作者：彭晓韬
日期：2018年03月02日
[文章摘要]：爱因斯坦的相对论以光速不变假设及相对性原理为基础，推论出时间、尺规和质量与运动速度相关的结论。但此推论存在明显的逻辑错误。同时，目前几乎所有的验证实验均存在不能直接证明光速恒定或时间、尺规和质量随运动速度发生变化。绝大部分测量光速的实验均在地球大气层内完成，所测量到的仅为光波在大气层内的运动速度，因此速度才基本相等。而验证时间、尺规和质量与运动速度有关的实验也存在解释的非唯一性，也不足以证明时间、尺规和质量与运动速度真的存在相关性。本文就此进行了比较详实的分析，并在此基础上提出了验证分析是否正确的方法。供有条件进行验证的单位与个人参考。
关键词：相对论时空观；逻辑矛盾；大空实测光速
一、相对论时空观简介
简单地说，爱因斯坦的相对论时空观要点是：运动速度越快的时钟走得越慢、尺规越短、质量越大。即：
假设在静止的参照系内的时钟计时为t、尺规为l、质量为m；
在以V速度运动的参照系中的时钟计时为T、尺规为Ｌ、质量为Ｍ。则有：
相对论推导的速度叠加公式：
当在某一静止参照系中存在二个运动物体时，我们假设他们在静止参照系中的速度分别为Ｕ和Ｗ，则在以速度Ｕ运动的参照系中测量以Ｗ速度运动的物体时，其速度为Ｖ。则有：
二、相对论时空观的矛盾分析
1、逻辑分析：从逻辑上讲，运动是相对的。即甲物体相对乙物体存在运动速度Ｖ时，乙物体也相对甲物体存在运动速度Ｖ，只是两者看对方的运动方向相反而已。也就是甲认为乙在往西运动时，乙则认为甲在往东运动，仅此而已。另一方面，世界万物的运动是绝对的，不运动是相对的。因此，如果时间、尺规和质量与运动速度相关的话，世界上就没有了统一的时间、尺规和质量标准了。每个运动的物体，甚至分子和原子以及原子中的电子和原子核都得有个自己的时间、尺规和质量计量标准了。我们利用地球自转一周为24小时定义的时间就无法在地球上的任何地方使用了，因为地球上的每一个原子都是在运动的！以地球子午线定义的长度单位也不能在地球上的任何地方使用了。还有人为定义的质量单位和以此为基础通过各种方式推算出的地球、月球、太阳等天体的总质量等均是不可信的。因此这些天体相对地球并非静止。因此，应该这样去理解时间、尺规和质量，人们在定义或推演时间、尺规和质量时已经把存在的相对运动给消除了，无须再考虑因运动导致的变化问题。
2、系数K(V)的数理分析：在Ｖ的取值区间为（-Ｃ，Ｃ）时，K(V)（或1/K(V)）具有如下三个特性：
2.1、最小值：当Ｖ＝0时，K(0)＝1为最小值（1/K(0)＝1为最大值）；
2.2、对称性：当Ｖ＝－Ｖ时，K(-V)＝K(V)（1/K(-V)＝1/K(V)）；
2.3、单调性：当Ｖ在[0，Ｃ）时，K(V)为单调增函数（1/K(-V)为单调减函数）。
3、内在矛盾
3.1、相等条件：根据上面对K(V)函数特性的分析可知：当Ｖ＝0时，两个参照系中的时间、尺规和质量才相等；
3.2、与运动方向无关：根据上面对K(V)函数特性的分析可知：K(V)的值仅与Ｖ的大小有关，与运动方向无关。即：K(-V)＝K(V)。也就是说：在某一参照系中，以等速向任何方向运动的参照系中的时钟、尺规和质量均是相等的。也就是说：两个以相同速度朝相反方向运动的参照系中的时间、尺规和质量是相等的；
3.3、反向运动相对速度：按照（公式2），当Ｕ＝-Ｗ时，有：
