狭义相对论的错误性检验

曾纪晴

如何检验科学理论？人们通常认为应该用实验来检验科学理论，实验结果符合理论预期就证实了科学理论，不符合实验预期就证伪了科学理论。然而，实验真的是检验科学理论的唯一标准码？本人在《如何检验科学理论的正确性？》曾提出过检验科学理论的一般方法和步骤。我认为，对科学理论的检验必须经过两关，第一关是检验理论是否错误，看其是否违背基本事实与基本逻辑；第二关是检验理论是否正确，看其理论预测是否与实验结果相符。只有通过了第一关的检验，即暂时没有发现该理论的错误，才有资格接受第二关检验。如果在接受第二关检验时，哪怕已经有大量的第二关的检验（实验检验）结果认为某个理论与实验结果相符，只要有人对其进行第一关检验发现该理论违背了基本事实与基本逻辑，哪怕仅仅找到一个确凿的例证，即可判定该理论是错误的。因此，科学理论的错误性检验非常重要，它必须优先于正确性检验。

对科学理论进行错误性检验，就是对该理论涉及基本概念和内容（逻辑推论、论证）进行分析，看其是否违背基本事实与基本逻辑，只要发现有一个违背基本事实与基本逻辑的例证，即可判定其错误。我们下面尝试对爱因斯坦的狭义相对论进行理论错误性检验。

一、“狭义相对性原理”和“光速不变原理”违背基本事实与基本逻辑

“狭义相对性原理”和“光速不变原理”是狭义相对论的两个基本假设。在爱因斯坦最早关于狭义相对论的论文《论动体的电动力学》中，它是这样描述这两个“原理”的（最早称之为“公设”）：

图1. 《论动体的电动力学》-1

“诸如此类的例子，以及企图证实地球相对于“光媒质”运动的实验的失败,引起了这样一种猜想:绝对静止这概念,不仅在力学中,而且在电动力学中也不符合现象的特性,倒是应当认为,凡是对力学方程适用的一切坐标系,对于上述电动力学和光学的定律也一样适用,对于第一级微量来说,这是已经证明了的。我们要把这个猜想(它的内容以后就称之为“相对性原理”)提升为公设,并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设:光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着,这速度同发射体的运动状态无关。”

紧接着，爱因斯坦又对这两条“原理”做了进一步的定义：

图2. 《论动体的电动力学》-2

“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们定义如下：

1. 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两个在互相匀速平行移动着的坐标系中的哪一个并无关系。

2. 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。”

我们先检验一下爱因斯坦的“相对性原理”是否违背基本事实与基本逻辑。

从爱因斯坦最早的论文《论动体的电动力学》可以看出，他所谓的“相对性原理”（后来被称为狭义相对性原理）主要的意思是：否定了绝对静止参考系的存在，将原来适用于力学方程的坐标系推广到了电动力学和光学领域。所谓的力学指的就是牛顿力学，描述的是有质量物体的运动规律。伽利略最早提出的相对性原理，指的就是牛顿力学中的物体运动规律（用力学方程表示）跟选择哪个惯性系作为参考系（坐标系）无关。显然，爱因斯坦把伽利略的相对性原理，从研究有质量物体运动（机械运动）的牛顿力学推广到了电动力学和光学领域。爱因斯坦否定“绝对静止参考系”的存在，其前提是论文开头举了几个导体与磁体相对运动的例子，特别是“迈克尔逊-莫雷实验”对“以太”（光媒介）的否定（爱因斯坦故意没提迈克尔逊-莫雷实验，只讲“企图证实地球相对于“光媒质”运动的实验”）。从上述分析来看，爱因斯坦这个所谓的“狭义相对性原理”实际上给出了2条假设：（1）是绝对静止参考系不存在，（2）是电动力学和光学领域中的运动规律与牛顿力学中的运动规律是相同的。第二条假设有一点隐蔽，但我们只要反推一下就可以看出：假如电动力学和光学领域中的运动规律与牛顿力学中的运动规律是不同的，那么无论你怎样变变换坐标系，都不能得出相同的运动规律。

