涂润生 （torunshine@163.com）　2008.07.05 20:12:01

绝对静止系、空间、时间和时间疑难*

涂润生

（湖北省黄石市产品质量监督检验所，黄石435000）

摘要 定义了绝对静止系（该定义不同于牛顿的绝对静止系）、时间和空间。阐述了形式时间的本质，讨论了洛伦兹变换的物理意义，利用思想实验揭示了狭义相对论中与广义相对论无关的时间疑难和空间疑难，利用逻辑方法揭露了“在形式上能得到‘同时’具有相对性的洛伦兹变换中的那个因子，是辐向多普勒频移的反映，并不是‘同时’具有相对性的逻辑根源”。空间与时间的相对论关系受到了强劲的挑战。光速不变是指，当体系速度不高时，体系速度与光速的合成速度仍然约等于光速，即光速近似不变。

关键词：绝对静止系；时间；空间；无；洛伦兹变换

分类号：O413.1

相对论被称为时空理论，但它没有定义空间和时间，既没有说明空是什么，也没有说明时间是何物。它所使用的时间被称为数学时间（即抽象时间）而不是物理时间（现实世界中的时间）。这对于时空理论来是很滑稽的，也为以后不严肃地见到t就认为代表时间，见到x就认为代表空间提供了方便。相对论不承认绝对静止系，也就不会去定义绝对静止系。本文定义空间、时间和绝对静止系，也说明空间的形成过程和时间的形成过程。认为相对论的错误根源是盲目扩大洛伦兹（Lorentz）变换的适用范围，混淆坐标时与固有时，将空间对形式时间的导数得到的形式速度当着真实速度，将光速近似不变看作绝对不变。在惯性系中利用任何力学实验不能感知自己在运动，被轻率地推广为根据任何实验都不能在惯性系中感知自己在运动。惯性系等价的结论就是根据这种轻率的推广得到的。

1 什么是绝对静止系？

综合考虑篇幅和策略，《相对绝对论》一文中没有绝对静止系的定义。实际上，绝对静止系的定义并不十分重要，更重要的是如何找到绝对静止的事物和感觉到绝对静止系的存在。

如果宇宙无限，无限宇宙的整体的运动就没有意义（因为它没有相对运动的参照物）。可见，我们可以说无限宇宙的整体是绝对静止的。即使宇宙有限，也因有限宇宙之外的存在没有意义，有限宇宙的整体的运动没有参照物，而可认为有限宇宙的整体是绝对静止的。脚注中介绍了另一些绝对静止的事物。

如上所述，逻辑上的绝对静止系也不同于牛顿定义的“与一切无关”的绝对静止系。绝对静止系可以被感知是由“能找到仅由绝对运动决定运动学效应”决定的。例如，根据“绝对运动的钟变慢”的规律就可以测出物体的速度。具体的测量方法见《相对绝对论》^[1]一文和本文第4节。

2 什么是时间？

时间是利用特定的周期性变化的事物的周期，对其它事物的发展进程进行量度的物理量。如果没有物质，时间就没有意义。有物质但没有周期性变化的事物，也不能建立时间概念。

各个惯性系中的智慧生物根据相的秒的定义制作的，能记录相应惯性系的固有时的钟，称为“标准钟”。用“标准钟”记录的时间称为标准时间（或固有时）。用“非标准钟”记录的时间称为非标准时间（也称形式时间或坐标时）。

根据现行秒的定义可知：时钟内部用于计时的光源的频率变化，时钟的快慢就会变化。其快慢与辐向多普勒频移有关的钟所指示的时间就是形式时间。根据本文的时间定义可知，时间与物质及其运动有关。