当0<> 3.4、反向运动参照系的时间、尺规和质量：根据上面3.3款中的计算，两个以相同速度值朝相反方向运动的参照系间的相对速度Ｖ>Ｗ，K(V)又为单增函数。因此有： K(V)>K(W) （公式4） 也就是说：从以Ｗ速度正向运动的参照系中观测以Ｗ速度反向运动的参照系中的时间、尺规和质量的变化量应大于在静止参照系中观测以Ｗ速度向正向或向反向运动的参照系中的相应变化量；反过来，从以Ｗ速度反向运动的参照系中观测以Ｗ速度正向运动的参照系中的时间、尺规和质量的变化量也大于在静止参照系中观测以Ｗ速度向正向或向反向运动的参照系中的相应变化量。 4、存在的矛盾 4.1、按照相对论推论的时空转换方法，相对运动速度不等于0的参照系间的时间、尺规和质量是不能相等的。只有相对速度等于0时，时间、尺规和质量才能相等； 4.2、两个以相同速度值反向运动的参照系中的时间、尺规和质量是相等的； 4.3、两个以相同速度值反向运动的参照系间的相对速度不仅不为0，且大于相对静止参照系的速度值。因此他们的时间、尺规和质量不应相等。 4.4、矛盾问题：以相同速度值反向运动的参照系中的时间、尺规和质量到底是相等还是差异比相对静止参照系的更大？ 三、简要分析被认定为支持相对论时空观实验的有效性 1、水星轨道近日点的进动 相对论对利用牛顿动力学预测的水星轨道近日点与实测值间存在的43弧秒的误差修正被认定为证明相对论是正确的最有力证据。但也有不少反对意见认为用牛顿动力学预测的值与实测值的差异在计算误差范围内，不足以证明相对论的正确性。如：吴大猷先生认为：“在水星之情形，观察的结果，需先做许多校正(如受其他星星之干扰等)这些校正，总值达5160″ 之巨，剩余43″实不及总值的百分之一”。吴大猷先生的说法不无道理，从另一个角度来看，在依据牛顿力学计算的时候涉及数个物理量，每一个物理量的取值也会影响计算结果，计算过程多个物理量累计精度达不到百分之一，就根本不能说明牛顿力学错误。此外，影响水星近日点进动的因素很多，任何微小的变动都会影响到对广义相对论的验证的可信度。因此，这个问题尚需要继续研究（此方面的观点引自网址http://tieba.baidu.com/p/3385026776之天方叶弹）。最主要的原因应该是：在牛顿动力学预测中未考虑水星自转的作用。而相对论预测中考虑了水星的自转作用。因此，把水星自转的效应加入牛顿动力学预测计算结果后，才能用来判定牛顿动力学和相对论的对错。还有就是：牛顿动力学预测中未考虑万有引力的传递速度问题，而相对论计算时考虑到了万有引力的传递速度。因此，水星轨道近日点的进动校正并不能完全说明相对论是正确无误的。至少无法直接证明光速在任何参照系中是恒定的。也不能直接证明时间、尺规和质量是随运动速度的变化而变化的。 2、光波在太阳附近的偏折 当日食期间，太阳发光部分被月球遮挡后，星光从太阳和月球附近经过而到达地球过程中，星光的运动轨迹发生明显偏转。观测结果显示：前期的实测结果约为相对论预测值的一半左右，后来改用无线电波段进行观测才实测出星光的偏转角度与相对论预测基本吻合（详见网址http://tieba.baidu.com/p/3385026776中的介绍），由此认定相对论是正确的。但很可能有其他可能性导致星光从太阳附近经过时发生偏转。最可能的原因是：太阳周围存在厚度很大、密度随离太阳表面的距离减小的不发光气体层，类似于地球的大气层。光波在横穿太阳外层气体层时将由于介质的不均匀而发生路径偏转，如同地球上出现海市蜃楼类折射一样。如下图一所示。 本项实验还存在一个比较大的疑问：可见光波段的偏转量为什么小于无线电波段？按照相对论和量子力学理论，频率越高的电磁波的动质量越大，受到太阳引力的作用越大，越容易改变运动方向从而偏转量越大才合理。因此用相对论理论解释本实测结果存在矛盾之处。但采用因太阳大气层不均匀而致使电磁波发生折射来解释则不同了。因为频率越高的电磁波能穿透太阳大气层的能力越弱，因此电磁波偏折路径上离太阳最近的点到太阳表面的距离就会越大，电磁波在太阳大气层内的偏折程度就会越小。