车,以恒速v延着图1所标明的方向在轨道上行驶。当我们说AB两处雷击相对于路基来说是同时的,我们的意思是:在发生闪电的A处和B处所发出的光,在路基AB这段距离的中点M相遇。”但是火车上的中点M'是在朝着来自B的光线行进,同时又在逃离来自A的光线。因此M'将先看见自B发出的光线,后看见自A发出的光线。所以,“对于路基是同时的若干事件,对于火车并不是同时的,反之亦然(同时性的相对性)。”[1]

这个思想实验对于狭义相对论是有决定意义的,100多年来,它始终是破除绝对同时观的最强有力武器。可惜,它的结论并不成立,理由如下:

1)该实验的大前提是“光速各向同性”,因为,唯有光速各向同性,AB处的光,才能同时在中点M相遇

但致命的是,根据相对论,这个大前提根本无法验证!

因为要验证光速各向同性,必须先测定各方向的单程光速,而为了测定单程光速,又必须先把安置在起点和终点的异地时钟校准同步。但是,爱因斯坦允许的对钟法又必须以光速各向同性为前提,[2]这就犯了科学的大忌——逻辑循环。

赵峥先生指出:“以相对论为核心的时空理论,从原则上否定了测量单程光速的可能性”,[3] 既然无法测量单程光速,那么光速各向同性当然也就无法验证,我们凭什么认可这个无法验证的大前提呢?

2)有人认为,狭义相对论的“光速不变原理”包含了“光速各向同性”,这个原理,如同欧几里得几何的公理一样,是无法证明,也无须验证的。

这种观点显然错误。因为我们都不否认:物理学是实验的科学,因此,与数学中的公理不同,物理学中的公理必须要有附加的约束——与真实世界相符!换言之,物理学的公理必须经得起实验的验证。否则,爱因斯坦只要提出“同时性是相对的”这个公理就行了,何必还要挖空心思设计一个思想实验来论证它呢?

鉴于上述两点,该思想实验并不能证明“同时性是相对的”。相反,有一个更合理更简明的实验,却可以明快地判定“同时的相对性”不成立:

如图2a),有一批结构相同的“好钟”,分放在路基和火车这两个刚性参考物体(坐标系)内,每个钟近旁都有一位观察者,火车以速度v相对路基向右匀速直线运动。

事先,路基上的观察者已经用爱因斯坦对钟法或其他对钟法把路基上的AB等钟校准同步;火车上的观察者也用同样的对钟法把火车上的PQ等钟校准同步。

注意,无论是根据牛顿力学,还是狭义相对论,在完成了这样的对钟之后,对于路基上的观察者来说,AB等钟将继续保持同步,而对于火车上的观察者来说,PQ等钟也将继续保持同步。[4]这是本实验的大前提。

当钟P与钟A擦肩而过时,观察者A观察到钟A比钟P快了t秒,当然,观察者P观察到的场景同观察者A观察到的是同一个场景,也观察到钟A比钟P快了t秒。于是,观察者P立即把自己身旁的钟拨快t秒,紧接着P又通知火车上的所有观察者(不强求用光信号通知):把自己身旁的钟都拨快t秒(各人拨钟动作不必同步)。当他们都完成了拨钟动作后,不仅路基上的AB等钟同步,火车上的PQ等钟同步,而且,路基和火车两个坐标系内所有的钟也全部都同步了!从此后,要比较两个异地事件是否同时发生(无论是否在同一坐标系),只要记录下事件近旁的钟的刻度,然后再拿记录进行比较就可以了,这也就意味着:同时性是绝对的!

且慢,立即有人会指出其中的毛病:根据相对论,运动的钟是会变慢的,即使把钟P和钟A在相遇时校准到同步,那么,随着时间的流逝,两个坐标系内的钟仍然不会同步,比如,钟P和钟B相遇时,指针转过的角度就不可能相同。

其实,这种情况是决不可能发生的。请看图2b),假定钟P和钟B相遇时,观察者P已完成了对鈡动作,现在我们采用反证法:

假设运动的钟真的会变慢,那么:【情况1,如果以路基为参考系,则钟P是运动的,观察者B(和P)将会观察到:钟P的指针转过的角度一定比钟B的要小;情况2,如果以火车为参考系,则钟B是运动的,观察者P(和B)将会观察到:钟P的指针转过的角度一定比钟B的要大。】请注意,这两种情况下,观察者PB观察到的是同一个场景,其结果不可能互相矛盾,所以“运动的钟会变慢”这一假设是不可能成立的。证毕。

这个实验,不需要任何“存在争议的前提”,比起爱因斯坦的那个必须以“光速各向同性”为前提的思想实验,当然更可靠、更可信!

