相对论有回避这些问题的理由吗*

涂润生

[摘要] 回答火车过坑问题、双螺旋对钟问题和光压跷跷板几个具有一定代表性的问题，对于相对论维护者坚持既定的信念有很大的好处。如果说，连这样几个基本的问题就不能明确地阐释，就很难让人继续相信相对论。在教学和科研中回避这几个基本的问题就不是一种科学的态度，定会误人子弟。

关键词：相对性原理、双螺旋对法、放风筝式对钟法、绝对静止系

中图分类号：O412.1

Several Blind Spots of Theory of Relativity

by Runsheng Tu

Abstract

To answer several representativeness problems about optical pressure seesaw, checking clocks in terms of Binary Spirals and a train crossing a hole, etc., has very benefit to the maintenance person of theory of relativity persist in the set faith. If speaking, even such several basic problems cannot clearly and definitely be explained, and very hard let people superstitious belief in theory of relativity. It isn’t one kind of manner of science, and harms the younger generation calmly, to evades this several basic problems a religion in the process of teaching and the scientific research.

PACS: 03.30.+p

任何理论都有它的盲点（也是理论上空的乌云），不承认相对论有盲点就偏离了辩证的轨道。相对论的盲点就是利用相对论不能解释的问题。这些盲点可以举一反三地设置和挖掘。如何妥善地解决相对论的盲点是反相对论的人士和维护相对论的人士都必须重视的问题。因为，若不能解决这些盲点问题，就说明相对论真的需要修正，若能解决这些盲点问题，就表明相对论经受得了更严厉的考验。有必弄清：相对论真的是数学逻辑完美的理论，还是人们不计较（或没有去计较）相对论中的遐疵。

火车过坑问题、双螺旋对钟问题和光压跷跷板几个问题具有一定的代表性，是值得大家关注的。

1非常接近光速的体系与低速体系无法等价

设有A和B两个惯性系，A相对于总星系的速度与光速之差为10⁻⁵⁰c，B相对于总星系的速度只有0.001c. 在B中的观察者看来，总星系是稳定的。但在A中的观察者看来，如果相对论成立，则每一颗尘埃都是一个黑洞，总星系除变扁平以外还会塌缩成一个点（一个奇点）。一个真实的塌缩过程不能被Lorentz变换变换掉，Lorentz变换也不能将一个非塌缩过程变换为塌缩过程。如果B观察到的现象是真实的，总星系没有塌缩，就表明A所观察到的现象是不真实的。所以，A与B不可能是等价的。如果说，惯性质量与引力质量不相等，广义相对论就失去了存在的基矗在天文学观察中，已经发现了不少接近（甚至超过）光速的天体，不能为了迁就相对论而说非常接近光速的体系不存在。如果说，除接近光速和等于光速的高速运动的体系之外的惯性系是等价的，那也破坏了相对性原理的普适性，而且相对论不能凭自身的逻辑给出一个保证相对性原理成立的体系速度接近光速成的程度。

2火车是否既能掉入坑中又不能掉入坑中？

设一节固有长度为 10 米的火车在路基上以 0.866c 的速度行驶，路基前方有一个固有长度为 8 米的大坑。设火车与路基之间的压力不是引力而是光压。由尺缩效应和惯性系等价可知：在路基系中观察，火车收缩为 5 米可轻松地掉入 8 米长的坑内；在火车上观察，坑长收缩为 4 米，车头和车尾一样重的火车可越过此坑。仅利用相对论我们不能回答，火车是越过大坑还是嵌入坑内。这就是相对论的不能解释为“佯谬”的空间疑难。如果说，尺缩效应是表观的，我们就不能站在μ子上解释μ子寿命的延长现象。Lorentz变换下的速度变换就失去意义，我们就不能利用Lorentz变换下的速度变换解释光速不变。现行长度定义和时间定义表明了：时间单位与光的频率相联系，而长度单位与光的波长相联系。这样，钟和尺已经通过c=这个公式联系起来了。认为时间延缓效应是真实的变化，而尺缩效应是非真实的变化，一定与光速度不变（即之积不变）的真实性相抵触。