反之，频率较低的无线电波则穿越能力更强，电磁波路径上离太阳最近点到太阳表面的距离就越小，电磁波在太阳大气层内的偏折程度就会越大（如下图二所示：θ1<>2）。这就很好地解释了实际观测中为什么高频电磁波偏折小于低频电磁波了。 因此，光波在太阳附近的偏折即使是由相对论认为的时空弯曲导致的，仍不能直接证明光速是恒定的，也不能证明时间、尺规和质量与运动速度相关。 3、光波的重力红移 据有关资料介绍：庞德-雷布卡实验（Pound–Rebka experiment）于1959年利用极为敏感的穆斯堡尔效应测量位于哈佛大学杰弗逊塔顶部和底部的两个辐射源的相对红移，才确切证实了重力红移效应。但此项实验能否确切地证实重力红移应存在疑问：由于实验是在地球大气层内完成的，大气的密度随高度的变化会导致光波垂直地面传递时的速度变化。高处的速度快，低处的速度会慢一些。还有空气的非静止状态也会改变光波在大气层内的运动轨迹和速度。虽然这种变化可能极其微弱。因此，本实验难以确切地证明重力红移存在的真实性。即使是本实验能证明重力红移的存在，仍不能直接证明光速是恒定的，也不能证明时间、尺规和质量与运动速度相关。 4、后牛顿重力实验 本项实验对象为牛顿万有引力定律，仍在进行中，还没有确切的结果。即使是有结果，最多说明牛顿万有引力定律需要作修正。其实验结果既不能直接证明光速是恒定的，也不能证明时间、尺规和质量与运动速度相关。 5、 重力透镜实验 与后牛顿重力实验一样，仍在进行中。且宇宙空间中存在密度差异大、分布不均匀的气体星际物质，这些物质在某些条件下也能形成透镜效应。因此，即使是能实测到透镜效应，要证实其是由重力导致的还是由星际物质导致的也不是一般地困难。即使是本实验有结果，也只能证明万有引力场对电磁波的运动轨迹会产生影响。因此，此项实验既不能直接证明光速是恒定的，也不能证明时间、尺规和质量与运动速度相关。 6、重力时间延迟实验 本实验与后牛顿重力和重力透镜实验一样，验证对象为万有引力。其实验观测结果存在多种解释的可能性。因为，有很多因素可导致太阳附近的电磁波运动轨迹的改变，主要是太阳附近存在很大范围的不发出可见光但能传递可见光的气体层，还有太阳风的存在，使太阳附近的空间并非与理想的真空一样地让电磁波无任何障碍地穿行。因此，在没有完全弄清太阳附近的真实电磁环境的情况下做的任务实验观测结果均不能说明问题。同时，本实验一样地既不能直接证明光速是恒定的，也不能证明时间、尺规和质量与运动速度相关。 7、等效原理实验 本实验验证对象为万有引力常数，主要通过长期监测地月距离的变化来实现。但由于地月间存在地球大气层、太阳风以及星际空间物质等的影响，其结果是否能直接证明万有引力常数是恒定不变的也难以有明确结论。即使是有也不能直接证明光速恒定，更不能证明时间、尺规和质量与运动速度相关。 8、重力红移实验 与上面第3项“光波的重力红移”一样，在此不多叙述。 9、参照系拖拽实验 本实验结果仍存在诸多争议，是否能直证广义相对论的可信性还没有定论。即使是本实验能证实广义相对论的预测与实测相符，也不能直接证明光速恒定，更不能证明时间、尺规和质量与运动速度相关。 10、脉冲双星实验 本实验也是用来验证广义相对论引力场理论的，主要是利用脉冲双星的进动效应来验证。但脉冲双星的进动可能与很多因素有关，不一定能唯一地证明广义相对论强力场理论的正确性。即使是能够证明广义相对论强力场理论是正确的，但也不能直接证明光速恒定，更不能证明时间、尺规和质量与运动速度相关。 11、迈克尔逊——莫雷实验 本实验的目的是要验证以太的存在，且以假设光波在以太中的速度恒定，并假设以太相对太阳静止以证明以太的存在。