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关于相对论时空观的试探性观点
关于相对论时空观的试探性观点黄兴滨
摘 要：狭义相对论的时空观是在‘点’到‘点’的前提下建立的理论。当把其推广到有大小的实际情况时，狭义相对论的理论将不再成立。也许，狭义相对论的时空观仅仅是个数学游戏。
关键词：狭义相对论；时间延缓；时钟变慢；同时的相对性
0． 引言
狭义相对论是近代物理学的重要基石。它的成就是上个世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学、哲学思想都有着极其深远的影响。
狭义相对论是二十世纪最伟大的科学家爱因斯坦于1905年,在普朗克主编的德国《物理学年鉴》上发表的著名论文“论动体的电动力学”中建立的伟大理论。在这篇论文中，爱因斯坦智慧地把相对性原理与光速不变原理这两条看起来似乎矛盾的设想放在一起作为基本出发点。他称之为两条公设，即
相对性原理——物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。
光速不变原理——任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度V 运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。
爱因斯坦明确指出：在他的理论中，以太的概念是完全多余的，因为这里不需要绝对静止的参照系。以这两个公设为出发点，很容易推导出著名的洛伦兹变换关系。进而给出:运动时钟的时间延缓、同时性的相对性等一系列结论，由此构成了一套崭新的时空观。(范文先生网 www.fwsir.com收集)
尽管狭义相对论取得了许多惊人的成就并且已经写进了大学物理和中学物理的教材中，又有著名的实验辅证。如：横向多普勒效应实验、高速运动粒子寿命的测定、携带原子钟的环球飞行实验等。但是质疑相对论的呼声从其一诞生就一直没有停止过。简单的在谷歌搜索中输入‘相对论的错误’结果竟然有26万之多，这还不包含其它类似关键词和其它语言的检索结果。对一个辉煌的科学理论的质疑声音之高恐怕是前所未有的。一些学者认为：只要承认光速不变原理，便可严密地推得洛伦兹变换，获得一系列的有价值的结论，逻辑上是无懈可击的。即使相对论存在错误，也要通过实验手段检验光速不变原理的正确性，而不可能通过逻辑关系发现它的错误。质疑者都是没有理解和掌握相对论。就目前的技术而言是无法直接检验光速不变原理的对错的。正如无法证明外星人的是否存在一样。
作者经过近二年来对狭义相对论的思考，发现事实并非如此。相对论的逻辑矛盾在于洛伦兹变换只能适合两个惯性系中的‘点’对‘点’的位置与时间的变换关系。而推广到有一定大小的实体时将不再成立的。例如：当静系的‘公共时间’为0的时刻，观测到动系中的一个点的‘公共时间’为0，这样的结论是正确的。但无实际意义，仅是个数学的游戏。而实际的物理测量要求观测到动系的一个时钟显示的动系的‘公共时间’为0，这显然是违背了同时的相对性，是不可能的。
1． 洛伦兹变换与时钟的时间延缓
洛伦兹变换是光速不变原理的自然推论，是光速不变的数学表述。它反映了两个惯性系之间的时空关系。一般的讲，观测者静止在一个惯性系内观测该系的时空关系时，与经典理论所描述的没有什么区别；但如果观测另一个相对其运动的惯性系的时空特性时，则与经典理论大相径庭。因此，洛伦兹变换究竟描述了一个怎样的运动时空？笔者以为还需要更深入的探究。
爱因斯坦在其“论动体的电动力学”的“§3、从静系到另一个相对于它作匀速移动的坐标系的坐标和时间的变换理论”中写道：
设在“静止的”空间中有两个坐标系，每一个都是由三条从一点发出并且互相垂直的刚性物质直线所组成。设想这两个坐标系的 X 轴是叠合在一起的，而它们的 Y 轴和 Z 轴则各自互相平行着。设每“一系都备有一根刚性量杆和若干只钟，而且这两根量杆和两坐标系的所有的钟彼此都是完全相同的。
