涂润生 （torunshine@163.com）　2008.07.05 20:16:59

2 选择Lorentz变换和Einstein相对论引起的其他不协调：其推论（即预言的运动学效应）的适用性不是对称的

下面通过几个理想实验说明这个问题。

2.1非常接近光速的体系与低速体系不可能等价

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合理的速度界限。

2.2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。

这个理想实验表明了尺缩效应和“相对性原理普适”二者之中至少有一个不真实。

2.3 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(或根据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。

这个理想实验表明：光速不变原理和相对性原理至少有一个不成立。

2.4放风筝式对钟方法（用放风筝的方式对钟）

在图3 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。

2.5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4 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。

Fig.5 Checking Clocks in Terms of Binary Spirals

该理想实验证明了“同时”的相对性能导致逻辑矛盾，与第三个理想实验一起表明了“同时的相对性”绝对不真实。同时的相对性不可能是绝对真实的（狭义相对论的推论与经验世界不符）。它也表明了物理学定律在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。更多的说明见《补充材料5》。

2.6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，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 5 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。

该理想实验表明，“相对性原理普适”的结论不成立。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。

2.7光速不变原理与Einstein相对性原理相矛盾

有K和K 两个惯性系，它们之间的相对速度为0.866c。在K系中利用氪-86的2p₁₀和5d₅能级之间跃迁所对应的辐射在真空中的1650763.73个波长的长度制造一把米尺L。设这把米尺类似于不变形的刚体。在K 系中以同样的方式制造一把米尺L 。将L 运送到K 系之中直接与L 比较，哪一把米尺更长？

根据Einstein相对性原理判断，由于各个不同惯性系是完全等价的，因此，那两把米尺应该是一样长，各个系统中的光速值也应该一样大。由于运动光源的发射频率降低是不争的事实，因此根据光速不变原理和c=λν及其协变性可知，在c不变的前提下，ν减小一倍，λ必然增大一倍。在K系中的观察者看来，K 系中的氪-86的2p₁₀和5d₅能级之间跃迁所对应的辐射在真空中的1650763.73个波长的长度应该为2米。在K系中的观察者看来，L 的长度应为L的长度的两倍。就是说，根据光速不变原理可以得到“运动系的标准米尺要长一些”的结论。它与运动的钟变慢对应，否则，就不能得到光速不变的结论。

根据惯性系等价（即Einstein相对性原理）得到的结论与根据光速不变得到的结论相互矛盾。这表明：光速不变原理与Einstein相对性原理相互矛盾，光速不变原理和Einstein相对性原理二者之中至少有一个不成立。

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^{[4, 5]}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”。

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）。更为严重的是能引起一个逻辑矛盾：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。

打破光速是极限速度的理想实验见3.2节。

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