我们现在就来检验一下这两条假设是否违背基本事实与基本逻辑。

（1）绝对静止参考系是否存在。我们已知的基本事实是，力有大小、方向和作用点三要素，作用力和反作用力大小相等方向相反，这是力的基本概念。所谓力的作用点，就是物体的受力点，如果没有受力点，物体就无法受力，作用力和反作用力都为0。牛顿力学所研究的物体运动都是有质量的物体机械运动，通常把有质量的物体当做“质点”进行研究，因而“质点”就是物体的受力点或外力的作用点。当物体不受力或所受外力合力为0时，物体必将处于静止或匀速直线运动状态（牛顿第一定律）。基于这些基本事实和物理学原理，我们可以从逻辑上进行如下推理：假设存在一种没有质量的“物体”，那么这种无质量“物体”显然不是能够感受外力的“质点”，即它永远无法受力，换句话说，它受到的外力永远等于0，因此这种无质量“物体”永远处于静止或匀速直线运动状态。永远静止的状态就是绝对静止的状态。可见，从逻辑上来讲，只要存在无质量的“物体”，就有可能存在绝对静止参考系。显然，空无一物的真空空间就是没有任何质量的，因此真空空间就是绝对静止的参考系。由此，我们已经证明，爱因斯坦“狭义相对性原理”否定绝对静止参考系的存在，违背了基本事实与逻辑。

（2）电动力学和光学领域中的运动规律与牛顿力学中的运动规律是否相同。牛顿力学研究的是有质量物体的机械运动规律，电动力学和光学研究的是电磁现象和光学现象，它们的运动规律是完全不同的。牛顿力学研究的是有质量物体的运动规律，包括机械作用力、物体运动速度、机械能（动能和势能）、动量等。电动力学和光学研究的是带电物体之间的相互作用，产生电磁波或光的物理机制。电磁波或光的运动与有质量的物体的运动规律也完全不同。电磁波或光在真空或介质中的运动是匀速直线运动，且不受机械力的影响。牛顿力学中研究的有质量物体的运动通常时刻受到机械力作用，因此很难保持匀速直线运动。这些都是确凿无疑的基本事实。显然，电动力学和光学领域中的运动规律与牛顿力学中的运动规律完全不同。由此，我们已经证明，爱因斯坦“狭义相对性原理”认为电动力学和光学领域中的运动规律与牛顿力学中的运动规律相同，违背了基本事实。【请参看我们的论文《无质量“物体”的运动与光的物理学本质和运动规律》】

我们再来检验一下爱因斯坦的“光速不变原理”是否违背基本事实与基本逻辑。

从爱因斯坦最早的论文《论动体的电动力学》可以看出，他所谓的“光速不变原理”的含义并不明确。他一开始把“光速不变原理”假定为，“光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着,这速度同发射体的运动状态无关”，后来又定义为“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”。在这两个表述中，前者指的是光在空虚的空间（真空）的传播速度不变，后者指的是光在“‘静止的’坐标系中”的传播速度不变。那么，空虚的空间（真空）是否等同于‘静止的’坐标系？爱因斯坦在其“狭义相对性原理”中就否定了绝对静止（参考系）的存在，不承认真空的绝对静止特性，显然如果他的“空虚的空间（真空）”等于“静止的坐标系”，那么他就自相矛盾了。他给“静止的”参考系打上引号，究竟是什么含义呢？概念不同一，概念含混不清，就是违反了科学概念所要求的同一律，就是违反了基本逻辑。此外，一个基本的物理事实是，任何速度都是相对速度，当我们讲某个物体的运动速度时，一定要明确该速度是相对于哪个参照系来说的。但在这两种表述中，光的传播速度或运动速度，都没有明确光的速度究竟是相对于什么参照系而言的。显然，爱因斯坦的“光速不变原理”的两种表述都违反了“任何速度都是相对速度”这一基本事实。这两种表述都提到了光的传播速度或运动速度与“发射体的运动状态”无关或与光“是由静止的还是运动的物体发射出来的”无关，他实际想表达的意思是“与光源的运动无关”。他的这一表述存在歧义，或让人有多种理解。第一种理解，认为光的运动速度不是相对于光源这个参考系而言的（但是，究竟是相对于什么参考系呢？不知道），因此光源的运动状态不影响光的速度大小。第二种理解，认为光的运动有其特殊性，光从发射体（光源）发射出来但其速度不受光源运动状态（光源运动速度的大小）的影响，强调光的运动与机械运动的不同。第三种理解，认为光的运动速度相对于任意运动状态的光源都不变，也就是说光相对于任何参考系（惯性系）而言运动速度都是一样的（常数c）。显然，爱因斯坦的所谓“光速不变原理”含义极其混乱，违反了速度的基本概念（基本物理事实），违反了科学概念的同一性、确定性，违反了逻辑的一致性。