坚信相对论的人之中的一部分已经选择了“尺缩效应不是真实的变化”的诠释。可是，如果尺缩效应不是真实的变化，那么，就很难保证时间膨胀效应是真实的变化。它对保证不同惯性系等价也有一定的威胁。例如，在测量子寿命的实验中，站在地球上观测，子的寿命延长是时间膨胀效应，站在子上观测，子能走得更远是空间收缩效应。如果空间收缩效应不是真实的变化，子体系与地球系就很难说是等价的。一根运动的尺的头和尾是连续存在的，运动的尺的在静止系中的投影长度绝对是根据尺的整体同时遮住光所得到的影子而测量出来的，不存在“同时的相对性导致尺缩效应是表观的测量效应”的现象。运动的尺的投影长度不等于它的实际长度的观点缺乏理论依据。另外，当尺高速运动时，尺中的分子因“时间延缓”而变得趋于没有振动，分子运动速度减小，分子间距离就会减小，如果不同惯性系是等价的，就可以据此预言运动的尺会发生实在的物理收缩。

3 两个波前球是否既同心又不同心?

有甲、乙两个惯性系，甲系中有一个静止的裸光源 S，S 在甲钟指示的 t₁ 和 t₂ 两个不同时刻（但在甲系中是同一地点）分别发生一次闪光。从一个闪光点发出一次闪光，波阵面可围成一个球（简称波前球）。那两次闪光将产生两个波前球（球 1 和球 2）。在甲系中观察，球 1 和球 2 是同心球。在乙系中观察，由于那两个闪光事件发生在不同地点（或光速与光源的运动状态无关），乙可得到球 1 和球 2 不同心的结论。显然产生了一个无法消除的矛盾——球1和球2既同心又不同心。

如果承认波前球随着观察者漂移了，就不能坚持“光速与体系速度无关”的观点。

可以非常明显地看出，这个理想实验似乎能表明：光速不变原理和相对性原理至少有一个不成立。

4放风筝式对钟方法（用放风筝的方式对钟）

在图1 中，A、B、C、M 是甲系中的四个固定点，其 中 M 是的中点，D′ 点是乙系中的一个金属轱辘的轴心，轱辘上绕有多圈裸线。A、B、C、M、D′ 之间有导线相连。当甲系带着导线向右平移时，轱辘就被导线拉得转动，D′、A、B、C、M 五点间的有线联系不会因 D′ 与 A、B、C、M 之间有相对运动而中断。在甲系中让 A、B 两点同时发出一个初相不同的电脉冲信号（记为事件 1 和事件 2）。由于电脉冲信号在导线中的传播速度（相对于导线的传播速度）是恒定值，因此，在甲系中观察，事件 1 和事件 2 的脉冲信号能同时到达 M 点，进而同时到达 C 点，并产生电脉冲干涉。只要事件 1 和事件 2 这两个电脉冲信号能同时到达 C 点并发生干涉，它们就一定能以相互干涉的形式同时到达 D′ 点。

对于“A、B 两处的电脉冲同时产生引起它们在 M 点发生干涉”的因果关系（记为因果关系 1），能被甲、乙两个惯性系中的观察者公认。换言之，因果关系1的客观存在与观察者的运动状态无关，事件 1 与事件 2 的“同时”是绝对的。假如从 D′ 点发出一个电脉冲信号而使A、B两处的闪光灯开启 (分别称为事件 3 和事件 4)。由于“从 D′ 发送一个电脉冲信号引发事件3 和事件 4”与“从C 点发送一个电脉冲信号引发事件 3 和事件 4”是完全等效的。因此，甲乙两系中的观察者都承认事件 3 和事件 4 是同时的。