3 空间的定义和形成过程

空间是在相互垂直的三个方向上延伸的能包容物质的体。我们先来分析一下“无”的特性。只要坚信空间不是物质（即空间不是实物）的观点，利用现有几何理论可知，“无”可以包括“无物”，而“无物”必定无边。什么物质也没有，就必定是无边无际的。佛家认为“无”就是“空”，“空”就是“无”。空无一物的状态，必然是无穷大的空间。这与我们在日常生活中形成的“什么也没有”就是“无”，就是“空”的观念一致。这段话表明了“无穷斜与“无穷大”之间的另一层辩证关系。“无物”必然没有边，“无边”必然为无穷大的空间，因此，“无”可分为“无穷斜和“无穷大”两种情形。“无穷斜是“无”，“无穷大的空无一物”也是“无”。“空无一物”无歧义地是指“无穷大的空间内什么物质也没有”。“无”的运动没有意义，所以空间与运动无关，体积与运动有关是因为围成体积的壁（或占据体积的物体）的内部紧密程度与运动有关。由于空间无物，空间的运动也就没有意义，因此空间不可能与运动有关。空间与运动有关应为体积与运动有关。

4 钟慢效应与尺缩效应的联系

爱因斯坦相对论诞生之时，长度单位是根据实物（即米标准原器）确定的，时钟的快慢与长度单位定义完全无关。那时没有人讨论“钟慢”、“尺缩”两种效应是否相关是必然的。在秒的定义利用特定的频率，米的定义也利用特定的波长之后，这两种效应就不可能是相互独立的。因为若光速不变，则频率降低，波长就要增大。相对论认为运动体系中的一切过程都比静止中的为慢。由于c=ln ，因此，光速c 不变时频率 n 变小，波长 l 就一定得变长。根据相同的米的定义及运动系中已经变长了的波长制造的米尺必然比静止系的米尺要长。如果说运动系中的观察者根据米的定义制造出来的米尺在静止系中的观察者看来不足一米，那么，在波长因运动而变长（或不变）的情况下，在静止系中观察，运动系中的米尺就不符合统一的米的定义。惯性系等价的结论也受到了挑战（因为，惯性系等价要求各个惯性系制造的米尺放在一起比较必须是一样长，否则米尺最长的那个惯性系就是优越的系统）。在不同季节内地球相对于宇宙整体的运动速度不同，可以通过比较在不同季节里制造的标准米尺的长度来验证上述观点。

如果说波长、米尺和其它刚杆因运动而以相同的倍数（如倍）变小，则在光速不变前提下，尺缩效应只能与运动的钟变快对应，同时还存在另一些问题。光速不变被认为是（也必须是）一个物理实在的可观测效应。c=ln 的关系也是一个物理实在的关系，它们决定了米尺因运动而变短也是可测量的、实在的物理效应。波长 l 和根据特定波长制造的米尺都有一个实在的变短，意味着在运动体系中制造的米尺比在静止系中制造的米尺要短（将它们运送到一起比较，长度不一样）。对于相对论来说这是一个致命的结论。对于相对论来说这是一个致命的结论。因为根据它可以找到一个优越的惯性系——绝对静止系——根据相同的定义制造的米尺最长的那个系统。如果说空间和波长因运动而变不是实在的效应，那么频率因运动而变也就不是实在的效应，否则频率 n 变了而波长 l 不变，光速c就不可能不变(或惯性系就不等价。请不要忘记c=ln)。钟慢效应与能记录固有时的原子钟的内部波矢的方向无关。换言之，与固有时对应的频率的因运动而变小与波矢的方向无关。通俗地说，改变运动的钟内部波矢的方向，对该钟的快慢并没有影响。这决定了垂直于运动方向的波矢的波长也应该因运动而变长(再次请读者不要忘记c=ln)。问题在另一个方面变得不可收拾：相对论认为波长和刚杆的收缩与空间的收缩对应，那么，在垂直于运动的方向上波长因运动而变化是否也与空间因运动而变化对应？如果是这样，垂直于运动方向的空间是因运动而收缩呢？还是因运动而膨胀呢？