因此,“同时的相对性”只能是错误的!

但是,人们不会因此而放弃狭义相对论,因为导致创建狭义相对论的主要原因是为了能解释那一堆“探寻以太所产生的尖锐矛盾”,大家已普遍迷信:只有狭义相对论才能够“驱散”那朵乌云。其实不然。

参考文献一

[1] A.爱因斯坦,狭义与广义相对论浅说,上海科学技术出版社,1979,P21~22

[2] A.爱因斯坦,物理学的进化,上海科学技术出版社,1979,P132

[3] 赵峥,相对论百问,北京师范大学出版社,2010,P39

[4] 刘辽、赵峥等,广义相对论(第二版),高等教育出版社,2004,序言

 

 

二、给“以太”平反昭雪

十九世纪末,经典物理学已经有了相当的发展和成果,当时的物理学家们普遍认为物理学已经发展到顶了,以后的任务无非是在细节上作些补充和修正。但眼光独到的开尔文指出:在物理学晴朗的天空上还有两朵令人不安的乌云。其中一朵是指“经典物理无法解释对'以太’的探寻实验”。正是为了驱散这朵乌云,爱因斯坦创建了狭义相对论。

那么物理学家们为什么如此注重探寻“以太”呢?

以太概念的提出,可以追溯到古希腊时代,亚里士多德认为天体间一定充满有某种媒质,这种媒质当时就称为以太。“17世纪法国的笛卡尔最先将以太引入科学,并赋予它某种力学性质。在笛卡尔看来,真空是不可理解的,物体之间的所有作用力都必须通过直接物体接触或通过中间媒介物质来传递。因此,空间不是空无所有的,而是被以太这种媒介物质所充满。”[1]笛卡尔的思想影响极大,统治整个欧洲长达一百年之久。

另一方面,关于光的本质究竟是粒子还是波,在古希腊就已经产生了分歧,一直争论不休。直到1865年,麦克斯韦成功地得出了真空中的电磁场方程,并指出光本身也是一种电磁波,从此,才有了光传播的真正理论。根据对机械波的经验,大家自然地认为,光既然是波,其传播也一定需要媒质,此媒质应该就是笛卡尔所说的“以太”。

我们都坚信,每一个关于运动的陈述都包含着一个物理的参考系,我们只能相对于其他物体来量度位移和速度。而从麦克斯韦方程可解出,光波在真空中沿各个方向的传播速度都为恒量c。那么,这一恒定的速度是相对于何物而言的呢?正如声速是相对于传播声音的媒质而言一样,光速c理应是相对于传播光的“以太”而言的。以麦克斯韦、洛伦兹为首的大多数物理学家都持这样的观点。

于是大家都和当年的牛顿一样,绞尽脑汁探寻“以太”,然而,以太无影无踪,各种探寻以太的结果相互冲突:

1)普遍认为,地球是在以太海洋中漂移。

1728年,布拉德雷发现光行差现象:为了能看到天顶附近的恒星,不能将望远镜绝对竖直地放置,而必须将望远镜轴线调整到偏向地球的公转运动方向,向前倾斜20.5’ 角度,望远镜的轴线在一年中描画一圆锥。

“当我们开始利用光的理论来分析光行差现象时,粒子模型显然能够提供一个非常现成的解释:光行差现象恰好同下落的雨滴的情形类似。然而,只要以太完全不受地球运动的干扰,借助在以太中穿行的波动也能解释这一效应。另一方面,如果地球附近的以太随地球而动,那么就不会发生光行差现象。”[2]

因此,大家都认同,光行差现象证明了地球运动并没有拖曳以太。

21818年菲涅尔提出部分曳引假说,即在透明物体中,光可以部分地被这一透明物体曳引:曳引系数k= 1 - 1/n2 n为透明物体的折射率。1851年斐索做了流水中比较光速的实验,其原理是将一束光射到半镀银的镜片上分为两束,让这两束光分别通过顺水流和逆水流,然后会合,射到一个望远镜中,在望远镜中可以看到这两束光分别受水流曳引后所产生的干涉条纹。斐索实验的结果非常符合菲涅尔的假说,“1868年霍克用更为严密的以太漂移实验,进一步证实了菲涅尔的部分曳引假说,从而使这一假说成了以太理论的重要支柱”。[3]