但实验证明以太不存在，即未检测到光波干涉条纹的变化。但不能就此证明光速是在任何参照系中恒定！其实，此项实验只证明了光波在地球表面附近的大气层内速度恒定。电磁波或光波在介质中的速度主要由介质的性质和运动状态决定，与入射波的速度无关。就如声波在空气中、水中、岩土中的运动一样，光波在大气层内的速度应该只随大气的温度及密度变化，不会与入射波的速度高低有关！因此，当风速不大时，在大气层内的任何实测光波速度的实验均会得到光速是恒定的结论。同时，由于光波经实验装置中的三棱镜分频、分光镜和反光镜的反射或透射作用后，光波如果进入新的介质，则其速度由介质的性质和运动状态决定；若进入真空，则相对于进入真空前的介质（三棱镜、分光镜和反光镜）速度恒定。 由以上的分析就可知道：在地球大气层内或使用干涉仪等测量装置是不可能实测到真实的、运动速度不同的光源发出的光波速度的！ 因此，本实验不能证明光速是恒定的，也不能证明时间、尺规和质量与运动速度有关。 12、天体光行差问题 天文观测发现：当天体处于头顶时，天体的光行差均为20.5弧秒。由此认定：天体的光波速度是恒定的，理由是：光行差＝arctg（Ｖ/Ｃ）。即光行差等于地球围绕太阳运动的公转速度与天体的光波速度之比的反正切。当光行差相同、地球公转速度基本恒定时，光速Ｃ也是恒定的。但大家均忽略了此项观测是在地球大气层内完成的，所有天体的光波均是在大气层内的透射波传递速度。因此，Ｃ值相等是完全正常的。与上面第11项一样，本实验也不能证明光速是恒定的，更不能证明时间、尺规和质量与运动速度有关。 13、原子钟飞行实验 据报道：1971年美国科学家在地面将精度为0.000000001秒的铯原子钟对准，4台原子钟放在地面实验室；另外8台分别放在向东和向西飞行的喷气式飞机上各4台并绕地球一圈，然后返回地球与地面上静止的原子钟比较，其结果是：时钟向东飞行时慢了59×10-9 秒，往西飞行时快了273×10-9 秒。广义相对论的计算值与实验结果有一定的偏差（尤其钟快现象）。总之，在实验中的三组原子钟相互看来，实验中既有“动钟变慢”现象，也有“动钟变快”现象。有的以太阳为参照系来计算广义相对论预测值，则能比较好地解释实测结果。那么本实验能否证明相对论的光速恒定和时间、尺规及质量与运动速度相关呢？ 首先，用于计时的铯原子钟的计时精度受多种环境因素的影响，如：重力场、电磁环境、振动状态、温度与温度、空气密度等。在没有弄清楚铯原子钟在各种外部因素变化时对计时精度的影响并消除的情况下，难以准确认定实验结果支持相对论的真实和可靠性。因此，在地球上的和在飞机上的铯原子钟的行走速度可能存在较大差异并导致实验数据的较大变化； 其次，太阳万有引力差异：实测数据表明：向西飞行的时钟快于地面的；而向东飞行的时钟慢于地面的。这充分说明：地球表面不能作为惯性参照系，应以太阳作为参照系。由于未能查询到本实验过程中飞机的实际飞行速度和高度等数据，因此，我们只能定性地对实验数据进行分析。 位于地球表面赤道上的时钟因地球自转而存在约463.81m/s的运动速度，位于10000米高空飞机上的时钟：向东飞行的速度为（464.54+Ｖ）m/s；向西飞行的速度为（464.54-Ｖ）m/s（Ｖ为飞机相对地面的飞行速度）。若按Ｖ＝464.54m/s考虑，则向西飞行的飞机正好处于相对太阳静止的位置上，太阳对其的影响基本不变；而向东飞行的飞机以2倍地球自转速度运动，太阳对其的影响变化速率是地面的二倍。 再者，地球自转可能导致万有引力场各向异性：运动与静止质量产生的万有引力场应该存在一定差异，这种差异性很可能与运动速度相关。