现在对其中一个坐标系（k）的原点，在朝着另一个静止的坐标系（K）的x增加方向上给以一个（恒定）速度v，设想这个速度也传给了坐标轴、有关的量杆，以及那些钟。因此，对于静系 K 的每一时间t ，都有动系轴的一定位置同它相对应，由于对称的缘故，我们有权假定 k 的运动可以是这样的：在时间 t （这个“t”始终是表示静系的时间），动系的轴是同静系的轴相平行的。
我们现在设想空间不仅是从静系 K 用静止的量杆来量度，而也可从动系 k 用一根同它一道运动的量杆来量，由此分别得到坐标 x，y，z和ξ，η，ζ。再借助于放在静系中的静止的钟，用§1 中所讲的光信号方法，来测定一切安置有钟的各个点的静系时间t 。同样，对于一切安置有同动系相对静止的钟的点，它们的动系时间τ也是用§1中所讲的两点间的光信号方法来测定，而在这些点上都放着后一种[对动系静止]的钟。对于完全地确定静系中一个事件的位置和时间的每一组值 x , y , z , t，对应有一组值ξ，η，ζ，τ，它们确定了那一事件对于坐标系 k 的关系，现在要解决的问题是求出联系这些量的方程组。……
因此，已经得到的变换方程就变为：
， (1a)
(1b)
(1c)
(1d)
此处
式（1）就是众所周知的洛伦兹变换，且当在 时，这两坐标系共有一个原点。接着爱因斯坦就把上述结论应用到运动的时钟上。
进一步，我们设想有若干只钟，当它们同静系相对静止时，它们能够指示时间t；而它们同动系相对静止时，就能够指示时间τ，现在我们把其中一只钟放到k的坐标原点上，并且校准它，使它指示时间τ。从静系看来，这只钟走的快慢怎样呢？
在同这只钟的位置有关的量x，t和τ之间，显然下列方程成立：
和 (2)
因此， (3)
由此得知，这只钟所指示的时间（在静系中看来）每秒钟要慢 秒，或者——略去第四级和更高级的[小]量——要慢 秒。
上述就是著名的时钟的时间延缓效应或称为钟慢效应。由于运动的相对性，相对论的反对者历来都会质疑“钟慢效应”的真实性。一般的信奉相对论的学者认为：只要承认光速不变原理，就可获得（1）式所示的洛伦兹变换，就可严格地推出“钟慢效应”。逻辑上上是严密的。我们下面的深入分析洛伦兹变换给出的运动时空的特性会揭示，爱因斯坦的“钟慢效应”在逻辑上是存在问题的。
2． 对洛伦兹变换的重新认识
为了重新理解洛伦兹变换所描绘的运动时空的特性，在这里我们要重申一下时间t与τ的物理意义：根据“论动体的电动力学”的定义，t表示的是K系的‘公共时间’。即观测者静止在K系中，观测到该系同步化了的静止钟的全部数据，由于这些钟是同步的时钟，因此每个时钟在t凝固的瞬间都具有相同的示数，所以静止在K系的观察者读出任意一个从属于K系的时钟的示数都可获得K系的‘公共时间’；同样，τ表示的是k系的‘公共时间’。即观测者静止在k系中，观测到该系同步化了的静止钟的全部数据，k系上的观察者也可以通过测量任何一个从属于k系的时钟的读数来确定k系的‘公共时间’。
问题是：当动系k的时间凝固在τ=0的时刻，静止在K系上的观察者观测到τ=0时，K系的‘公共时间’t是多少？
换言之，两个惯性系的‘公共时间’能否比较、如何比较？爱因斯坦在论文中并没有研究也没有回答这个问题。从这一问题出发，我们仔细分析洛伦兹变换可以找出狭义相对论的症结所在。
设k系上τ=0的瞬间，其ξ轴上各点同步地发出一红色闪光。这一红色闪光可把k系的‘公共时间’凝固在τ=0。静止在K系x轴上的观察者们观测到这一红色闪光的‘公共时间’t是多少？由洛伦兹变换式中的（1a）可知： 。由此可见，静止在K系上x值不同的观察者具有不同的‘公共时间’t。这也正是所谓的：“同时的相对性”的结论。
例如：如果假定位于x=0点的观察者李四是在K系的‘公共时间’t=0时（定义为中午）看到了红色闪光，那么静止在K系x﹤0某点的观察者张三就可能是在早上看到了红色闪光；同样静止在K系x﹥0某点的观察者王五则要等到晚上才能看到红色闪光。如果大家都能看到红色闪光，只是看到的时间不同，则说明K系没有确定的时刻t与k系的τ=0时刻对应。
反之也是如此，当K系的‘公共时间’t凝固后，要观测到k系ξ轴上的不同的点，则要求该点存在于k系不同的‘公共时间’τ中。因此，洛伦兹变换应该告诉我们一个新的结论。
结论一、两个惯性参照系的‘公共时间’不存在一一对应关系。