“斐索实验可以简单地用以太既不为仪器拖曳又不为仪器中运动的水拖曳这种说法给以解释,部分曳引是由于折射媒质的运动所致”。[4]而且,“斐索实验的结果可以看作是对恒星光行差观测的加强支持。两种实验结果均能通过下面的假定予以解释:运动物体并不把它的任何运动速度传给以太”。[2]

3)既然光行差现象和斐索实验都证明地球不能拖曳以太,而地球又在轨道上以30公里/秒的速度运行,那么,在地球上应该可以测定以太的漂移速度。在麦克斯韦的激励下,迈克尔逊发明出一种空前灵敏的干涉仪,他确信可以根据干涉条纹的位移推算出这一漂移速度,但他没能如愿。

后来,迈克尔逊邀请莫雷一起,进一步改进了干涉仪实验,把精度提高到可以分辨0.01个条纹间距的位移。他们推测以太漂移速度为30公里/秒,据此,预期可观测到0.4个条纹间距的位移。1887年,迈克尔逊与莫雷连续4天从早到晚进行实验,却始终观测不到预期的条纹位移。过了半年以后,他们又做了一次观测,仍然没有发现预期的条纹位移,这使他们大失所望。他们的结论是:“即使由于地球与光以太之间的相对运动会使条纹产生任何位移,这位移不可能大于条纹间距的0.01。”[3] 这相当于给出了“以太漂移的速度上限是4.7公里/秒”。

-莫实验的结果发表后,几乎所有的科学家都膛目结舌!

普遍认为这相当于“零结果”,证明地球完全拖曳了以太,这与斐索实验和光行差现象的结论恰恰相反!这似乎是对菲涅尔部分曳引假说这一以太理论支柱的致命打击

4)但是,迈克尔逊和莫雷坚信以太理论,他们倾向于用斯托克斯的“完全曳引假说”来解释这个“零结果”。[3]


1845
年,斯托克斯提出黏性流体运动理论,次年,他用这一理论漂亮地解释了光行差现象:“紧挨着地球的以太应当整个地同地球一起运行,围绕地球的以太云在地球沿轨道运动时为地球所完全裹携走。不过,这云的各层是以不同的速度在运行的:云层离开地球越远,它的速度就越小。……由于光速在紧挨地球的比较密的以太层中减慢,所以来自恒星的光的波前就转向,这正确解释了所观察到的光行差”[5]

迈克尔逊和莫雷依此认为,既然“紧挨着地球的以太整个地同地球一起运行”,那么地表就不会有以太漂移,这能很好地解释迈-莫实验的零结果。

5)但是,从斯托克斯假说出发,必然会引出一个结论,即在运动物体表面有一速度梯度的区域,在运动物体附近,总可以察觉出这一效应。于是洛奇在1892年做了一个钢盘转动实验,以试验以太的漂移。但洛奇的实验证实:紧挨着钢盘的以太,完全没有被高速转动的钢盘带动,这一结果导致人们对斯托克斯的假说失去了信心。[3]

总之,所有对以太探寻的结果相互矛盾,无法调和。这就是那朵乌云

26岁的爱因斯坦,初生牛犊不怕虎。他说:“最初,我并不怀疑以太的存在,不怀疑地球相对以太的运动”,但在得知迈-莫实验的零结果后,爱因斯坦就干脆否定了以太的存在,他承认:“这是引导我走向狭义相对论的第一步。”[3]

那么,除了判处以太的死刑,难道就真的别无选择了吗? 否!

笛卡尔和牛顿都曾经认为:传播光和传递引力的媒质就是以太,[6] 但是,受时代的限制,他们终生没能找到这个以太。现代的我们已知道无形的“场”也是一种物质,如同电磁力是依赖“电磁场”传递的那样,引力是依赖“引力场”传递的。我们自然会联想,光是否也是依赖“引力场”这种物质传播的呢?

不妨先假设“引力场”就是以太,看看能否化解探寻以太所产生的矛盾:

斯托克斯解释光行差现象的“以太云”,难道不正是非常形象的“引力场”吗?紧挨着地球的引力场当然整个地随地球一起在轨道上运行,而离开地球越远,那里的引力场受地球运动的曳引当然就越小。“引力场”可以对光行差现象作出非常漂亮的解释。而迈-莫实验之所以是零结果,那是因为该实验是在与地球“同步”的地面引力场中进行的,既然“同步”,何来漂移?光行差现象与迈-莫实验并没有矛盾。

而洛奇的钢盘,无论多重,也无论怎样高速旋转,其质量分布并没变化,当然引力场也不会发生变化,所以旋转钢盘完全没有带动以太的理由,这与斯托克斯的假说毫无矛盾。

至于斐索实验,其流水无论如何流动,都不会改变光路的引力场,当然流水就不会拖曳以太,部分曳引并非是“以太”被拖曳,而是因透明介质的运动导致了介质中的光速发生变化。而迈-莫实验是在地面引力场中进行的,这个以太当然被地球完全拖曳。两者并不矛盾,菲涅尔的“以太理论支柱”完全靠得住!