因此，相对静止的地面钟与向东或向西飞行的飞行钟受到的地球万有引力可能存在明显差异。 为了消除本实验可能存在的其他不利因素的影响，有必要增加二架飞机和8台同精度的铯原子钟分别向南和向北方向飞行，以取得更多的实验数据来判定时钟速率的变化到底是由哪些因素决定的。 因此，本实验不能证明光速恒定，直证时间与运动速度有关也有待进一步验证。 14、μ介子寿命延长实验 来自外层空间的宇宙线轰击地球大气，产生了大量的μ介子，这些μ子具有很宽的能量范围，飞行速度有大有小，高能量的μ子速度非常接近光速c，可大于0.9954c。μ子寿命很短暂，产生后会很快衰变掉，各个μ子的实际寿命有长有短，但是当我们统计群体μ子的平均寿命时发现，其平均寿命是恒定的。一群μ子衰变掉一半所需的时间，称为半衰期，常被用作寿命的标志,大量的实验统计出静止μ子的半衰期T = 1.53×10-6秒，恒定不变。在μ子和介子实验中，μ子和介子作有加速的圆周运动，实验证实作这样运动的μ子和介子的平均寿命大于静止μ子和介子的平均寿命。因为1963年的一次实验中，人们在高1910米的山顶上，测量铅直向下的速度在0.9950C～0.9954C之间的μ-子数目，每小时平均有563±10个；然后在离海平面3米高的地方测量相同速度的μ-子数目，平均每小时408±9个。μ-子从山顶运动到海平面所需时间应为： 这是静止μ-子半衰期（Ｔ1/2）的4倍多，如果高速运动的μ-子半衰期和静止时相等的话，人们预期在飞行1907米距离后，在海平面附近的μ-子数应不到563/24≈35个。而当时实际测量却有408个，这清楚地表明：运动的μ-子半衰期增长了。 以上对本实验的介绍存在如下问题：一是认定μ介子是由高能宇宙射线与地球大气层作用而产生的，大气层内没有其他来源的μ介子；二是认定μ介子只在大气层与外大空处产生，在大气层内部及地球附件不会产生；三是仅测量了运动速度同在一定区间内的不同高度上的μ介子数量，未考虑μ介子在不同高度上的速度可能不同（速度随高度降低）。由此可见，本实验并不能证明在两个高度上测量的是同一批μ介子的数量变化。因此，也就不能证明μ介子的寿命的确因为高速运动而延长。另外，静止与运动的μ介子受到环境因素的影响明显不同，特别是电磁环境和万有引力的影响，以及大气层内物质的影响等。因此，两者的寿命存在差异也是完全可能的。 因此，本实验不能证明光速恒定，直证时间与运动速度有关也有待进一步验证。 15、现有观测实验支持相对论时空观的可信性总结 通过对以上14个所谓能证明相对论正确的实验的分析，我们可以得出如下结论： 15.1、没有任何一个实验能证明光速在任意参照系中恒定； 15.2、没有任何一个实验证明尺规和质量随运动速度变化； 15.3、虽然有二个实验自称能证明时间随速度变化，但也存在其他可能性，不足以作为时间随运动速度变化的铁证。 四、时间、尺规和质量与运动速度无关的逻辑证明 我们利用反证法来证明时间、尺规和质量与运动速度无关： 1、我们假设在某惯性系中静止的时间为t、尺规为l、质量为m；在以速度为v运动参照系中的时间为T、尺规为L、质量为M。假设时间、尺规和质量与运动速度有关。为了简化问题，我们进一步假设：函数f(v)为≠0且与速度v正相关（单调增函数）或负相关（单调减函数）的线性函数（相对论中f(v)＝1/(1-v2/c2)1/2)，为正相关函数，即速度v越大，f(v)也越大，其只是正相关函数中的一个特例而已）。 当v＝0时，有f(v)=1。也就是在一个特定的惯性系中所有的时钟行走速度、尺规的长度和质量的大小均一致。因此有： 2、我们假设以上函数f(v)为与速度v正相关，则在此情况下，运动速度v越大的时钟比静止的时钟走得越慢、尺规则越短、质量就越大。 