李学生 （lixueshenglxs@21cn.com）　2007.05

四、Lorentz transformation 的困难

摘要：本文首先分析了狭义相对论的困难，介绍与Lorentz transformation有关的佯谬。

关键词： Lorentz transformation、twins paradox、潜水艇悖论、狭义相对论

（一）物理学界对于狭义相对论的批判

相对论和量子力学的提出，是20世纪物理学的两个划时代的里程碑，相对论和量子力学理论以前所未有的深度改变了人们的世界观，然而由于它们的基本概念与人们日常生活经验如此不同，诞生伊始至今，对于相对论和量子力学原理的诠释存在持续不断的争论。A.Einstein与波尔（N.Bohr）关于量子力学那场辩论给人们留下了深刻的印象。A.Einstein对量子力学的主要指责是其关于物质规律的描述是不完备的。当我们考察狭义相对论时（以下简称相对论），会产生一种与A.Einstein当年看待量子力学时相似的感觉，即相对论存在有某种过多地人为任意性，而并非大自然的本来面目。具体而言，这是指A.Einstein本人也不得不承认的“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”；另外还指他也意识到的光的传播定律与相对性原理的抵触。关于时空观，英国著名诗人波普的一段诗给出了非常形象生动的描述：“……自然界的规律隐藏在黑暗中。上帝说：让牛顿去吧；于是，一切都变成了光明。但不久，魔鬼说，让A.Einstein去吧；于是，一切又变成了黑暗。……”

当前物理学的基础理论发展全面遇到了困难，20世纪90年代以后所召开的世界性的物理学学术会议都要谈到物理学的困境，一些有哲学眼光的科学家，开始怀疑整个物理学的基础理论是否存在着严重问题。1995年，在美国匹兹堡世界应用物理大会上，5千多位与会者的热门话题不是什么新发现或新发明，而是“物理学还有没有发展的前景？”1997年在德国科隆物理学研讨会惊呼：“物理学正处在宛如开普勒三大定律拯救天文学之前夜”！1998年在圣彼得堡由俄罗斯科学院等主办的自然科学基本问题国际学术会上，300多与会者取得共识：当代科学基础理论问题严重，相对论漏洞百出……。中国科学院物理所郭汉英研究员说过：“相对论体系存在有待验证的假定，基本原理不够完善，相互之间存在不协调；理论和时空观念都有需要改进之处。物理学并不是一个已完成的逻辑体系。相反，它每时每刻都存在着一些观念上的巨大混乱。科学发展的历史正预示着，一场新的变革正在酝酿，并且迟早会到来，物理学正面临新的挑战、酝酿新的突破。”

有人总结说：20世纪初物理学上空的“两朵乌云”，不仅未消，如今反倒平添了许多。按照相对论的说法，时间和空间是由速度决定的，但速度又需要由时间和空间来确定，这里还存在着一个逻辑循环的毛病。我相信，现在没有任何一个活人真的会断言，他能够想象出时间是速度的函数。也没有一个活人愿意下这样的赌注：他坚持自己的“现在”是另一个人的“将来”，或是其他人的“过去”。----马吉（M.F.Maqie前美国科学协会主席）,从物理学的观点来看，相对论理论至少也是健全的理智不能立即接受的。从Einstein中得出的符合实际的全部结论，能够而且常常成功地借助其他理论用简单得多的方法得到，而且这些理论丝毫不包含任何不可理解的东西，与Einstein理论所提出的要求也毫无相似之处。----季米里亚捷夫（前苏联物理学家）物理学家郭汉英根据国际物理界的动向和自己的思考总结说："相对论体系存在有待验证的假定，基本原理不够完善，相互之间存在不协调，理论和时空观都有需改进之处"。董光璧先生则说，当A.Einstein在世时，许多物理学家常以批评其理论祝贺他的生日，爱氏都一一回答；他认为，会上的几位报告人是"以质疑和发展表示对A.Einstein的尊敬"。