由于爱因斯坦在其论文或文章中表述“光速不变原理”时，均提到过光速不变“与光源的运动状态无关”。许多人认为，声波或水波的传播速度不变与声源或水波波源的运动状态无关是正确的，因此光速不变与光源的运动状态无关显然也应该是正确的，可见“光速不变原理”应该是正确的。这看起来似乎挺有道理。然而，尽管爱因斯坦的表述中多次提及光速不变“与光源的运动状态无关”，但“光速不变原理”的真正含义却是“光相对于任何参考系速度不变”。在爱因斯坦的《关于相对性原理和由此得出的结论》一文中（见《爱因斯坦文集》第二卷173页）（图3），爱因斯坦认为“光在空虚空间中传播的速度参照两个两个参照系都等于c”。这篇文章是爱因斯坦的后期作品，再次说明，爱因斯坦的所谓“光速不变原理”的真正含义是“光在空虚空间（真空）中传播的速度同时相对于多个（任何）参照系（惯性系）不变”。事实上，在教科书和百度百科词条中，把这个意思表达得更加明显：“光速不变原理：真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。 光速不变原理，在狭义相对论中，指的是无论在何种惯性系（惯性参照系）中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变”（图4）。如果“光速不变原理”以这个表述为准，那么很显然也违反了“任何速度都是相对速度”这一基本事实。因为物体运动的速度是相对速度，相对与不同的惯性参考系必然存在不同的运动速度。显然，光的速度也应该是相对速度，相对于不同的惯性参考系也必然存在不同的运动速度。然而，“光速不变原理”认为光相对于任何惯性参考系速度都是一样的，显然违背了“任何速度都是相对速度”这一基本事实。

图3. 《关于相对性原理和由此得出的结论》

图4. 百度百科词条“光速不变原理”

我们对爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》中如何基于“光速不变原理”进行理论推导、论证进行了考察。【爱因斯坦的语言佶屈聱牙、晦涩难懂。读他的文章是一种折磨】。从图5所截取的文章部分内容来看，在100页红色下划线内容中我们可以看到爱因斯坦所谓的“在静系中的光速不变原理”似乎指的是其式中的V+v和V-v中V似乎是光在静系k中的光速不变。V是光在静系k系中的速度，v则是在“刚性杆”在另一个静系K中的速度，那么V+v和V-v则是光在K系中的速度。这里就出现自相矛盾了。既然存在所谓“在静系中的光速不变原理”，光在静系k中的速度不变为V，那么在静系K中的速度也应该是不变的V才对。在101页红色下划线内容中我们可以看到，爱因斯坦又说“光在动系中度量起来也是以速度V在传播的”。爱因斯坦在论文中一会说静系，一会说动系，语言含混不清，但无论是在静系还是动系中光的速度都是不变的V，则更加说明他说光在K系中的速度是V+v和V-v是自相矛盾的。

图5. 《论动体的电动力学》-3

此外，爱因斯坦在《相对性：相对论的本质》一文中还提到“光速不变”与“光的颜色”无关（图6）。许多人就认为，当光出现红移或蓝移的多普勒效应时，光的相对速度并没有变化，因为爱因斯坦已经提出“光速不变”与光的颜色无关。人们还用测量光在真空中传播的波长与频率的乘积始终等于常数c，来证明爱因斯坦的“光速不变原理”。其实，这一观点是错误的。光在真空中所测波长和频率的乘积不变，只是表明光在真空中相对于绝对静止参考系的运动速度不变。而多普勒效应恰恰说明观测者与波的运动之间存在相对速度，光的红移表明，光源或观测者的相对运动使得两者相互远离，而蓝移则表明光源或观测者的相对运动使得两者相互靠近。光源的运动与光信号的传播速度无关，但是光信号与观察者之间的存在相对速度，光的频率和波长就会发生变化。因此，光的多普勒效应恰恰就证明了光与观察者之间存在相对运动速度的变化，所谓光相对于任何观察者（惯性参考系）速度不变的所谓“光速不变原理”与物理学基本事实相矛盾。

图6. 《相对性：相对论的本质》

事实上，“狭义相对性原理”和“光速不变原理”本身是自相矛盾的，爱因斯坦本人也是意识到了。比如在其1905年的论文《论动体的电动力学》中，一开始便承认两者之间是“不相容的”，当然他只是认为“表面上看来”（图1）。在1919年的《什么是相对论》一文中，他承认两者“在逻辑上好像是相互矛盾的”（图7）。在1948年的《相对性：相对论的本质》一文中，爱因斯坦也承认其所谓的“狭义相对性原理”和“光速不变原理”是“相矛盾”的，但他认为只是从“粗浅的直觉”来考察似乎是这样，因而这个矛盾只是“表面上的”（图6）。“狭义相对性原理”和“光速不变原理”的矛盾在哪里呢？因为根据狭义相对性原理，光的运动速度应该在进行惯性系坐标变换的时候将产生相应的变化（进行坐标系变化，实际上就是改变参考系，物体的运动速度相对于不同的参考系而不同，因为根据速度的基本概念，任何速度都是相对速度），但是所谓的“光速不变原理”却假定，光的运动速度相对于任何惯性系（参考系）都是一样的常数c（速度不变）。这个矛盾是显然的，确凿无疑的，根本不是什么“表面上看来”、“粗浅的直觉”。