简言之,并非一切物质运动都能曳引“以太”,而只有能拖曳“引力场”的物质运动,才能曳引“以太”。如此,探寻以太所产生的所有矛盾都化为乌有。

“引力场”作为一种物质,当然可以就是“以太”

可见,判处“以太”死刑就是一个怨假错案,爱因斯坦走向狭义相对论的第一步就错了

且慢,如果引力场就是以太,那么,从麦克斯韦方程解出的光速c就仅仅是相对于引力场这个特殊参考系而言的,而根据相对性原理,这样的特殊参考系是不存在的,难道麦克斯韦方程可以违反相对性原理吗?

参考文献二

[1] 武际可,力学史杂谈,高等教育出版社,2009,P237

[2] A.P.弗伦奇,狭义相对论,人民教育出版社,张大卫译,1979,P44、50

[3] 郭奕玲、沈慧君,物理学史(第2版),清华大学出版社,2009,P166~167、170~171、186

[4] R.瑞斯尼克,相对论和早期量子论中的基本概念,上海科学技术出版社,1978,P30

[5] В.И.雷德尼克,场,科学普及出版社,周昌忠译,1981,P50

[6] 阎康年,牛顿的科学发现与科学思想,湖南教育出版社,1989,P121、418

 

三、“相对性原理”明显违反事实

狭义相对论的第一条基本原理就是相对性原理。爱因斯坦坚信:“有两个普遍事实在一开始就给予相对性原理的正确性以很有力的支撑。”[1]

【第一个普遍事实】

爱因斯坦说:“在力学领域中应用相对性原理必然达到很高的准确度。一个具有如此广泛的普遍性的原理,在物理现象的一个领域中的有效性具有这样高的准确度,而在另一个领域中居然会无效,这从先验的观点来看是不大可能的。”[1]

那么,相对性原理在力学中果真有效吗?

为了避免歧义,让我们先确认一下爱因斯坦所表述的伽利略相对性原理:“假使力学定律在一个坐标系中是有效的,那么在任何其他相对于这个坐标系作匀速直线运动的坐标系中也是有效的。假使有两个坐标系,相互作不等速运动,则力学定律不会在两者之中都是有效的。”[2]

很可惜,伽利略相对性原理并没有内在的物理机制,也没有“可靠”的实验依据,所能查证的,仅仅就是伽利略所描述的大船上的那些极其粗略的力学现象。

而大家熟知的事实是:

1)力学定律在固定于地球的坐标系中是非常有效的,不然,伽利略、牛顿他们,怎么可能在地球实验室中,归纳、总结出力学定律呢?

2)爱因斯坦承认:力学定律在关联于太阳的坐标系上,比在关联于地球的坐标系上更有效。[2]

3)爱因斯坦认为:力学定律在自由落体的电梯上和在地面上一样有效。[2]

4关掉引擎且无自转的航天器上,宇航员们证明了力学定律非常有效。

上述这四个坐标系,它们相互之间绝对不是在作匀速直线运动,而且这并不是因为“误差所造成的”,但是,力学定律居然在它们之中都非常有效!

而且我们不难推测,在月球实验室中,在火星实验室中,在其他星球的实验室中,力学定律也一定和在地球上一样有效!但是,所有这些实验室相互之间并不是在作匀速直线运动。

显然,伽利略相对性原理违反事实,即使在力学中也无效!