①诺贝尔奖委员会拒绝为Einstein的相对论授奖；②Einstein同时代的著名科学家Lorentz 、彭加勒和卢瑟福等全都不赞成相对论;③大多数物理实验家如拉海利、艾弗斯、沙迪、格兰纽父子、马林诺夫和帕帕斯等也不认同相对论;④著名迈克尔逊莫雷实验的主创人迈克尔逊因自己的实验“引出相对论这一怪物”而饮恨终生;⑤英国国家实验室时间频率部主任艾森博士“物理学家对相对论的态度普遍是并不理解它,但它既获公认想必不会错。必须承认我过去也这样。”;⑥原相对论鼓吹者丁格发现相对论大谬不然后毅然反戈一击,疾呼“科学处在十字路口”;⑦国际著名科学家、诺贝尔物理学奖折桂者阿耳文痛斥相对论“不过一小摆设”，“抹煞了科学与伪科学之间的界线”;⑧得克萨斯大学终身荣誉物理学教授伯纳斯称相对论是“一场灾难”，“是改变盲目迷信相对论的时候了！”⑨著名理论物理学家卢鹤绂院士耄耋之年冲破重重阻力，向世界推出“向Einstein挑战”的檄文后留有遗言：“一般编辑部不敢登这篇文章，他们迷信Einstein，怕人家说他们不懂物理学。”⑩原国务委员、国家科委主任、全国政协副主席、中国工程院院长宋健大胆质疑Einstein，呼唤青年科学家敢于创新：“整整100年前，Einstein在他发表的那篇震惊世界科学界的关于狭义相对论的论文中，曾经提出过一句名言：不可能存在任何大于光速的运动。当今的科学界将此称为光障。然而，宋健说，这个外推至今并没有任何直接试验的证明。近年来航天技术的发展，已经促使科学家们细察和反思：为什么飞船不能超过光速呢？” 【6】相对论将参考系作为整个物理学描述体系“基准”的这个“基准”建立在光速不变这个普通的物理学事实之上。在相对论的词典里，空间和时间只具有相对的意义，而光速不变则具有绝对的意义。光速不变是整个物理学描述体系的基准。当时，Kretschmann对Einstein数学游戏的批评是：“普遍协变的假设对物理定律的物理内容没有提出什么主张，而只不过是关于它们的数学表述的一些意见而已。”Einstein是和这个见解完全一样的。……“由于等效原理，引力只能唯一地通过g_ik来描述，而后者——（g_ik）不是无关于物质而给定的，它们本身就是场方程所决定的。”（W•泡利著《相对论》第202页）Einstein在1922年就光速不变原理写道：“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”。 （11）英国赫尔大学梅利·达宁-戴维斯教授指出当今物理学权威们固守于相对论的一般性理论，对于向狭义相对论提出的论据充分的科学异议，不是依科学的论据予以封杀，而是通过将Einstein教条地崇拜成越来越宗教化的偶像的方式予以封杀。著名理论物理学家韦斯雷博士说的对：“相对论时代已告终结”。

每一个运动着的三维坐标系都有各自独立的一个三维空间度量和一维时间度量，构成四维度量。在同一个坐标系里 ，能量的读数是连续变化的。在相对运动着的不同坐标系里 ，各自的四维度量应该是不同的，这也是因为在相对运动着的不同坐标系里，能量的读数是不同的缘故。然而坐标系主要表现为数学的概念，而能量是客观存在的。为了保证坐标系之间能量特征（包括动能和势能的差值等等）的连续性、一致性，坐标系之间的度量必须建立相应的变换关系。

