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[摘要] 本文介绍以相对性原理为基础，光作信息传递的使者，建立起来的相对论的基本原理及其应用。从这里可以清楚地看到，相对论是客观存在的自然规律，相对论需要是是补充和发展，而不是否定。 关键词：动态平衡原理，相对性原理，相对论效应，相对论时空变换，超光速运动相对论 前 言 1905年，爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》，相对论从此宣告诞生。[1] 相对论和量子论，被誉为20世纪两大基础科学理论。爱因斯坦相对论诞生100周年了 ，当人们回顾上个世纪科学技术发展的历史时，不能不谈到爱因斯坦相对论的功绩，无论你是相对论的支持者，或是相对论的否定者都应当承认，相对论的出现有力地推动了20世纪科学技术的发展。相对论在人类科学发展史上，必将写下光辉的一页。 任何科学理论的诞生，都离不开历史条件，相对论也是这样。由于历史条件的限制，爱因斯坦误以为一切物质的运动以光速为极限，洛仑兹变换具有不可争辩的宇宙意义，这就给狭义相对论带来了先天性的不足，也阻碍了相对论的发展。相对论有缺陷，但相对论是客观存在的科学理论。相对论需要的是补充和发展，而不是否定，谁也否定不了。 一 相对论的基本原理 什么是宇宙？“物质、运动、时间、空间的总体集合”就是宇宙。 什么是宇宙学原理？“能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则”就是宇宙学原理。[2] 在宇宙中，无论宏观世界，或是微观世界，宇宙万物生存和演化的自然规律，都是宇宙学原理的体现。物质是宇宙存在的基础，没有物质就没有宇宙。亳不例外，相对论也是宇宙学原理的体现。 1 伽里略的时空理论 伽里略的时空变换，是这样来认识两个相对运系统中，物质运动变化的时空关系的。在惯性系统中，有两个相对做匀速运动的物理系统Σ，和Σ。在t=t，=0时，两个系统重合。当Σ，相对Σ以速度V向X方向运动的同时，从原点射出一光信号，光在两个系统中经过时间t，和t到达同一点P。对于光从原点到P点这个同一事件，伽利略认为时间是相等的，空间是变化了的，空间的变化用速度迭加来处理。伽利略时空变换如下：
2 相对论的时空理论 [ 3 ] 什么是相对论？研究相对运动系统内，物质运动变化规律的时空理论，就是相对论。 第二，相对运动系统都要处于动态平衡状态（爱因斯坦所称的惯性状态）； 第三，系统中要有物质（事件）存在。 在此三要素的基础上建立起来的时空理论，才是真正的相对论。 相对性原理告诉我们，在相对做匀速直线运动的系统中，对于同一事件运动变化规律的描述，具有相同形式的数学物理方程。相对性原理，是自然界最基本的物理规律之一。相对性原理，也是宇宙学原理的体现。 什么是相对论的时空变换？在相对运动系统中，测量同一事件的时间和空间之间的关系，就是相对论的时空变换。同一事件是相对论时空变换的核心，时空变换是相对论的核心。下面，我们采用相对运动的物理参考系，来推导相对论时空变换的普适公式。 
[图2]所示，在地球上，有两个物理系统Σ和Σ，，设Σ系统为静止系统，系统中用t记时；Σ，系统为运动系统，系统中用
将上式移项整理得： 在[图2]条件相同的的情况下，改变光的传播方向，如[图3]所示，可得相对论时空变换的新公式：  ----（4）
（3）式和（4）式，都是相对论时空变换的一般表达式，它们都将纵向相对论，横向相对论，超光速运动相对论的时空变换都包含在其中，并揭示出了相对论时空的方向特性。 从（3）式看相对论时空变换的方向特征： （1） 当 （3） 当 3 更具普适性的相对论时空变换关系式 宇宙中的诸多天体，都处于动态平衡状态，在这些天体中，都能建立相对论。没有动态平衡，就没有和谐的宇宙。 宇宙飞船是一个动态平衡系统。设宇宙飞船为∑系统，在宇宙飞船中有一个以速度v匀速运动的∑，系统。在  -----（e）  ------（f）