结论二、当观察者所在的惯性系的‘公共时间’凝固不变时，观测到运动
的惯性系的坐标值（相对运动方向）不同的点凝固在不同的‘公共时间’。
既然两个惯性系的‘公共时间’不存在对应关系，那么两个惯性系的‘公共时间’间隔自然不会存在对应关系。为此，设k系上τ=τ0的瞬间，其ξ轴上各点同步地发出一次绿色闪光，即k系的‘公共时间’发生了一时间间隔Δτ=τ0。
则静系K的观测结果是应用式（1）算出Δt，与观测点的位置有关
， (4)
其中ξr是ξ轴上被观测的闪红光点的坐标，ξg是ξ轴上被观测的闪绿光点的坐标。由（4）式又可得到两个重要结论。
结论三、两个惯性参照系的‘公共时间’间隔不存在一一对应关系。
结论四、当ξr=ξg时，即静系K上观测动系k的一个‘点’的时间间隔τ0时，则Δt=βτ0，可称之为：‘点慢效应’。
这与式（3）的钟慢效应的形式完全相同。但要点是：该结论只能说明运动的点的时间变慢。而不代表两个点、多个点或者运动系的‘公共时间’变慢。下面的分析我们会发现：‘点慢效应’不能等价为‘钟慢效应’。因为钟是有实际大小的。
由于观测的同时的相对性产生了所谓的“长度收缩”效应。通过张三和李四在K系的早上和中午观测到k系上的两个点的红色闪光的例子，我们来分析长度收缩效应。那么静止在k系上相应两个点上的观察者则同时地观测到了早上的张三和中午的李四，则张三与李四之间的距离将不会保持K系上的固有距离，由于t不同从式（1b）可知，张三和李四间因运动导致距离会缩短，这就是长度收缩的原因。但这种拥挤与真的拥挤不同，因为在K系观测张三与李四还保持着固有的距离并没有真的靠近。但也与影像的缩小拥挤不同，不仅可拍下缩小的照片，如果用手去触摸（当然要触摸得足够快）也真的缩小了。如果观测一个运动的人的左右两只眼睛，那就是我们同时看到了那人昨天的左眼靠近了今天的右眼。我们也不必担心两个眼睛会互相挤压坏了。为此还有所谓的长度收缩应力佯谬来质疑相对论，实际上，当我们看到高速运动的物体挤压在一起的时候，根本不用考虑应力效应。因为各点具有不同的‘公共时间’，所以不会存在直接的联系。正如我们根本不会担心昨天经过的汽车会撞到今天的自己是一样的。
不难理解，洛伦兹变换给出我们这样一幅时、空图像：当静系K的‘公共
时间’t凝固后，动系k会以一个大拼盘的形式与之对应。即静系K上的观察者将会同时观测到动系k上不同的点拥有不同的动系的‘公共时间’τ的组合，而且还会拥挤到一起。
所以我们后期由洛伦兹变换获得的很多有价值的结论也一定要注意这幅时空图像，要点是洛伦兹变换是针对‘点’的变换结论，当我们将洛伦兹变换应用到实际物体时，一定要考虑物体大小的影响，‘点’的近似是否还适用。
3． 理论上不存在钟慢效应
通过上述分析我们应该明晰，如果光速不变原理的假定符合自然界的真实情况，则可推出洛伦兹变换。由洛伦兹变换可严格推出点时间的延缓。但爱因斯坦不假思索地‘把其中一只钟放到k的坐标原点上，’轻松地获得了‘钟慢效应’。这种看来似乎不证自明的结论满足相对论的逻辑么？作者以为这样的结论并不符合洛伦兹变换。
在相对论之前，用一个运动的点的时间来替代它附近点的时间乃至于替代整个运动系的公共时间都是没有问题的，因为各点都有共同的‘公共时间’。
物理学中使用点的概念的条件是：当一个有限大小的物体的每一部分具有相同的物理性质时，才可以用‘点’的概念来替代整体。如果不同则不能严格替代。或者所研究物体的每一部分的物理性质的差别可以忽略时，可以近似地用点的概念来替代。而爱因斯坦用‘点时间延缓’替代‘时钟的时间延缓’并不满足上述原则。
爱因斯坦把一只钟放到k的坐标原点上指示时间τ，这静止在k系观测是可行的，因为这时所有的点都有相同的公共时间；但在静系K上观测则会存在问题，因为K系上确定时刻t观测运动系k时，只有一个点的时间是可以凝固为τ并与t对应。而观测一个运动的时钟，则由于实际时钟有大小则不能简化为一个点。换言之，当时钟上的两个点有相同的公共时间τ时，则整个时钟所在的运动系各点都有确定的τ。根据结论一可知，这时K系与k系的公共时间没有确定的对应关系。也就是理论上K系的t时刻不可能确定一个运动的时钟的时间τ是多少。