由于光速对所有惯性系不变的要求，描述惯性系（1+3）伪欧氏空间是Minkowski空间，惯性系之间的space-time transformation，即Minkowski空间中的space-time坐标变换只能是Lorentz transformation。如果考虑两空间的space-time原点不重合，则它们之间是Poincare transformation. 虽然相对论成功地解释了一些物体高速运动现象，但是它所推出的相对性效应的关系式却是一个发散型函数，在运用到物理实验过程中却总是出问题。例如，在确定高速运动粒子能量时，总会遇到能量发散的困难，以后虽然用重新定义静止质量的办法，通过“重整化”避免了危机，但这种数学形式上的弥补，只是掩盖了表面矛盾，物理实验中的真实矛盾并没有解决，如：量子色动力学(QCD)理论预言，在极端相对论性的原子核碰撞中会产生高温高密夸克－胶子等离子体(QGP),众多国家花大力投入了实验探索。最近却发现理论和实验研究中“还存在着诸多不确定因素”。QGP是否存在还是个问题。相对论性重离子碰撞实验中出现的种种困难，最终归结为：“碰撞中发生了Lorentz收缩吗？”“如何检验？”70年代提出“惯性约束”，用强激光引发微热核聚变。20多年过去，最近的实验结果是：现有最佳装置的中子产出额远远低于理论估计值。问题竟是：“熵不守恒时相对论性流体力学方程”究竟应该取什么形式？【3】钱时惕讲：“我们认为，对于高速力学运动，实际上存在着不同性质的时空变换。我们把它们分别称为“运动学变换”与“动力学变换”：（相对论的）“运动学变换”指的是：对于同一物体在不同惯性坐标中测量它的长度、运动所经历的时间间隔以及质量，此时被测物体本身运动状态不变，只是由于测量系统与被测物体的关系不同而得到不同结果，这时自然不存在物体属性的实在性变化。动力学变换（效应）指：在同一坐标系、针对同一物体的静止和运动两种不同状态，测量其长度、运动所经历的时间间隔以及质量。此被测物体由静止到运动，经历一个加速过程，此时，长度收缩、时间延长、质量增加不仅是观察效应，而且是物体属性变化。这是由于有关“高速运动介子寿命的延长”“加速器中被加速电子、质子的惯性质量加大”，以及“铯原子钟绕地球飞行后变慢”的实验告诉我们：物体的实在属性确实发生变化，而不是观察效应。至于这种变化的机制，还有待进一步研究。狭义相对论就其本身的内容来说，是研究不同惯性系间时空坐标变换。因此，这种物质属性的变化已超出了狭义相对论的范畴。” Einstein说过：……这也许是物理学的一个特征，某些基本问题可能会永远纠缠着我们。狄拉克临终前提醒我们：……对狭义相对论的认识还远没有完善。

（二）狭义相对论的困难

众所周知，狭义相对论仅仅从光速不变原理与相对性原理出发。展开了狭义相对论的空间时间变换、相对论力学（核心是质速关系与质能关系）、相对论电动力学，其最重要的不变性是变换下的不变性。此不变性贯串于狭义相对论的始终，使狭义相对论成为高度协调一致的优美的物理理论。然而，事有一利者必有一弊，数理逻辑的第一不完全性定理告诉人们，一个包含初等数论和一阶逻辑的形式系统P如果一致，则P一定是不完全的，一定至少存在一个不可证明的命题A，A与┐A在P中都不可证明。由于狭义相对论自始至终坚持变换下的不变性，按照定理，它必不完备，其中至少存在一个命题A，A与┐A在其中不可证明。

在狭义相对论中光速只是作为传递信号的速度出现的，没有用到光的任何特殊性质。如果将传递信号的速度由光速改为声速，将基本假设中的光速不变原理改为声速不变原理：在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参照系中，所测得的某一特定状态的物质中的声速都是相等的。将公式推导过程中的光信号改为声信号，光速改为声速，那么就会得出任何物体的速度不能大于声速的结论，这种荒谬是十分明显的。子弹的运动速度超过声速、飞机的速度可以超过声速。正常情况下，人可以用眼睛通过光线来研究和了解世界，而盲人和蝙蝠则依赖声波来研究和了解世界。如果狭义相对论是正确的话，那么盲人和蝙蝠就会得出任何物体的速度不会大于声速的结论。狭义相对论不能对径向多普勒效应做出合理的解释。多普勒现象是：光源远离观察者时光谱红移，迎向时则蓝移。相对速度愈大频移愈甚。