这个理想实验似乎能表明，在经验世界中，异地同时是绝对的（相对论的推论与经验世界不符）。对钟方法不止Einstein对钟法一种。下一个理想实验——“光压跷跷板”能有力地强化前一结论。

5光压跷跷板（在同一时刻，一块跷跷板是否既跷动又不跷动？）

如图2 所示，甲系中有一块很长的发光平板（设该平板为刚体），乙系中有一个高灵敏度的跷跷板。跷跷板与发光平板平行。甲系的运动方向平行于跷跷板，在甲系中让发光平板上的每个发光点同时产生一次闪光，所产生的绝大部分光线是垂直于跷跷板（或发光平板）的大动量光子。在甲系中观察，因跷跷板支点两边所受到的光压同时而相等，跷跷板不会跷动。在乙系中观察，若认为同时是相对的，则跷跷板两端所受的光压相等但不同时，跷跷板会发生跷动。乙系中观察者认可的因果关系（记为因果关系 2）的三要素为：作用于跷跷板两端的光压相等但不同时；力学定律的实际作用；跷跷板发生跷动。

如果真实情况是跷跷板发生了跷动，则跷动也能被甲系中的观察者观察到，甲系中的观察者不承认因果关系 2 的三要素中的原因要素，必须认为跷跷板发生了无原因的跷动（即有“无因之果”）。如果真实情况是跷跷板不发生跷动。那么，在乙系中的观察者看来，就是一个非零转矩不能引起转动（即非零转矩必引起无阻力的只有一个支点的灵敏平衡物体转动的物理学定律不起作用）。那块跷跷板在受到一次平行光的光压作用时既发生跷动又不发生跷动的情况是不会发生的。所以，同时的相对性不可能是客观的，或者，已成事实的因果关系 2 也必须与观察者的运动状态无关。

该理想实验似乎说明了“同时”的相对性能导致逻辑矛盾，它与第三个理想实验一起似乎能表明“同时的相对性”不真实。也似乎能表明物理学定律在Lorentz变换下只能保持形式不变而不能普遍地保持适用性不变，即不同惯性系之间不总是等价的。

6双螺旋对钟法

有 A、B 两个惯性系，它们各有一只静止的钟（钟a 和钟b）。当 a 和 b 第一次相遇时，将 a 和 b 的读数同时调拨到零，与此同时 a 和 b 开始按各自系统中的一条圆渐开线运动。相对运动的线速度相等，相互观察时都是对方的钟多出了一种平移运动。在这种情况下，尽管两只钟在做非惯性运动，但是，非惯性运动效应是极为对称的，产生的相关效应有尽有可以相互低消，剩下的差别仅由平移运动造成。当 a 和 b 再次相遇（如图 3 所示，是办得到的：当两只钟都绕转了N圈时，惯性系A恰好相对于B平移了2Nr的距离（此处的r是圆渐开线方程x = r(cos t+t sin t), y = r(sin t-t cos t) 中的特征常数）时，a 和 b 的时间读数中哪个更大？

由于都是对方的钟多了一种平移运动，因此，根据相对论可知：在 A 上观察，b 的读数小于 a 的读数，但在 B 上观察，b 的读数大于 a 的读数。第一次相遇时读数 T_a1 和 T_b1 同时为零是没有争议的。当 a、b 第二次相遇时，若 T_a2=0.200 纳秒和 T_b2=0.210 纳秒已被 B 上的观察者观测到了，是完全真实的，那么，由光速与光源的运动速度无关可推知：载有 T_a2=0.200ns 信息的光信号和载有 T_b2=0.210ns 信息的光子是同时从 a、b 第二次相遇的空间点 P₂ 上发出的，其他惯性系中的观察者原则上都可同时接收到这两种光信号。换言之，只要光速与光源的运动状态无关，那么，在同一空间点上同时发生的光子（即使它的源的运运状态不同）都能同时到达任何一个观察者的视膜网（这正是双星binary star的影像不发生畸变的原因）。可见，在 B 同时观察到了 T_a2=0.200ns、T_b2=0.210ns 的前提下，在 A 上也能同时观察到 T_a2=0.200ns、T_b2=0.210ns。即同一点上的同时是绝对的。

