在4月份发布的博文《对相对论的几项质疑》中，论述了对相对论的四处质疑，因该文章篇幅较长，为了方便大家阅读，接下来把该文的四个问题分四篇博文分别发布，并配以相应的视频讲解，希望能把问题说清楚。欢迎大家关注阅读、批评指正。

相对论电磁场变换与相对性原理的冲突
李小俊研究小组
Email: lixiaojun@nwu.edu.cn

讲解视频网址：http://v.youku.com/v_show/id_XMTU3NTQzNTM5Mg==.html

也可以直接下载这个视频观看：电磁场变换悖论(MP4视频文件).rar

假设在一处空间存在一均匀的磁场B，方向向上。在一个静止的观察者K看来，仅有静磁场存在，即B_y>0，B_x=B_z=0，E=0，见图1左。
   另有一个观察者K'相对于观察者K以速度v运动（沿K的X轴正方向）。则在K'看来，不但存在磁场，而且同时也存在电场（见图1右）。根据狭义相对论的电磁场变换公式可以算得
                                                     (1a)
                                                    (1b)
而E'、B'的其余分量均为0。这里可以看到，根据相对论理论，运动状态不同的观察者会看到不同的电磁场形态。

图1  不同观察者看到的电磁场

现在设想两个观察者运动状态不变，而禁止K与K'之间的信息传递，并没收K'的原有计算结果，那么这时候K'想要知道电磁场的大小，则将不能通过公式(1)来进行计算，而必须依靠实际测量来获取。
   那么让我们来实现一次测量过程。设想K左手拿着一个小磁针，右手拿着一个带电小球，那么他的左手将感受到磁力的作用，右手则不受到作用力（带电小球相对于K静止，没有洛伦兹力），K可以根据左手小磁针的偏转程度来测得磁场B的大小。设想K'的左右手拿着与K完全相同的小磁针和带电小球，那么K'的左手将感受到磁场力的作用，并且比K感受到的磁场力更大（因B'_y>B_y），同时K'的右手将感受到电场力的作用。同样，K'可以据此推知磁场B'和电场E'的大小。
   然而，这里存在一个问题，K和K'是两个完全对等的观察者，可以说他们处于完全相同的地位和环境中，K'相对于K运动，而K同样相对于K'运动，他们没有任何区别。那么，完全对等甚至说完全相同的两个观察者怎么会测得不同的电磁场？他们的左右手何以会感受到截然不同的电磁作用力？K和K'所在之处别无他物，如果你要证明K和K'所处的状态不对等或者不相同，除非你认为他们各自相对于电磁场有着不同的运动，例如K相对于场静止而K'相对于场运动，或者与此相反，K'相对于场静止而K相对于场运动，又或者K和K'各自与场的相对运动速度不同。然而，相对于场“静止”或者“运动”，这样的概念在相对论中是不被允许的。在相对论中，场只有“存在”而无所谓“运动”或“静止”，它没有运动状态的概念，也不能被用作参考系。因此似乎没有理由认为K和K'的状态和地位不对等。
   问题也可以从这样的角度进行分析和说明：

图2  电磁场的坐标系变换与相对性原理

如图2所示，在静系K中有一电磁场(E, B)，同时有一个固定于K系的电荷Q₁，那么Q₁将会受到一个电磁力F₁的作用。而在动系K'（运动速度为v）来看，电磁场变为(E', B')。由于Q₁相对于K'系以-v速度运动，为了保证在K'系来看Q₁的受力状态不发生变化，一般来说E'≠E、B'≠B。同时在K'系也固定了一个与Q₁完全相同的电荷Q₂，它将受到一个电磁力F₂的作用。由于E'≠E、B'≠B，而Q₂=Q₁，所以F₂≠F₁。
   这样就出现了一个问题，分别固定于K系和K'系的完全相同的电荷Q₁和Q₂，在各自参考系下受到的电磁力却不相同，这似乎违背了相对性原理。仅仅通过观察Q₁和Q₂的受力情况就可以推断出K系和K'系的运动状态不同，这应该是相对性原理所不允许的。
   这里可以看到，相对论为了保证物理现象不依赖于观察者而改变，即保证Q₁在K系和K'系下受力状态不变，就必须使(E',B')≠(E,B)，这就导致了固定于各自参考系的两个相同电荷Q₁和Q₂受力不同，从而违背了相对性原理。反过来，若要保证不违反相对性原理，则必须使(E',B')=(E,B)，从而也就不存在相对论的电磁场变换，也不能保证物理现象不依赖于观察者而变化。理论在这里陷入了两难的境地。