在狭义相对论中，Lorentz收缩应当属于观察效应，然而到了广义相对论时空弯曲（收缩）是本质规律。它确实是一种观察得到的结果，但是对于运动体系确实存在这种规律。一维可以理解为数轴，理论上有了原点、单位、方向就可以使每一个时间点与一个数值（时间）对应起来。但我们某时刻总是在某时间点上及不能倒退，也不能超前，也不能让时间停止。这样的时间可以与时钟程对应关系。但建立坐标系时，数轴变成了坐标轴。坐标轴上的刻度，表示的不再是坐标轴上的值，而是扩展到整个坐标系，即坐标线（二维）和坐标面（三维）。时空参考系中的时间，是四维时空中的一维。时钟的某一时刻都应该有时空图中的坐标线、坐标面与之对应，Lorentz transformation中是有这些东西的，称之为同时性。但在非惯性系中，由于产生了时空弯曲，同时性失去了原有的意义。

Einstein认为应该假设每一个空间点都有一个时钟，但这仍与光速不变原理相互矛盾。作出保持光速不变的同时面是不可能的，因此相对论的光速不变退缩到局域。相对论的弯曲时空并不能通过曲线坐标反映出来，因此每一点有一个时钟，仍然不能表示相对论的四维弯曲时空。相对论没有自恰的时空，广义相对论用的坐标系还是经典坐标系，即用一个时钟表示时间，而且没有Lorentz时空变换的坐标系。著名物理学家康特（W.Kantor）剖析60多个实验的第一手资料后有结论：全都基于无效的逻辑或错误的方法。

光速问题的争论还将无休止纠缠下去，如不过好三道坎：㈠、电动力学问题与光行差、多普勒效应等一类"纯观察"现象不同，属动力学，因而是无法用狭义相对论来解决的。因此，电动力学的所有实验都不可作为这一"原理"的"验证依据"。史实表明，"质速关系"和"质能关系"等早已在1905年前出现;㈡、迈克尔逊-莫雷(1887)实验只是否定以太论并证实：在光源所在的参照系中光速各向同性总为c，但不能证实相对于一切惯性系都各向同性总为c;㈢、德·西特关于光速与源速无关的著名双星观察论据，有严重的逻辑漏洞，是不可为据的。甚至连大多数的相对论支持者都承认迄今尚未实验观察到Lorentz收缩：“一涉及广延体就出问题……相对论性静力学、热力学、流体力学，至今尚未建立令人满意的理论框架。”由于相对论是在假设光速不变，从space-time关系出发推出运动物体相对性效应的，而引起光速不变的真正原因却没有交待。这种从“关系”到“事物”的理论隐藏着严重的缺陷。人们围绕这“光速不变”“Lorentz transformation”展开了激烈的争论。Einstein认识到运动体系具有时空特征，使物理学的发展更进一步，可惜他的思想受“绝对刚体的概念”的制约，以至发生判断性的失误，即若以运动体系为参考系，则该体系原有的时空特征将消失得无影无踪——相对性假说。这个重大的失误把“运动质点具有时空特征”的概念推到非心非物的唯心主义泥塘中，因而所得的结论也是个真实与表观的混血儿；也正是这个失误使得近代物理学自相对论及量子力学后进展十分迟缓。 1923年，Einstein提交哥德堡北欧自然科学家会议的报告中曾经指出，“在力学相对性原理的推论中起着基本作用的是绝对刚体的概念”；并且他还意识到，“把全部的物理研究建立在绝对刚体的概念上，然后又用基本的物理学定律在原子论上再建立刚体的概念，而基本的物理学定律又是用绝对刚体的概念建立起来的，这在逻辑上是不正确的。我们之所以指出这种方法论上的缺欠，是因为这种缺欠也同样存在于我在这里所概述的相对论中”；同时他也承认，“由于我们还没有充分认识大自然的基本规律，以致不能够提出一个更为完善的方法来解脱我们的困境”。

