我对于相对论的认识——兼答吴水清会长

我从开始接触学习相对论至今已经20多年了，在这一段时间里，我从一开始怀疑相对论到后来认真思考其本质，中间经历过若干个反复的过程，现在已经有几百家网站在转载我的文章。正如联谊会内部的许多的会员一样，开始我也是对于相对论怀疑，尤其是运动物体质量增加、时钟延缓、长度增加等，但是实验事实又基本证明相对论的观点是正确的，我们必须尊重实验事实。

1、狭义相对论诞生的背景回顾

正如徐建民先生所讲的，爱因斯坦最初是为了协调光速不变性原理与牛顿力学的矛盾，深刻地分析时间、空间的相对性，尤其是同时性的相对性问题，当时设计爱因斯坦的追光实验、列车运动过程中关于同时性认识的不同，为了保持光速不变，让时间、空间发生变化，通过将光速不变上升到原理，将牛顿的绝对时空改为相对时空，同时用洛伦兹变换协调，使牛顿力学与麦克斯韦方程都在惯性系下保持不变或者说普遍的自然定律对于洛伦兹变换是协变的，正如爱因斯坦在狭义相对论文章开始所讲的——大家知道，麦克斯韦电动力学——象现在通常为人们所理解的那样——应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称，而这种不对称似乎不是现象所固有的.比如设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用.在这里，可观察到的现象只同导体和磁体的相对运动有关，可是按照通常的看法，这两个物体之中，究竟是这个在运动，还是那个在运动，却是截然不同的两回事.如果是磁体在运动，导体静止着，那么在磁体附近就会出现一个具有一定能量的电场，它在导体各部分所在的地方产生一股电流.但是如果磁体是静止的，而导体在运动，那么磁体附近就没有电场，可是在导体中却有一电动势，这种电动势本身虽然并不相当于能量，但是它——假定这里所考虑的两种情况中的相对运动是相等的——却会引起电流，这种电流的大小和路线都同前一情况中由电力所产生的一样.”在修正牛顿力学过程中产生一些副产品：惯性质量增加、能量动量质量守恒和质能等价关系式。当时很多的物理学家也在思考这些问题，当时接近得到这些答案，上次联谊会邀请了一位专家作报告，说狭义相对论不是爱因斯坦的首创，可能来源于此。在英费尔德(L.Infeld)的《相对论的发展史》中记录了一段他和爱因斯坦的一次谈话，英费尔德说“在我看来，即使您没有建立它，狭义相对论的出现也不会再等多久.因为彭加勒已经很接近构成狭义相对论的那些东西了.”爱因斯坦回答说：“是的，这说的对.”杨振宁教授:“洛伦兹只有近距离眼光，没有远距离眼光洛伦兹（只重视解释实验与观测结果）局部修改物理理论，不从哲学角度考虑；彭卡莱只有远距离眼光，没有近距离眼光；彭卡莱只从哲学和数学的角度来考查问题,不从实验和测量的角度考查；爱因斯坦具有自由的眼光，既近距离又远距离观察问题.既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，“奥林匹亚学院”）洛伦兹是技术型的，彭卡莱是哲学型的，爱因斯坦是物理型的.

2、狭义相对论引起争议的原因探究

古希腊有哲言说：“讲真理要使人愉快，不要讲令人不愉快的真理.”本来真理理应是令人愉快的，可是，历史的事实却是，新真理刚产生的时候往往令很大一部分人不愉快.这其中的原因，一方面可能来自新真理在产生过程中由于备受压抑，因此，在它真正站立起来时，容易对旧真理采取过份排斥的态度，使之没有能处理好与旧真理的关系而遭到反感.另一方面可能来自坚持旧真理的人在旧真理中加进去一些私人的东西，把人家对旧真理的反对看作是对他的反对.

狭义相对论是研究时空性质与物质运动关系的科学理论.自从1905年爱因斯坦发表《论运动物体中的电动力学》一文为标志宣告诞生以来，至今已过百年了.在当时经典物理学陷入严重危机，科学界众说纷纭、莫衷一是的情况下，爱因斯坦独辟蹊径，从一个新的视角研究了整个问题，提出了一系列新概念、新原理，建立了狭义相对论的理论体系.不仅解决了当时科学界所面临的一系列疑难问题，还为以后物理学的发展开辟了一条新的道路，为现代物理学的建立奠定了基础.百多年来，相对论在全世界广泛传播，被应用于各个学科领域，取得了辉煌的成就，在科学界赢得了崇高的地位.爱因斯坦在这一领域为人类做出了开拓性的贡献.一般来讲，科学的发展是循序渐进的，而爱因斯坦事实上跨越了一个时代，人们的接受需要一个过程，争议是难以避免的。