【第二个普遍事实】

爱因斯坦说:“由于我们的地球是在环绕太阳的轨道上运行,因而我们可以把地球比作以每秒大约30公里的速度行驶的火车车厢。如果相对性原理是不正确的,我们就应该预料到,地球在任一时刻的运动方向将会在自然界定律中表现出来,而且物理系统的行为将与其相对于地球的空间取向有关……但是,最仔细的观察也从来没有显示出地球物理空间的这种各向异性(即不同方向的物理不等效性)这是一个支持相对性原理的十分强有力的论据。”[1]

爱因斯坦的这段话逻辑非常清晰:如果能找到地球物理空间各向异性的证据,就可以证明相对性原理是不正确的。

很不幸,居然被我找到了两个“地球物理空间各向异性”的证据。

第一个证据:【1728年,布拉德雷发现光行差现象:为了能看到天顶的恒星,不能将望远镜绝对竖直地放置,而必须将望远镜轴线调整到偏向地球的公转运动方向,向前倾斜20.5’角度。】[3]

这当然意味着地球物理空间是各向异性的!各向同性的话还需要总是向一个方向倾斜吗?

第二个证据:【1971年,HafeleKeating……将四只铯原子钟放到飞机上,飞机在赤道平面附近高速度向东及向西绕地球航行一周后回到地面,然后将飞机上的四只铯原子钟与一直静止在地面上的铯原子钟的读数进行比较,发现向东飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均慢了59×10-9秒;而向西飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均快了273×10-9秒。】[4]

这个实验的结果告诉我们:向东飞行的原子钟比地球上的要慢,而向西飞行的原子钟比地球上的要快。这当然意味着地球物理空间是各向异性的!

既然光行差现象和原子钟环球航行实验都证明了地球物理空间是各向异性的,那么,爱因斯坦自认为十分强有力的论据也就彻底垮掉了

可见,相对性原理违反了多个事实,证据确凿无疑

有了特殊参考系的麦克斯韦方程与相对性原理相抵触,只是为舍弃相对性原理又增加了一条理由。

爱因斯坦坦言:许多著名的理论物理学家比较倾向于舍弃相对性原理”。[1]可惜这些物理学家当时都拿不出应该舍弃的理由。

参考文献三

[1] A.爱因斯坦,狭义与广义相对论浅说,上海科学技术出版社,杨润殷译,1964,P12、13、17

[2] A.爱因斯坦,物理学的进化,上海科学技术出版社,周肇威译,1979,P114、156、159

[3] R.瑞斯尼克,相对论和早期量子论中的基本概念,上海科学技术出版社,上海师范大学物理系译,1978,P26

[4] 张元仲,狭义相对论实验基础,科学出版社,1994,64

  

四、“光速不变”与“声速不变”一样,并非普适的原理

19世纪后半叶,光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。与此同时,电磁理论也为光速的不变性提供了理论依据。1865年麦克斯韦在《电磁场的动力学理论》一文中,就从波动方程得出了电磁波的传播速度,并且证明,电磁波的传播速度只取决于传播介质的性质。”[1]

以麦克斯韦、洛伦兹为首的大多数物理学家都认为传播光的媒质就是以太,这个不变的光速当然是相对于以太而言的。但是,在以太被爱因斯坦判了死刑之后,谁也不知道光速c是相对于什么参照物度量出来的。爱因斯坦认为:迈-莫实验证实,“相对于作为参照物体的地球,电磁和光的现象并不受地球平动速度的影响。”[2]c v =c-v = c,其中v=30km/s。因此,c被他赋予了比时间更绝对的性质,光速不变从而被提升为原理。

在第二章,我已论证了光以太就是引力场,这意味着迈-莫实验中,因实验装置与以太同步,故v=0,而不是v=30km/s,因此才会有:cv = c-v = c。显然,“光速不变”仅仅是指相对于引力场的光速恒定!这如同在空气中,“声速不变”仅仅是指相对于空气的声速恒定一样,毫无特别之处,根本就不是普适的原理。

由麦克斯韦方程可解出真空中的光速c=√1/(ε0μ0),其中的ε0是真空电容率,μ0是真空磁导率。这个“真空”,只不过是指“托里拆利实验”中不含有空气等实物粒子的“真空”。我认为,真空中必定存在引力场。根据“引力透镜”、“雷达回波延迟”等等现象,可以推断,在引力场强度不同的地方,会有不同的ε0μ0光速当然就不会不变!

参考文献四

[1] 郭奕玲、沈慧君,物理学史(第2版),清华大学出版社,2009,P182

[2] A.爱因斯坦,相对论的意义,科学出版社,李灏译,1979,P17

 

 

总论

既然相对论时空观的突破点——“同时的相对性”是错误的;“以太”也得到了平反昭雪;且第一条基本原理——相对性原理违反了多个事实;第二条基本原理——“光速不变”也从原理的宝座上跌落下来了,那么,只能说,狭义相对论根本上就是错的。

 

                                                                        上海市老科协创新委 费邦镜 2016/05/27

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