在相对论中，Einstein指出，空间收缩的效果是可测量的。然而Einstein却又宣称，对同一参考框架，两不同的时空度规(metric)解(例如：史瓦西(Schwarzschild)解和各向同性的解)在物理上是等效的。基於史瓦西解和各向同性的解产生相同的光线偏移，Einstein评论,"应该注意，这个结果和相关的理论，同样地不被我们的坐标系统的任意选择所影响”。 宋健说，关于GPS 能否检验收缩因子的存在这个问题，至今使研制GPS 的人头痛。航天部门林金教授已多年研究此问题，目前还介入指导中国的GPS 研制。

洛伦次变换虽然出自经典变换，但是量子力学的基本方程也必须严格遵守。适合四维洛伦兹变换的对象应该局限于光、电、磁等等这类四维物体。就是符合洛伦兹变换的。量子电动力学、量子场论、相对论量子力学也不无如此。根据洛伦兹变换运动的长度在运动物体方向上收缩是指四维物体的是收缩。比如光。迈克尔逊的光干涉实验已经证实了这一点。不要推广它的适用范围的原因：第一、四维洛伦兹变换和光速、以及光速不变紧密相连。它可以直接脱胎于电磁学，法国彭加勒是第一个给出该变换的人。该变换固有的适用范围就是四维性质的光电磁。光速不变——它的物理意义就是表述大范围的电磁空间是零曲率的空间。第二、四维洛伦兹变换不能适用于引力方程。洛伦兹变换几乎征服了物理学现有的每一个分支，就是偏偏征服不了引力学。20世纪30年代后随着非线性和分维物理学分支的迅速广泛崛起，洛伦兹变换均被挡在门外。进一步地研究也发现引力空间是最简单的非线性空间——即不等于0的负曲率的空间。这样才划定了洛伦兹变换的适用范围是所有零曲率的空间的物理学分支。

中国科学院理论物理研究所的郭汉英教授认为：“对于这些惯性坐标系而言,没有自身优越的速度、时间没有方向性等等.对于我们的实验室而言,只要根本不管引力和宇宙学效应,Minkowski时空和PoincarU不变性就是相对论性物理学的理论和实验分析的框架.所有实验,只要不涉及引力和宇宙学,与此符合得非常好.” “然而,如果在这个实验室中又要进行与引力效应有关的实验、进行天文观测或者进行与宇宙背景有相互作用的实验———而且恰恰就是要测量这些相互作用的效应,那么,这类实验室中的观测者就同样会发现:河外星系红移表明宇宙在膨胀,而宇宙膨胀给出了时间箭头;微波背景辐射大体上可以代表宇宙背景空间的性质,不过要扣除我们的实验室相对于微波背景辐射的漂移.对于这类与宇观效应相关的实验和观测的结果的分析必定表明: Einstein的狭义相对性原理对于这类效应不再成立;时间反演和时间平移不变性不再存在;”

（三）与Lorentz transformation有关的佯谬

《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：５１．双生子佯谬能否解决？５２．穿洞佯谬能否解决？５３．滑落佯谬能否解决？５４．柔绳佯谬能否解决？５５．直角杠杆佯谬能否解决？５６．静止长度上限佯谬能否解决？５７．运动物体视在形象佯谬能否解决？５８．长度缩短的应力效应佯谬能否解决？在科学史上，没有一个理论会象相对论那样产生那么多的“佯谬”，如twins paradox、柔绳佯谬、直角杠杠佯谬、艾伦菲斯特(Ehrenfest) 佯谬、哥德尔 (Godel) 佯谬等。【3】量子色动力学(QCD)理论预言，在极端相对论性的原子核碰撞中会产生高温高密夸克－胶子等离子体(QGP),众多国家花大力投入了实验探索。最近却发现理论和实验研究中“还存在着诸多不确定因素”。QGP是否存在还是个问题。 相对论性重离子碰撞实验中出现的种种困难，最终归结为：“碰撞中发生了洛仑兹收缩吗？”“如何检验？” 70年代提出“惯性约束”，用强激光引发微热核聚变。20多年过去，最近的实验结果是：现有最佳装置的中子产出额远远低于理论估计值。问题竟是：“熵不守恒时相对论性流体力学方程”究竟应该取什么形式？ 拟用超导超级对撞机“模拟宇宙大爆炸的时空和物质状态”，为的是“验证”由相对论衍生出来的宇宙爆炸理论。花几百亿美元巨资猜的这个谜还是离不开相对论。