该理想实验对“相对性原理普适”的结论构成了威胁。它似乎能表明：时间膨胀效应有可能仅在一个特殊的系统中成立。如果说该理想实验与相对论问题无关，那么1972年做的原子钟的双向环球航行实验结论也与相对论问题无关。

7存在绝对静止的东西

对于实在的观察者而言，与光源相联系的无限延伸的惯性系是虚构的，虚构的惯性系的运动也是虚构的运动。虚构的运动体系不可能100%地牵引光子（没有能牵引光子的物质基础和力学基础）。与被考察的光源相联系的系统的范围仅能延伸到光源的场能起有效作用的距离处。如果光源的场可被忽略，那么，与被考察光源相联系的系统的大小等于光源的体积。“任何事物”包括观察者所在的系统。如果说观察者所在的系统除外，那就不是“任何事物”。谁也没有（或不能）拖动的东西的运动路径一定是绝对静止的。谁都可以拖动的东西不可能与拖曳它的东西的运动状态无关。光速不变包括两项内容：光速与光源的运动状态无关；光速与惯性系的选择无关。如果在零场强空间中，光速与光源的运动状态无关，光源的运动不能给予光子以横向初速和纵向预备速度，任意选定的观察者也没有理由能给予光子以横向初速和纵向预备速度，那么，在零场强空间中光子的运动路径和两束光线的交点都是绝对静止的。许多这样的交点（或不同方向的光子的运动路径）构成一种绝对静止系，零场强空间中的微波背景辐射的整体（或外场强为零的真空中的粉碎电磁波^{[1, 2]}或大量虚粒子对的整体）就与这种交点体系和光子运动路径体系（即绝对静止系）对应。无论是选择“光子是谁也不能拖动的东西”，还是选择“光子是谁都可以拖动的东西”，都不能保证“不同惯性系等价”和“光速与惯性系的选择无关”。^[3]

只有对光子有100%牵引效率的有场体系才与上面所说的绝对静止系类似，而这种系统都是有限的实物体系，不足以与零场强无限的绝对静止系相抗衡（即不能与它平权）。可见，光速与光源的运动状态无关必然会导致绝对优越的静止系统（或事物）存在。如果说在每个观察者所在的惯性系中光速都与光源的运动状态无关（即承认每个惯性系都是优越的系统），就等于承认光源的运动（或每个有观察者的系统）都能全方位地牵引光子。但只能承认观察者所在的系统的牵引效果而不能承认其它系统的牵引效果。这种举措不但没有充足的理由，而且等于承认惯性系不等价（观察者所在的系统与其他系统对光子的牵引效果无故不同）。更为严重的是能给相对论带来一个逻辑矛盾：由于我们可给每个系统都安一个观察者，因此各个系统都是既能牵引光子又不能牵引光子（当它承载动作执行者时能牵引光子或对光子有100%的牵引效果，当它被观察时不能牵引光子或没有牵引的效果）。承认了牵引但不能平等地承认牵引效果是前后矛盾的。一旦平等地承认了牵引的效果，光速就不再与光源的运动状态无关（如果所有其他系统都能牵引光子，光子的运动方向就一定与光源的运动状态有关）。光速与惯性系的选择无关又否认绝对静止系存在。所以，光速不变自身的矛盾也是它与相对性原理之间的矛盾。