在相对绝对论中，所有米尺都是在同一个惯性系中制造的，它们绝对一样长，这样可以保证空间测量值（读数）代入涂氏变换中能得到逻辑一致的结论。

5 洛伦兹变换的本质和适用范围

在导出了涂氏变换之后并不全盘否认洛伦兹变换，即洛伦兹变换仍然具有一定的适用性。换言之，洛伦兹变换的适用范围有限。

洛伦兹变换导出（实验证实其近似成立）的多普勒频移（Doppler Shift）公式为

（1）

将n =1/T代入（1）式，并在等号两边除以无量纲常数K（对于铯原子钟用来定义秒的辐射，K=9192631770），得

（2）

（2）式中的KT和KT 分别为S系和S 系的钟所批示的时间中的1秒。以KT为单位所记录的时间为t，以KT 为单位所记录的时间为t 。对于任意两个事件之间的时间间隔，有下面的关系：

（3）

（3）式代入（2）式可得

（4）

S 系中的观察者用静止在S 系中的钟测量，在∆t 的时间间隔之内，光信号走过和距离为c(∆t)。同一距离必定等于，这个距离在X 轴上投影为c(∆t)cosa，即 ∆x= c(∆t)cosa (5)

（5）或中的 a 与（1）式中的 a 一样是波矢与 X 轴之间的夹角。选择x、t 同时为零的初始条件，（5）式的积分为 x= ct cosa （6）

（6）式代入（4）式，可得

。 （7）

（7）式就是洛伦兹变换之时间变换方程。当不等于零时，在（7）式中，若t 为S 系的固有时，t 就不是固有时（因为t包含辐向多普勒频移效应，不能被标准钟指示），此时t是形式时间。空间对形式时间的导数不可能是真实的速度。由洛伦兹变换得到的光速不变就不大可能是光速真的不变。可见，光速不变并没有坚实的逻辑基矗由于光速与通常的速度相比是非常大的，因此在一级近似的条件下，较低的体系速度与光速的合成速度仍然约等于光速c。考虑到光速不变没有坚实的逻辑基础，迈克尔逊-莫雷（Michelson-Morley）实验是在地球系中做的，光源、分光镜和接受器都在同一个系统之中，根据惯性系等价（或地表的较强引力场对光子有近100%的牵引效应）可以得到没有干涉条纹的结论。所以，迈克尔逊-莫雷实验不能强硬地证明光速不变。同时考虑到上述几种因素（特别是较低的体系速度与光速的合成速度仍然约等于光速的因素），我们只能选择“光速近似不变”作为前提条件之一。光光速不变对于相对论实现自圆其说虽有很大的蒙蔽作用，但是，它没有成立的哲学基储逻辑基础和实验基础（在哲学上没有不变的事物；在逻辑上洛伦兹变换之速度变换不可能是真实的；水流牵引光子的速度合成实验结果和迈克尔逊-莫雷实验结果都不能强硬地证明光速不变，倒是更有可能证明光速近似不变）。将c = ln 代入（1）式，并考虑到光速近似不变（即c = ln ≈ ln），可得

， （8）

现行国际单位制是根据波长定义米的，特定的波长 l 与米尺的长度成正比。设x和x分别是S系中的米尺和S 系中的米尺测量同一个距离所得到的读数，则有 的关系。将此关系代入（8）式，可得

。 （9）

将（6）式代入（9）式，可得

。 （10）

对于波矢平行于X 轴的情况，cos²a=1，（9）式变得与洛伦兹变换之x 坐标的变换式相同。不难看出，若用c = ln = ln 服务如其替换c = ln ≈ ln 可以消除（8）、（9）、（10）三式中的约等于号。利用光速严格不变比利用光速近似不变似乎要好。这是因为（1）式出自由光速度不变导出的洛伦变换，（1）式的变形必然亲近和支持光速不变。将（1）式换为原始的多普勒频移公式，此现象就不复存在。例如，将c = ln 代入并考虑到光速近似不变（即c = ln ≈ ln），可得。再考虑到，有。分式的υ/c之一级近似，因承认c = c−υ（即承认c = ln = ln + υ）。所以，同时使用c = ln ≈ ln 和近似，反而可使还原为非近似式，。x′/c为以光速行走x′ 的距离所花的时间t′。所以，我们有。