2.1、我们以地球上的时钟作为静止的时钟，宇宙中任意其他天体上的时钟作为运动的时钟的话，由于宇宙中任意其他天体与地球间都不是相对静止的，即v≠0，也就是f(v)均大于1，T 2.2、某一登上月球的宇航员也来做上述推理，则他会以月球上的时钟为静止的时钟，除月球以外的其他任意天体上的时钟为运动的时钟，也会得出类似的结论：月球上的时钟是宇宙中走得最快的时钟、尺规是宇宙中最长的尺规、质量是宇宙中最小的质量！ 2.3、同理，我们可以以宇宙中任意天体上的时钟作为静止的时钟，除其以外的天体上的时钟作为运动的时钟，同样会得出类似的结论：此天体上的时钟是宇宙中走得最快的时钟、尺规是宇宙中最长的尺规、质量是宇宙中最小的质量！ 2.4、从2.1、2.2和2.3条论述可以得出：任何天体上的时钟作为静止的时钟时，它就是宇宙中走得最快的时钟。尺规和质量也一样。但我们知道，宇宙中只能有一个或几个最快的时钟，不能全部是最快的时钟。尺规和质量也一样。如果都认为自己的时钟是宇宙中走得最快的时钟、尺规是宇宙中最长的尺规、质量是宇宙中最小的质量，那只有一种可能性，宇宙中的时钟走得一样快、尺规一样长、质量一样大！ 3、我们假设函数f(v)为与速度v负相关的，则在此情况下，运动速度v越大的时钟比静止的时钟走得越快、尺规则越长、质量则越小。 与上述第2项中的论证类似，只要把其中的慢改为快、短变为长、大变为小就可以了，在此不多叙述。 以上的推理和逻辑证明充分说明时间、尺规和质量与运动速度即不能正相关，也不能负相关，因此只能是不相关了，也就是f(v)≡1。 五、检验光速非恒定的途径和设想 1、鉴于本文以上论述中已经充分说明，在地球大气层内是不可能测量出不同运动速度光源所发出的光波的真实运动速度的，只有到外大空中去测量才可以成功。 2、利用干涉仪等观测实验装置也不可能测量出不同运动速度光源所发出的光波的真实运动速度，即使是将测量装置放在外大空的卫星上也不能测量到真实的天体光波速度。 3、电磁波运动速度基本规律假设：为更好地设计实验装置，我们先假设电磁波仅相对于在真空中的波源或电磁波由介质进入真空时相对于介质的速度恒定为C。这一点应该比较好理解：电磁波是波源或介质内原子核与电子有规律的运动所产生或传递的，其产生的波在真空中向外传递的速度相对波源或介质速度恒定是完全可能的。也可以包容在其他条件下也速度恒定为Ｃ。 4、利用静止卫星实测光波速度方案 假设两颗静止卫星的间距为L、光源相对静止卫星的速度为V、光波到达两颗卫星的经典物理学时差为Δt、相对论速度恒定时的时差为ΔＴ。则有： 早 晨： Δt晨＝Ｌ/（Ｃ＋Ｖ） （公式6） 傍 晚： Δt晚＝Ｌ/（Ｃ－Ｖ） （公式7） 相对论时差： ΔＴ＝Ｌ/Ｃ （公式8） 根据（公式6）～（公式8），可根据经典物理的速度叠加和相对论的速度恒定分别计算出两颗卫星上记录到太阳同一脉冲信号到达的时间差，以及它们之间的差异情况，详见下表： 按照静止卫星早晨和傍晚相对太阳的运动速度约为3km/s，两颗卫星间距为30000km考虑的话（上表序号9行），按经典物理速度叠加时早晨与傍晚间的时间差为2微秒。而按相对论速度恒定的话，早晨与傍晚间不应该存在时差。因此，如果计时精度大于微秒级，完全可以检验光速是否恒定不变了。 如果检验光源以河外星系等脉冲星来替换的话，当这些光源的光波速度未被宇宙空间的星际物质所改变，则同、反向运动间的时间差异肯定要大得多了。 综上所述，利用静止卫星来实测太阳和其他天体所发出的电磁波的真实速度是完全可以来检验光速是否恒定不变的。
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