在1911年4月波隆哲学大会上，法国物理学家P．朗之万用双生子实验对狭义相对论的时间膨胀效应提出了质疑，设想的实验是这样的：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎回到地球时只不过两岁，而他的兄弟早已死去了，因为地球上已经过了200年了。这就是著名的twins paradox。《自然》杂志就把它列为97个至今悬而未决的物理学难题。二带同种电荷的小球，因静电斥力和万有引力而达到力平衡，二小球同时高速运动旁观者认为：二小球高速运动，质量增加，引力变大，距离必然拉近。二小球认为：二小球相对静止，质量不变，引力不变，距离必然不变

根据狭义相对论，对同一个物理过程，在与其相对静止参照系中测量的时间最短，而在与其有相对运动的参照系中测得的时间将比在物理过程本身进行的参照系内测得的时间（原时）长。那么对于A留地球, B乘坐宇宙飞船出去再回来这个过程，在A看来，在B出去再回来这个过程，他所经历的时间应该比B经历的时间长；而对B来说，在和A分离到再见的过程，他经历的时间应该比A长，这时就无法区分到底谁最更年轻。但我们需要注意到的是，A,B在整个过程中并不都处于相同地位的参照系中，相对于整个宇宙，地球的加速度是比较小的，这里我们忽略这个加速度的影响，而 B从地球到离开，到在回来，需要经过加速离开地球，以一加速度调头返回地球，到达地球后 减速见到A，B处于一个非惯性参照系中，具有加速度，这个是可以真正地“延长”时间的，而A则始终处于地球，一个近似的惯性系中，所以当B返回地球后，B应该比A年轻。或者另外地说，B能够感觉到自己速度的变化，但A感觉不到。可是根据广义相对论的基本原理，物理规律对于任何参考系都成立，对于A而言B不是惯性系，对于B而言A不是惯性系，仍然有矛盾。有人利用广义相对论解释twins paradox，因为在引力场中时钟延缓（加速运动的物体可以产生引力场）；也有人按照Minkowski三角形不等式解释“twins paradox”。1959年James Terrell在《物理评论》杂志上发表论文，指出尺缩效应的形象是人们观测物体上各点对观察者参考系同一时刻的位置构成的形象，常称为“测量形象”。【1】？“若他们始终不离开自己的惯性系，这是‘一去不复返’的相对运动。他们从分手开始便‘永别了’。因此，到底哪个年轻是无法比较的，也就无从考察，得不到任何确切结论。” 【5】人教1979年出版的<物理学导论>(美国人：F.J.Bueche著)P126中的一段关于时间相对论效应的示例： “半人马座α星是距离我们太阳系最近的恒星，距离是4.3×10^16m，光速c=3×10^8m/s，所以光从地球到达该星的时间是1.43×10^8s。也就是4.5光年，往返一次就是9光年，当宇宙飞船以0.999c往返该星时，所需要的时间多长？”书中说“按照地球时钟计算，往返一次需要9年。飞船上的时钟似乎走得慢些，相对论因子是√（1-0.999^2）≈0.045。因此飞船上的时钟把9年指示为约0.4年，所以对于宇航员来说往返仅需要0.4年，约5个月”因此得出“宇航员有一个孪生兄弟留在地球上，在上述旅行过程中，地球上的孪生兄弟大了9岁，而宇航员在往返旅程中只渡过了5个月。”这就是兄弟佯谬。四川大学物理与技术学院的博士生导师吕教授告诉记者，相对论是建立在大量实验基础上的，理论上谁都可说它对或错，但它对错的关键是，能否找到一个自然现象或一个实验和它矛盾，如果能找到，可以顺着这个方向研究下去，如果找不到，仅从理论上去论证它对或错意义不大。