从上面的推导过程可以看出，在体系的运动速度相对于光速很小（光速近似不变）的条件下，洛伦兹变换对于描述电磁现象是近似适用的（在电磁学领域，将t和n 看着是可以任意互换的）。既然辐向多普勒频移反映在洛伦兹变换之中的项是项，项就不是同时“具有相对性”的逻辑根源。既然光速不变是指体系速度不高时体系速度与光速的合成速度仍然约等于光速，而洛伦兹变换是以这种“光速近似不变”为基础的，那么，当体系速度比较高时，洛伦兹变换就不适用了。最初洛伦兹变换也是用来描述电磁现象的，后来才被爱因斯坦将其适用范围扩大到电动力学领域和运动学领域，并认为它是普适的。洛伦兹变换之时间变换是固有时与形式时间的关系而不是固有时之间的变换。洛伦兹变换之空间变换是不同系统中的尺量得的相同量杆的长度值的换算关系。没有被致密物质占据的空间不会因运动而收缩（或膨胀）。

既然与包含辐向多普勒频移效应的频率对应的时间不能被标准钟指示，那么，位移对这种时间的导数就不是可测量的真实的速度（即不是经验世界中的速度）。可见，洛伦兹变换反映的光速不变是包含非真实速度在内的形式光速不变，速度合成是形式速度合成。光速最多只能是近似不变（光速加上一个很低的体系速度约等于光速）。“同时”的相对性同样因变换中有一个时间不是固有时而变得不可信。根据光速不变导出的坐标变换不是洛伦兹变换而是涂氏变换^[2]的事实也能说明这些结论。

综上所述，洛伦兹变换的适用条件为：

a 不同惯性系之间完全等价：或

b 各个惯性系对各自系统中的一切事物都有100%的牵引作用；或体系的运动都能给予一切粒子（包括中微子和电磁波）一个惯性初速。这是惯性系等价所要求的。如果所有系统都做不到这一点，惯性系就不等价。

c 光速近似不变（对光子有非零牵引作用的体系的较低速度与光速的合成速度约等于光速）

d

e

下一节的理想实验能强化这些结论。

6 狭义相对论的核心矛盾

《相对绝对论》一文及本文论证的钟慢效应和尺缩效应之间的矛盾、对于惯性系而言洛伦兹变换不是普适的，都揭示了狭义相对论的内在矛盾。孪生子佯谬本来可以证明狭义相对论是矛盾的，但人们又利用广义相对论而避免了相互观察的结果都有效。只有无法利用广义相对论解释的时间疑难才能无可辩驳地证明狭义相对论体系存在严重困难。既然相对论的些推论是滥用洛伦兹变换的结果，那么，相对论存在时间疑难和空间疑难就是必然的。就是说，下面的思想实验结果与上一节中的逻辑分析结论相互呼应、相互印证。

设有甲、乙两个惯性系，在乙系中的一前一后的A、B 两点上（B 点在前，A 点在后）分别固定一只钟表盘透明的钟，并校准它们。乙系中那两只钟的上方安装有闪光灯。甲系中迎着乙系的一方固定着感光底片，A、B两点与感光底片的垂直距离相同。当乙系中的人同时开启盏闪光灯时，甲系中的感光底片就记录下了那两只钟的钟表盘的影子的像。在乙系中观察，由于那两只钟是同步的，照相也是同时的，感光也必然是同时的，所得到的照片中那两只钟的时间指针必然是平行的。如果“同时”是相对的，那么，在甲系中观察，由于照相不是同时的，因此，那张相片中那两只钟的指针不是平行的。可是，相片只有一张，两根指针不可能既平行又不平行。可见，“同时”的相对性不可能与经验世界相符。这一结论与上节中对洛伦兹变换的意义的分析结果一致。这个理想实验中没有任何加速运动，不能被弄成“只有单向观察才有效”，因此，它说明的问题是无可辩驳的。