也许当我们假定时钟的线度很小，比如一个运动的原子，我们也许会认为，由于原子上两个点的距离很小，当K系的t一定时，可以忽略同时的相对性，近似为原子上所有的点的公共时间τ相等。则在一定的近似下，时钟延缓还是可用的。实际这也是不符合相对论的理论的，也是不对的。因为洛伦兹变换清晰地告诉我们：无论间距多近的两个点具有相同的τ则整个系就有相同的公共时间τ。
根据2.中的论述可知，在K系确定的时刻t观测到一个运动的时钟是由不
同的点有不同的τ的组合的新东西。K系上的观察者，理论上不可能观测到运动时钟上的时间。
结论五：一个惯性系上的观测者理论上不能比对两个相对运动的惯性参照系上的时钟的时间。
所以静系上的观察者，理论上也不可测量一个运动的时钟的时间间隔。
结论六：理论上只能存在一个运动的点的时间延缓，不存在运动时钟的时间延缓或运动的参照系的‘公共时间’的延缓。
4． 相对论时空观的真实性
相对论的时空观取得惊人的成就的同时也带来了很多矛盾。有的被解释为佯谬，像双生子、潜水艇等。有的似乎是不可调和。比如，根据“论动体的电动力学”中的多普勒效应公式。很容易发现：在横向多普勒效应的结论中，前提需要的两个惯性系的时间间隔关系与得到光波周期所代表的时间间隔存在着自相矛盾。这不能不让我们怀疑相对论时空观的真实性。
尽管有许多学者相信，只要光速不变原理的假定是正确的，相对论给出的结论就是无懈可击的。其实未必如此，相对论的一些结论未必是严格的逻辑结论。正如我们上面讨论的两个惯性系的‘对钟’问题。实际上，按照相对论的理论我们在两个惯性系之间是不能‘对钟’也不能‘对尺’的。
实际上，光速不变原理只有事件发生在‘点’的条件下才能成立。而实际物理问题都是发生在有一定大小的空间内，这时洛伦兹变换的结论会否定光速不变原理。也就是当k系的有一定大小的空间τ时刻发出光波时，K系则无确定的时刻与之对应，因此光速不变原理将不在成立。
按照洛伦兹变换我们知道，在静系K上时间t凝固后观测运动系k时，K系上的静止观察者观测到运动系上ξ轴上不同的点有着不同的τ的一个拼盘。如果k系天生就是相对K系存在匀速运动时，诸点应用光速不变原理，则一定会得到上述的‘拼盘’结论。但是如爱因斯坦在论文中描述的那样，k系开始相对K系是静止的，两系每点的‘公共时间’也是同步的。现在对其中一个坐标系（k）的原点，在朝着另一个静止的坐标系（K）的x增加方向上给以一个（恒定）速度v，设想这个速度也传给了坐标轴、有关的量杆，以及那些钟。结果还会出现洛伦兹变换要求的同时的相对性么？也就是如何从‘前相对论’进入到相对论？笔者认为这是绝对不可能出现的。假定开始加速时所有点的‘公共时间’都是0，任何理论的逻辑都不会计算出，当k系各点同时加速且完成后进入匀速运动状态时，k系不同的点会按照位置的不同自动进入不同的‘公共时间’τ、而且还会合理地完成长度收缩。
结论七：狭义相对论所描述的时空观是不可能真实存在的。
5． 结果讨论
狭义相对论的建立完全基于‘点’事件的光速不变原理。也就是两个惯性系分别对光从一点传播到另外一点的速度测量时要保持不变。而由此获得的洛伦兹变换也只是对‘点’成立的理论。而实际物理问题是要考虑大小的，当波前有一定大小的光波在一个惯性系中确定的时刻开始传播，则在另一个惯性系中没有确定的时刻与之对应。因此即使光速不变原理对一条关系成立，但对一束光线将不再成立。
洛伦兹变换只是一个适合点到点的数学变换。当把其应用实际的物理问题时，还要严格思考其适用范围。本文得到的重要结论是：当把洛伦兹变换应用到点时，存在点时间延缓，而对有大小的时钟来说，并不存在时间延缓效应。目前的理论所说的时钟的时间延缓是违背了同时的相对性后的错误结论。
尽管很多实验结果都符合相对论的逻辑，但是几乎所有的结果都是几十年前的老机器完成的。由于相对论效应极其微小，就是现代的仪器也很难检验清楚。因此，我们不仅要从理论上探讨其正确性，而且还要重视相对论的实验检验。既要设计新的实验，也要重视利用新的仪器检验老实验的可靠性。
本文的分析也许存在原则的错误，希望能得到批评和讨论，但质疑是必要的。如果都不敢质疑，也许我们今天还相信太阳绕着地球转呢。
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