综上所述，作为爱因斯坦狭义相对论基础的所谓“狭义相对性原理”和“光速不变原理”严重违反基本事实与基本逻辑，据此即可判定爱因斯坦所谓的“狭义相对论”是以错误的理论。至此，狭义相对论的错误已经确凿无疑，我们完全没有必要再做其他分析，更没有必要对其理论进行实验检验。

图7. 《什么是相对论》

当然，作为一个错误的理论，它的错误可能表现在多个方面，从任何一个方面检验其是否违背基本事实与基本逻辑，都可以对其进行理性错误性检验。下面我们就从其他方面来对狭义相对论进行错误性检验。

二、狭义相对论中涉及的时间、空间等基本物理概念违背基本事实与基本逻辑

我们首先应该明确这样一个基本事实：“时间”和“空间”是抽象的概念，是一种理想化的刻度标准。时间是一个抽象的概念，并不存在属于某个地方的特殊时间。虽然有北京时间或格林威治时间等说法，但这种时间只是人为规定的国际计时系统，并非物理学意义的时间概念。在物理学意义上，宇宙的时间是统一的，在数学计量的时间轴上都是均匀的时间间隔。我们可以设想：假设在某个时刻，宇宙突然暂停，那么在这一瞬间万事万物“定格”不动。然后，宇宙继续运行，在某个时刻再突然暂停，那么在这两个突然暂停的两个时刻（瞬间）之间，宇宙中所有事物都是同步运动的，只是有的运动快有的运动慢。在这两个瞬间之间，考察任何事物的空间位置的变化，我们就能得出它的运动变化规律。实际上，宇宙永远不会突然暂停，它一刻不停地运动着。那么，我们连续地以相同的时间间隔对宇宙的进行“瞬间定格”，就可以对宇宙中的任何事物的运行变化进行连续地观察研究了。显然，为了保证宇宙中所有事物运动变化快慢的可比较性，整个宇宙的时间必须统一，时间间隔标准必须一致，保证绝对均匀。可见，时间是一种抽象的、理想化的物理概念，时间间隔的均匀流逝是必须保证的要求。同样的，物体运动是在空间中的位置变化，其距离的长短也必须要求有一个不变的度量刻度标准，这样才能对宇宙中不同的事物的运动快慢有可比性。可见，时间流逝的间隔（时间刻度）和空间的距离间隔（长度刻度）都是为了我们比较宇宙中所有事物运动变化快慢的度量“标准”，显然这样的标准必须是严格的数学化、理想化的完全均匀一致的，不能有丝毫变化的。

然而，在爱因斯坦的狭义相对论中，长度和时间都是相对的，物体的高速运动竟然可以产生“尺缩钟慢”效应，即减慢时间的流逝（时钟变慢）（改变时间刻度）和让量尺变短（改变空间尺度刻度）。这是毫无疑问、确凿无疑的违反了基本事实。然而，相对论的这种严重违背基本事实的“尺缩钟慢”效应，并没有让其成为理论错误的证据，反而被认为是一种违反常识和直觉的“神奇效应”，把相对论推上了革命性伟大理论的神坛。这是人类科学史上最可耻和悲哀的事情。

对科学理论进行错误性检验，看起是否违背基本事实与基本逻辑，只要发现一个确凿的例证，即可判定其错误。我们对狭义相对论的错误性检验，发现了大量的违背基本事实与基本逻辑的例证，因此可以判定协议相对论就是错误的理论。对于经过理论错误性检验被认定为错误的理论，完全没有资格和没有必要对其进行实验检验。

值得一提的是，由于爱因斯坦在其论文或文章中表述“光速不变原理”时，均提到过光速不变“与光源的运动状态无关”。我是真心希望爱因斯坦是真正理解了“光的运动与光源运动无关”呀，可惜的是他并没有。爱因斯坦包括几乎所有人，都没有真正理解“光的运动与光源的运动状态无关”，而是误解为“光的运动速度与光源和观察者的运动状态（进一步概括为不同的惯性系）无关”。有些人认识到，光的运动特性跟声波或水波类似，声波或水波的传播速度不变与声源或水波波源的运动状态无关，因此光的传播速度也与光源的运动状态无关。这个认识是对的，但是许多人不知道原因，同时把这个正确认识歪曲为爱因斯坦的“光速不变原理”。而实际上，爱因斯坦并没有这个认识，他的“光速不变原理”的真正含义是“光的运动速度相对于任何惯性系保持不变”。