设上例中乙系相对于甲系的运动速度为0.866c，乙系中的A、B 两点之间的距离为10米且有一根不透明的刚杆连着，而甲系中沿乙系内的钟的运动方向刻画了数轴。当那次闪光事件发生时，乙系中的观察者发现A 点的影子落在数轴的原点上而B 点的影子落在数轴上标有“20米”字样的地方（相对论认为：甲系运动乙系静止，因此甲系中的数轴收缩，且当体系速度υ = 0.866c时，收缩系数）。可是，若惯性系等价，则甲系中的观察者认为：甲系静止而乙系运动，甲系中的观察者观察到刚杆收缩，只能认为B 点的影像落在数轴上标有“5米”字样的地方（假定A 点的影像仍在数轴的原点上）。换一种表述：若不同惯性系之间等价，相对性原理成立，尺缩效应与经验世界对应，则乙系中的观察者认为那根刚杆的影像能盖住甲系中的数轴上20米的长度；而甲系中的观察者却必须认为那根刚杆的影像只能盖住甲系中的数轴上5米的长度。只有一次闪光，刚杆只有一个影像，这个影子不可能“既能盖住20米的距离又能盖住5米的距离”。这表明若惯性系等价，尺缩效应不可能是真实的。这一结论也与上节中对洛伦兹变换的本质和适用范围的讨论结果是一致的。本自然段揭示的是相对论的空间疑难。如果说空间不因运动而收缩，空间就不是相对的（空间本身没有因运动而变只是标准米尺的长度变了，因而量得的长度值发生了变化），空间与时间有关的相对论认可的结论就是不可信的。

一些最基本的概念，在我看来存在逻辑矛盾，因而不被我接受和利用。接受了这些最基本的概念的人说我没有弄懂这些基本概念。如果要我对一些严重的矛盾视而不见地接受那些漏洞百出的概念，我宁愿不接受这些概念。即使旧的理论体系完全自洽，不使用旧的理论中的基本概念和方法也不是一种过错。因为一个旧的理论体系总是有限的，它不一定能限制一个新的自洽的理论体系的产生。

参考文献

[1] 涂润生. 相对绝对论[J]. 宁夏工学院学报, 1996，8(2): 103～110.

[2] 涂润生. 地道的相对绝对论[J]. 宁夏工学院学报, 1997, 9(3): 113～120。

The Absolute Rest System, Space, Time and Time Knotty

Tu Runsheng

(Agency of Products Quality Inspection of Huangshi City, Huangshi 435000, Hubet Province, China, → 2run3@sina.com )_

Abstract

Absolute rest system, time and space have been defined. The nature of form time has expounded. The physical sense of Lorentz transformations has been discussed. The time knotty and the space knotty in special relativity that is nothing to do with general relativity have been brought to light. The factor in Lorentz transformations that the ‘simultaneity has relativity’ can be obtained by it is a reflex of the will of the Doppler shift in the spoke direction but isn’t the logical source. The relation between space and time was powerfully met by a challenge from its. Light velocity invariance is that the compositional velocity between a lower system velocity and light velocity is about equal to light velocity, namely, light velocity approximate invariance.

Keywords: Absolute rest system; Time; Space; Not-being; Lorentz transformations.

→ * 原载《宁夏工学院学报》1997年第1期。原名《绝对静止系、形式时间及时间疑难》。作者在2006年发现谁也没有拖动的东西的运动路径是绝对静止的，并找到了与之对应的事物：很小的光源发出的电磁波的运动路径，这些路径的集合是绝对静止的体系。场强几乎为零的广袤宇宙中与恒星发出的光无关的微波背景辐射的整体是绝对静止的。场强为零的空间中的粉碎电磁波的聚合体也是绝对静止的。洛伦兹变换的适用范围、光速近似不变通方法等内容是修订时增加的。

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