19世纪末的爆发的第三次数学危机，导致了后起之秀——操作主义思潮在欧洲横行，对于物理学的直接作用就是物理量的可测量性问题.如今人们已经明白，不能要求所有基本物理量都具有所谓的测量性.但是基本定律所给出的物理量的解，原则上必须具有可测性.放宽地讲，不要求基本原理本身的每一个物理量均具有可测量性.个别物理量数学上能够满足伽利略的思想实验即可.贝索说：“牛顿在他的《自然哲学的数学原理》中说，时间是绝对的，空间也是绝对的.绝对的意思就是和一切事物都没有关系.既然空间、时间和任何事物都没有关系，你又怎么知道空间和时间存在呢？”爱因斯坦一生的哲学观比较庞杂，有时也是互相矛盾的。实证主义自1891年起像一根红线一样贯穿于Einstein的一生，成为他的哲学思想的牢固基石和本质特徵.十七世纪牛顿时代的物理革命是文艺复兴人文主义思想的直接结果，而二十世纪初的物理学变革是十九世纪末哲学变革的结果.爱因斯坦统一性思想是建构在物质性基础之上的，因此，它的最显著、最根本的特征就是坚持了唯物主义路线.也可以说，这就与恩格斯首先提出的“物质性统一”思想保持了本体论意义上的一致.恩格斯认为世界是统一的，并且这个统一的基础是它自身的物质性：“世界的真正的统一性是在于它的物质性，而这种物质性不是魔术师的三两句话所能证明的，而是由哲学和自然科学长期的和持续的发展来证明的.尽管有许多物理学家抱有这类观点，但现在来看问题似乎不那么简单.

由于爱因斯坦从实证论的观点得出相对论，特别是爱因斯坦对于时间、空间以及同时性的认识给出了操作性定义，因此联谊会内部有不少人质疑——例如中国科学技术大学的李文秀教授等，所以我认为学习狭义相对论应该从四维时空开始学习，这样不会感觉到困惑了。当时爱因斯坦提出狭义相对论时没有用数学——四维时空描述，人们感觉到难以理解，没有得到科学界的认可。自从他的数学教师闵可夫斯基用数学表达出来，人们才逐渐地认可。

3、洛伦兹变换是运动学效应还是动力学效应的问题

由于爱因斯坦但是受实证哲学观的影响，对于洛伦兹变换认识是运动学效应，但是在研究广义相对论时爱因斯坦的哲学观发生了变换，从实证哲学迈向了实在论者，开始认为洛伦兹变换是动力学效应，这才引起了爱因斯坦与哥本哈根学派关于量子力学基础长达20多年的争论，根本哈根学派就是实证主义哲学观。笔者认为洛伦兹变换是动力学效应，尽管当初是从运动学效应得出，因为广义相对论是关于时空本质的一个深刻认识，学习完广义相对论对于狭义相对论的认识就更加深刻了。例如联谊会内现在仍然有不少人质疑运动物体质量的增加（季灏、黄新伟、张登科等），其实在广义相对论中这个问题就容易理解了，运动物体加速时时空弯曲，引力场具有负能量，根据质能方程具有负质量，引力场的能量的绝对值增加，因此物体的质量也增加，同理时钟延缓、长度缩短可以类似理解。要想彻底理解狭义相对论，必须学习广义相对论。

4、狭义相对论的本质

笔者认为狭义相对论的本质是通过四维时空，体现了时空平权的问题。爱因斯坦在论述“空间—时间”（《文集》第一卷）时写道：“相对论引起了空间和时间的科学概念的根本改变，用明可夫斯基的名言来说――“从今以后，空间本身和时间本身都已成为阴影，只有两者的结合才保持独立的存在”.这种结合叫做“时间－空间”，是目前这个条目的主题.因为这两个概念相当难懂，多数读者最好也许先读一下《相对论》那个条目，以便对这主题有一比较初步的了解”.他还在“论科学”（《文集》第一卷）文章中写道：“在数学上，人能想象第四维，可是在物理上，人不能看到和直觉地想象第四维.对于他来说，第四维只是在数学上存在着.他的理智不能理解第四维”.他在论述“相对论和空间问题”（《文集》第一卷）时写道：“关于空间问题，狭义相对论的立场是怎样的呢？首先我们必须反对这样的见解，认为实在的四维是由这理论第一次引进来的.

事实上，即使在古典物理学里，事件也已经是由四个数字来定位的，其中三个是空间坐标，一个是时间坐标；因此，全部物理“事件”被认为是镶嵌在四维连续流形里的”.

“四维结构（明可夫斯基空间）被认为是物质和场的载体.惯性空间同它们有关的时间一道，是仅有的由线性洛伦兹变换结合起来的特许的四维坐标系.既然在这种四维结构里不再存在任何客观上代表“现在”的截面，发生和变化这两个概括固然不是完全搁置起来，但却是更加复杂化了.

