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关于相对论时空观的试探性观点

2013-12-29 12:20来源:www.3j3j.com 点击:
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。( 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)
                                               &nb

[1]    

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