8 可以在理想实验中制造超光速运动

制造一个95%的重量是燃料的足够大的飞船。燃料中一部分是反物质，一部分是普通物质。让飞船以25.6公里/分钟²的加速度加速飞行 。当它接近光速时以“正反物质湮没产生的热使物质气化，气化物从尾部喷出产生推力”的方式加速。根据相对论的计算可知：当飞船的速度接近光速时，飞船质量、燃料质量和喷出物质量几乎以相同的速率变得很大，飞船获得的反冲动量也很大，飞船的质量和喷出物的质量几乎以相同的速度接近无穷大；飞船可以继续加速，最终必然会达到和超过光速，直至燃料耗荆换言之，当F和m以相同的速率趋向无穷大时，F=ma公式中的a可以取非零值，在这种前提下，导致a变为零的因素是燃料的枯竭而不是光障，也不是质量变为无穷大^[4，5]。照此例计算，经过11719小时（即488天）的加速，飞船可以达到光速，继续加速可以超过光速。即使飞船的速度达到了光速，飞船的质量为无穷大，飞船上的宇航员根据动量守恒定律仍然可认定飞船能被继续加速，直至燃料耗荆客观的加速度不可能被Lorentz变换消除，只能被广义坐标变换变换为引力常所以宇宙飞船系中的加速度不能被地球系中的观察者否认。就是说，相对论设置的光障，根据相对论的理论计算又可以被突破。如果人工可以制造无穷大的质量（即超级黑洞）就是以有限的能源实现了无限的质量，这不符合能量守恒定律和相对论推崇的质-能相当性。如果说，惯性质量与引力质量不相等，又破坏了广义相对论的基石之一：“等效原理”。如果说相对论只是近似成立，而质量与速度有关、时间与速度有关都是实事，那么，这两种关系中的系数在精确意义上就不可能是Lorentz变换或Micowski四度空间描述的。

以上分析似乎能表明，很有可能不是超光速不能达到，而是人们将超光速解释成了非超光速。媒质对光子的牵引效果和超光速的事实是被数学和既定思想观念消灭的。以光速为极限速度的相对论本身又允许制造出超光速，以物理学定律协变为前提的相对论又允许能量守恒定律不协变。这些都是相对论不可回避的致命问题。在100年时间里广大学者没有看出这一点是受到“飞船只能利用外力加速”的思想束缚。一旦思考飞船以内力加速，就能立即发现这些问题。

制造一个九级齿轮变速箱，其中相邻两级的转速差为10倍。在最后一级轮轴（也是转速最高的那个轴）上安一个周长为1米的飞轮。以每秒50转的电机带动第一级轮轴。按这样计算，那个飞轮的圆周上的一点的线速度为50×10⁹米/秒（即50万公里/秒，大于光速）。在该实验装置中，加速转动阻力是摩擦力和有限的惯性力。利用几乎无磨擦的轴承，只要材料的强度足够高，或许可以实现设计思想。该实验可以验证惯性质量是否按Lorentz变换计算的那样随速度增加。

读到此处我们还能说相对论在数学逻辑上非常完美吗？

参考文献

[1] Yongqiang Zhu, The China Patent, ZL94-1-14042.3. 1994-12-15 (in Chinese).

[2] Yongqiang Zhu, Wang Yu, etc. The character and application of the smashed the electromagnetic wave. ACTA PHYSICS SINICA, 2001, 50(5): 832～836. (Chinese)

[3] 涂润生, 涂小红. 谁也没有拖动的东西的运动路径是绝对静止的[J]. 大学时代（C版）, 2006,（7）: 89, 91

[4] 涂润生, 曲元春. 航天器的速度能否突破光速[J]. 发明与创新, 2006, (21): 31～32

[5] 涂小红, 涂润生. 宇宙飞船的速度能否突破光障[J]. 科教文汇, 2006, (5): 175～176

→ * 相对论的维护者应该正面回答本文设计的问题，如果能够利用相对论回答这些问题，对维护相对论也是十分有利的。如果不能利用相对论回答这些问题，就不得不杯疑相对论。对这些问题不闻不问，不是科学的态度，也不能确保相对论的权威性。