因此，看来比较自然的是认为物理实在是一种四维的存在，而不是迄今所认为的是一种三维存在的演化”.

笔者通过时空平权，仅仅通过量纲的关系就导出了质能方程，有兴趣的可以联系我（1922538071@qq.com）.

5、广义相对论的本质就是提出了引力场与时空是同构的。

一般认为：相对论时空观已经否定了绝对时空观.其实，它们是二种不同性质的时空观，具有一定的互补性：前者弥补了后者在定量上的不足；而只有在后者的基础上才能说明前者的物理机制.绝对时空观认为，时间和长度的标准都是不变的，可以用一个标准，去统一地衡量整个世界，这为时空关系的相互比对提供了一个统一的平台.不过，在现实中，总是用实物工具，如时钟、尺、某种波长的光等，来衡量时间和长度，而这些实物工具都会随着环境（温度、速度、引力势等等）的不同而变化，不存在绝对不变的衡量时间和长度的工具.因此，在绝对时空观与测量数据之间总会存在着一定的差异，它是由现实的时空标准的可变性造成的.目前，最精确的时间和长度的标准是根据光来定义的，在这里，认定光速不变，这与相对论一致.可见相对论是一种以光作为时空测量工具的定量理论，它认为时空本身是会变化的.但是，站在绝对时空观的立场上来看，这种变化不是时空本身的变化，而只是衡量工具，即现实的时空标准的变化——狭义相对论反映了时空标准随运动速度的变化；广义相对论反映了时空标准随引力势的变化.因此，情况看来是这样的：二种时空观之间的关系，不是一个否定另一个，而是具有互补性.以光在引力场里的传播来说，雷达回波延迟实验已经证明：光在引力场里的速度变慢了.不过，这是用地球上的时空标准来统一地观察整个太阳引力场中的光速的结果，是站在绝对时空观的立场上来说的；如果站在相对论的立场上，由于引力场里的时空标准是不一致的，若用每一点现实的时间和长度的标准去衡量经过该点的光速，光速仍将处处相同.爱因斯坦讲过：“因为运动是相对的，任何参考系都可以用，似乎没有什么理由认为一个坐标系会比另外一个好些.……于是，在科学早期的托勒密和哥白尼的观点之间的激烈斗争，也就变成毫无意义了.我们应用任何一个坐标系都一样.‘太阳静止，地球在运动’或‘太阳在运动，地球静止.’这两句话便只是对两个不同坐标系的两种不同习惯的说法而已.我们是否能够建立起一种在所有的坐标系中都有效的名副其实的相对论物理学呢？或者说，能否建立只有相对运动而没有绝对运动的一种物理学呢？事实上，这是可能的.”绝对时空观是一种科学的抽象，它为所有事物提供了统一的时空平台，从这个角度看来，它是比相对论时空观更基本的时空观.

空间和时间的绝对性是指空间和时间的客观实在性.空间和时间是运动着的物质存在的基本形式，在空间和时间之外不可能有任何物质的存在.既然运动着的物质是不依赖于人的意识而客观存在着，是永恒的，无条件的，绝对的，那么，空间和时间也必然具有客观实在性，是永恒的，无条件的，绝对的.空间和时间的相对性是指空间和时间的具体性、可变性.空间的广延性是指运动着的物质的广延性，时间的顺序性、持续性是指运动着的物质的顺序性，持续性.因此，空间和时间随着物质特性和运动状况的不同而不同，随着物质运动状况的变化而变化.辩证唯物主义关于空间和时间是绝对性和相对性的辩证统一的原理已为科学的发展所证实.爱因斯坦的相对论不仅证明了空间和时间的客观实在性，而且深刻揭示了空间和时间同物质运动的内在联系，揭示了物质运动的特性制约着空间和时间的特性.

从静止惯性系观测运动惯性系时，静止惯性系与运动惯性系的固有时（绝对时间）同时，即固有时是恒定不变的.这一点类似于数学中同一条曲线，由于建立的坐标系不同得到的曲线方程也不同.根据量子力学的测不准关系，标准space-time永远测不到，与测量仪器（产生相对space-time）有关.Planck讲：“在相对之物背后寻找绝对之物，我们甚至可以完全肯定地认为：我们简直不可能把握住绝对的东西，倒可以说绝对的东西构成一个理想的图标，它总在我们面前而不能达到.”