根据相对论的质速关系，实物粒子的全部引力质量随速度的变化而变化，但是在可变的引力质量中又存在着粒子的固有引力质量（或静止引力质量），如何解释两者之间的物理机制呢？ 虽然Lorentz transformation矩阵不包括引力质量，

Υ -β₁Υ -β₂Υ -β₃Υ

-β₁Υ 1+Aβ₁β₁ Aβ₁β₂ Aβ₁β₃

Lorentz == -β₂Υ Aβ₂β₁ 1+Aβ₂β₂ Aβ₂β₃

-β₃Υ Aβ₃β₁ Aβ₃β₂ 1+Aβ₃β₃

式中A=（Υ—1）/β²，β₁=v₁/c,β₂=v₂/c,β₃=v₃/c,Υ=(1—β²)—0.5。当运动速度沿X轴时，就化为普通形式。速度引起的引力质量的增加是狭义相对论效应，但是时钟延缓与长度缩短也是狭义相对论效应。

瞬时固有系，是瞬间与质点保持相对静止的惯性系，如果质点的速度不断改变，瞬时固有系也不断替换，它与其质点永远保持相对静止的固有系之间，没有相对速度只有相对加速度。根据狭义相对论在一个质点的瞬时固有系中观察一个质点的运动，不存在狭义相对论效应。笔者认为狭义相对论效应应当为瞬时效应，对于速度不是累积效应。根据场的space-time本质的观点，引力质量、时间、空间的狭义相对论效应是同一的。孪生子佯谬的一种版本已被围绕地球在相反方向上飞行的两台精确的钟表的实验所验证。当它们重新相遇时，向东飞行的钟表流逝的时间稍微短一些。【4】

太空站在太空停留了 15 年。按狭义与广义相对论的叠加结果太空钟会有明显的走时误差。为何没有人对太空站的时钟问题大事炒作呢？假设在一个惯性参照系中测量一个物体的长度，物体由静止开始加速，直到c/2，然后匀速运动一段距离后开始减速，直到静止。根据Lorentz transformation，物体的长度开始与最后应该相等。可是运动物体的长度缩短，由于物体一直在运动，因此物体最后的长度应该最短，这显然存在着矛盾。在狭义相对论中，物理规律在不同的惯性参照系中是一样的，但物理量在不同的参照系中可能不一样，例如运动物体在其运动方向上的长度将比其静止长度小，可以说是观测效应，因为从测量的含义上去理解，这的确是因为光速不为无穷大（而且任何信息传播速度不得超过光速）的原因，但这也是本质规律，是因为从前面一句话可以看出，这是必然会得出的结论，是规律性的。当开始由静止做加速运动，当速度达到0.99c时开始加速到静止，开始和最后的长度是相等的，因为根据上面的话，运动方向上的动长是和运动相关的，只有它运动，它运动方向的动长才会比静止长度小，如果它运动又静止了，那么它的长度就是静长，当然和原来的相等。设想一个物体先从 静止做加速运动然后做减速运动到静止，在这整个过程里，其运动方向的长度应该是先变小，到速度最大时运动方向动长最小，然后又逐渐变大，最后恢复到静止时长度。 时间变换也符合洛沦兹变换，为什么现代物理学的实验证明（譬如μ子绕地运行）具有累积效应？或许有人认为狭义相对论适用于匀速运动，加速运动应当利用广义相对论解释，可是为何利用原子钟绕地球高速运动（加速运动）时钟减缓，寿命的延长，说明狭义相对论的正确？在长度测量实验中，每时每刻都有速度，长度应当缩短，为何必须用广义相对论呢？因此在μ子和介子实验中，μ子和介子作有加速的圆周运动，实验证实作这样运动的μ子和介子的平均寿命大于静止μ子和介子的平均寿命，并不能说明狭义相对论的正确。如果一个微观粒子作匀速圆周运动，其寿命在延长，但是长度不变，这一点可以用实验验证。直到1959年，特雷尔(j.Terrell)在一篇文章中才指出：不对! Lorentz收缩是看不到的。原因很简单：同一时刻从运动物体各点发出的光一般不能同时到达观测者的瞳孔；反之，同时到达瞳孔的光一般也不是同时发出来的。【2】实际上质子碰撞等实验表明运动粒子是全方位膨胀的。