最近，我们研究了无质量“物体”的运动与光的物理学本质和运动规律，发现了无质量“物体”的运动状态只有两种：绝对静止或匀速直线运动，同时揭示了光的三大基本运动规律：第一，光永远做匀速直线运动，与光源的运动无关。第二，光在真空中的传播相对于真空绝对参考系速度不变。第三，光在介质中的传播，相对于介质惯性系速度不变。由于真空是空无一物的空间，没有质量，因此真空就是绝对静止的，从而建立了真空绝对静止参考系。由于光（电磁波）也是没有质量的，因此它在真空中做匀速直线运动——相对于真空绝对静止参考系的运动速度时钟保持不变（常数c）。同时，由于介质分子中存在电磁场，同时考虑到光与电子之间的相互作用（电子跃迁），光在介质中被电磁场耦合并且被电子跃迁的电子携带，因此光在介质中将被介质惯性系所携带。这一特性，决定了光在介质中的运动速度相对于介质惯性系保持不变。因为任何速度都是相对速度，因此不能笼统地说光的运动速度不变（光速不变），必须要说清楚它相对于哪个参考系速度不变。在真空中，光相对于真空绝对静止参考系的运动速度不变，在介质中，光相对于介质惯性参考系的运动速度不变。根据我们的这些发现，我们成功地解释了长期困扰学术界的 迈克尔逊-莫雷实验、斐索实验和光行差现象。爱因斯坦没有认识到无质量“物体”的运动规律以及光的物理学本质和运动规律，错误地否定了绝对静止参考系的存在，完全误解了“光速不变”的真正含义，竟然以违背“任何速度都是相对速度”的基本事实（否定速度的基本概念）为代价，强行规定光相对任何惯性参考系速度不变，建立了错误的“狭义相对论”。遗憾的是，这一明显违背基本事实与基本逻辑的理论，本来应该立即被判定为错误，却因为历史的各种原因，阴差阳错竟然成为主导物理学界一百多年的权威理论。也是因为科学界存在“实验室检验科学理论的唯一标准”的主流思想，长期以来排斥对相对论进行基本事实与基本逻辑的检验，以所谓“已经有大量的实验证实相对论”为由，使其权威理论的地位不可动摇。

有人说，物体在高速运动状态下，确实与低速运动状态下存在一些差异，如果相对论是错误的理论，那么我们是否有别的替代理论呢？最近，我们发表了一篇论文《物体运动的光测速度与观测者位置效应》，探讨了物体运动的“光测速度”与观测者所处位置的关系。所谓光测速度，就是借助于光（或电磁波）测量的物体运动速度。实际上，我们所测的物体运动速度都是光测速度，由于自古以来直觉上认为光的速度无限大，因此默认光测速度就等于物体的实际运动速度。但实际上，光的运动速度是有限的。在此背景下，我对物体运动的光测速度和实际运动速度做了初步研究，发现了一些有趣的现象，解释了物体在接近光速时的高速运动现象，也解释了为什么对撞机粒子的速度难以达到光速以及负速度的现象，最后还发现了类星体超光速问题的经典模型存在问题并对其并做了修正。因此，我们提供了一个替代相对论研究物体高速运动的理论，具有重要的意义。

由于相对论明显违背基本事实与基本逻辑，直接给人以违反常识理性的感觉，因此相对论一经诞生就遭受到无数物理学界的否定和批评。然而，由于一系列阴差阳错的历史原因，相对论最终还是被推上了科学神坛。尽管如此，科学界还是不乏对相对论质疑和批评的声音，特别是民间学者对相对论的质疑更是从未停止。但是，由于科学界对相对论理论权威的维护，也由于人们也确实没有从根本上认识到无质量“物体”的运动规律以及对光的物理学本质缺乏深入了解，所有对相对论的质疑都没有成功。

我们不仅对相对论进行了基本事实与基本逻辑检验，发现了它违背基本事实与基本逻辑的确凿例证，而且提出了新的理论来替代它。我们相信，爱因斯坦的相对论走下神坛已经开始倒计时了。

请参看论文：

Zeng JQ, Zeng TH. The motion of massless "object" and the physical essence and motion law of light. Physics Essays, 2023, 36(2): 216-222

http://dx.doi.org/10.4006/0836-1398-36.2.216

Zeng TH, Zeng JQ. The optical measurement speed of moving bodies and the observer’s position effect. Physics Essays, 2023, 36(1):94-99

http://dx.doi.org/10.4006/0836