6、光速不变性原理的争议

爱因斯坦在给达文波特的信中说：“在我本人的思想发展中，迈克尔孙的结果并没有引起很大的反响.”爱因斯坦认为：真空中光的传播定律必须由一个能与相对性原理一致的较为复杂的原则取代；这是因为相对性原理自然而简单并且在人们的思想中具有很大的说服力；但是，理论物理学的发展说明了我们不该遵循这一途径.他认为新的理论应该与电动力学的理论协调起来.于是，他较深入的分析了时间和空间的物理概念，让人们看到相对性原理和光的传播定律（真空中光速恒定定律）没有丝毫的抵触之处.这样他完成了他的狭义相对论，光也就有了新的参考原则.爱因斯坦在他的《狭义与广义相对论浅说》中说：“在物理学中几乎没有比真空中光的传播定律更简单的定律了.学校里的每个儿童都知道，或者相信他知道，光在真空中沿直线以速度千米每秒传播.无论如何我们非常精确地知道，这个速度对于所有各色光线都是一样的.因为如果不是这样，则当一颗恒星为其邻近的黑暗星体所掩食时，其各色光线的最小发射值就不会同时被看到.荷兰天文学家德西特根据对双星的观察，也以相似的理由指出，光的传播速度不能依赖于发光物体的运动速度.”爱因斯坦在1952年第十五版本的《狭义和广义相对论浅说》中仍然如是说，“我们可以假定关于光（在真空中）的速度c是恒定的，这一简单的定律已有充分的理由为学校里的儿童所确信.谁会想到这个简单的定律竟会使思想周密的物理学家陷入智力上的极大困难呢？”

二十世纪末，在天文和微观的实验中都发现了一些现象，光速不变原理的经典解释遇到困难，关于此问题的理论探讨也很活跃，我国科学家在这个问题上也一直进行着摸索，物理学可以使用假设,并在假设的基础上建立理论,然而用实验检验其非假设成果的正确性,进而间接验证假设的正确性.之所以这样做,是因为在假设时代,该现象还得不到合理的解释,这说明假设的现象比当时物理能解释的东西更基本.因此,如能在以后对假设作出科学的解释,就是对物理学的重大突破.自从相对论发表以来，对它的争议就没有停止过.但相对论以其完美的数学表达形式和广泛的实验论证，已经被许多人接受.攻击相对论的人只能找到一些相对论不能解释的物理现象来证明它的局限性，而不能从根本上否定它.叫喊声一直不停的主要原因，是光速恒定的公设.没有人能够从理论上找到光速不变的原因，但对这一实测的结果心存不甘，因为它是伟大的相对论的基础条件.

他在1922年就真空光速不变原理写道：“相对论常遭指责，说它未加论证就把光的传播放在中心理论的地位，以光的传播定律作为时间概念的基础.然而情形大致如下：为丁赋予时间概念以物理意义，需要某种能建立不同地点之间的关系的过程.为这样的时间定义，究竟选择哪一种过程是无关重要的.可是为了理论只选用那种已有某些肯定解的过程是有好处的.由于麦克斯韦与洛伦兹的研究之赐，和任何其他考虑的过程相比，我们对于光在真空中的传播是了解得更清楚的”.爱因斯坦著《相对论》47页“1、7光的传播定律与相对性原理的表面抵触”，“在此种抵触下，似乎除了放弃相对性原理或真空中光的传播的简单定律外，我们别无他法.但保留相对性原理是仔细阅读上述论述的读者几乎一致的意见.这是因为如此自然而简单的相对性原理给予人们很大的说服力，因而真空中光的传播定律就必须由一个能与相对论原理一致的比较复杂的定律所取代.然而，理论物理学的发展使我们不必继续这个进程.经典电子论的创立者、具有划时代意义的H-A-洛伦兹对于与运动物体相关的电动力学领域中无可争辩的经验产生出关于电磁现象的一个理论，而又有该理论必然推出了真空中光速恒定定律理论.因此，尽管没有任何实验数据表明有与相对性原理相抵触之处，但许多著名的理论物理学家对相性原理还是比较倾向于舍弃的观点.相对论就是在这个关头出现的.由于以时间和空间物理概念的分析，相对性原理因而就与光的传播定律没有丝毫的抵触之处.”如果麦克斯韦方程正确，而且满足相对性原理，那么可以证明光速不变是正确的，但在爱因斯坦提出狭义相对论的时候还不知道麦克斯韦方程是否正确，于是才把光速不变作为基本假设.

笔者认为光子的运动速度不变的根本原因在于引力场的速度的不变，光子不具有引力质量（也不具有运动引力质量），只具有电磁质量。

7、相对论的不足

广义相对论之考虑到吸引作用，排斥作用没有真正纳入广义相对论，宇宙常数的问题应该重新进行思考，这样才能真正理解暗能量、暗物质的问题，吸引与排斥之间的关系没有真正从几何学中解释出来，这样才出现了大爆炸、黑洞等问题。笔者认为只要充分分析吸引、排斥之间的关系可以得出暗物质、暗能量都是不存在的，大爆炸、黑洞的问题也将会退出历史舞台。由于涉及到数学知识比较多，在网站上发表无法显示，如果有兴趣可以通过邮箱了联系。