一个航天飞船以4/5光速从左向右掠过地球。一束光脉冲从座舱的一端发射出并在另一端被反射回来。在地球上的和在航天飞船上的人分别对光进行观察。因为航天飞船的运动，他们在光返回的旅行距离上意见不同。因为按照Einstein关于对所有自由运动的观察者光速相同的假设，他们在光花费多少时间飞行上的意见也应该不同。

“潜水艇悖论”指的是这样一种理论假想情况：首先假设一艘完全浸没在海里的潜水艇，相对于海水静止时能不升不降地正好保持平衡，然后在假设它在与海面平行的方向上以接近光速行进。基于物体的长度在运动方向上收缩的相对论效应，在海面上相对于海水静止的船上的观察者看来，潜水艇本身会收缩，密度会变大，并最终下沉。但潜水艇上的船员们看到的却是飞速向后的海水在收缩，密度在变大，他们会认为：由于海水密度变大后产生浮力变大，潜水艇将上浮。按照相对论，两种互相矛盾的结论都没有错。1989年美国的物理学家萨普利假设海底在特定的参考系中会加速上升，根据广义相对论space-time效应而扭曲变形，最终与潜水艇接触，结果看上去是下沉了。最近巴西的物理学家认为，在不同的参考系下，相对于海水静止的观察者和潜水艇员所出的重力场并不相同。他通过严密的数学推理发现，从潜水艇员的角度来看，潜艇以接近光速运动的过程中受到的有效重力，实际上也比潜艇相对于海水静止时大，超过海水密度变大而产生的福利，最终导致潜艇下沉。

真正的主流物理学界是如何看待相对论的，现任国际引力与相对论天体物理学会主席的C. M. Will是其代表。C. M. Will对相对论的基本原理都用怀疑的态度去与实验比较进行检验，光速变不变、是否各向同性、Lorentz不变性破缺有多大等等都在研究之列。 主流物理学界关心和讨论的内容是实验结果, 就是C. M. Will这样的理论物理学家最终关心的是理论与实验是否相符。现在几乎没有人在引力与相对论天体物理学会议上去讨论相对论的哲学意义，更沒有人用哲学来论证相对论。在上世纪20、30年代国际上有一些相对论的哲学意义的讨论，在21世纪难道我们又要去重复吗？相对论的光速不变原理是在伽利略时空中定义和测量的, 相对性原理是在Lorentz时空中定义和应用的。相对论内含两套不相容时空，使得多数的反相和保相辩论集中于将Lorentz坐标变換应用到上具体问题上。由于两套时空都是相对论不可缺少的，在每一个具体问题中两套时空的不同组合就有不同结论。两套时空本来就是矛盾的，组合到具体问题中总能使结论变得荒唐或佯谬，也总可以组合得避开荒唐或佯谬。

参考文献：

【1】赵凯华，罗蔚茵. 新概念物理教程——力学. 北京：高等教育出版社，1995

【2】杨福家等译.维克多·韦斯科夫.二十世纪物理学家.北京:科学出版社，1979

【3】庄一龙.《世界上严肃的科学家冷眼看待相对论》

【4】史蒂芬. 霍金 著 吴忠超 译.《 果壳中的宇宙》 湖南科学技术出版社 2002年2月

【5】李文博.狭义相对论导引[M]。哈尔滨：东北林业大学出版社，1986.6.3

【6】孔晓宁.天赋人责——聆听宋健院士一席谈.人民日报海外版,2005年01月12日,第二版

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