将两式平方后相加：
 ----------（5）
 -------（6）
（5）式和（6）式，都是在动态平衡系统中，自然建立起来的相对论时空变换公式，它们也充分揭示出了相对论时空的方向特征。由此可见，宇宙中普遍存在着相对论。 二 超光速运动相对论 [4]  时公式都成立。这里，我们来阐明相对论在超光速运动状态下依然正确的道理。
时， 我们分别令：V=C，V=2C，来看纵向相对论的时空结果。
 时，系统Σ，和Σ重合。当Σ，相对于Σ开始运动的同时，从原点射出一光信号。由于Σ，的运动方向与光信号的传输方向相同，所以Σ，和光信号同步运动，0，和光信号同时到达P点。
 ----------（7）
 ---------（8）
 ------（9）
 ------（10）
 时， ，我们也分别令 和 来讨论。
时， ------（11）
时， ------（12）
 和 情形下的横向超光速相对论。
时，光沿y轴方向传播，应当选取Σ系统为静止参考系统，时空变换为 。
时，则有： ------（13）
 时，则得： --------（14）
 时，光沿着 轴传播，我们应当选取Σ，为静止参考系统，时空变换为 。
  ---------（14）
时，  ---------（15） 当时，  --------（16）
三 光速与光源状态无关的论证 [5] 光速测定世界各国都非常重视，[美]D。哈里德 R。瑞斯尼克著的《物理学》第二卷第二册中，引录了从1675年法国天文学家罗麦开始，到1956年瑞典的艾奇止，281年中光速测定的结果，其值为 C=2．99×108 m /s。中国计量科学院赵克功和倪育才，在《物理》1979年4期上，发表的《光速测定现状》更具有代表性。世界各国用先进激光测量仪，测得的光速值均在299792460 m s左右，光速确为一个恒定值。 关于光速与光源状态无关的论证，张元仲在《狭义相对论实验基础》中，引录了从1913年到1966年间，世界各国科学家实验的结果表明，光传播速度的确与光源的状态无关。这里，我们再从理论上来证明光速与光源状态无关。 光在同种媒质中沿直线传播，用纵向相对论处理是合适的。根据纵向相对论的速度变换，可以证明光的传播速度与光源的运动状态无关。  时有速度变换
； 当 时有速度变换
 分别代入上面两式得到下列结果：
 ------（17）  ------（18）
（17）和（18）表明，在超光速运动状态下，传递信息的光的速度与光源的运动状态无关 ，这就保证了光传递的信息具有事件本来的面目——真实可靠。 四 相对论同时性的相对性 [6] 相对论是研究相对运动系统内物质运动变化规律的时空理论。如果在一个系统内发生两个或两个以上的事件，则事件的先后次序是必须考虑的。由于系统是相对运动着的，从一个系统去观测另一系统中发生的事件，只有用光来传递信息。下面的实验将告诉我们，相对论里同时性只具有相对的意义。 
[图15] 所示，一列匀速运动的火车，车厢长A B， 中点为D，即AD=BD，火车的速度为V。某一时刻，火车运行到AP=BP的位置时，A B两点同时发生闪光，并向D和P发出光信号。放在地面上P点的检测仪，将检测到A、B两点的光同时到达P点，其结果是： 由于火车向右运动着，D点在向B方向移动，而光速是恒定的，所以D点的光检测仪将先接收到B点传来的光信号，后接收到A点传来的光信号。其结果是：
（19）式和（20）式表明，在相对运动着的系统中所发生的事件，在其中一个系统中是同时发生的事件，则在另一个系统中该事件的发生就不同时了，所以说相对论的同时性只具有相对的意义。 五 相对论中观测的作用和意义 [7] 相对论，是从一个系统去测量另一个运动着的系统中物体运动变化的规律，测量结果由光来传递信息。我们怎样看待测量结果呢？ 在地球上，人们直接看到太阳与月亮大小差不多，这是眼见的事实。但天体测量的结果表明，太阳比月亮大很多，你认为眼见为实，还是测量为实呢？ 地球到月球距离、地球到太阳距离、地球到宇宙中诸多天体的距离，哪个不是测量的结果呢？在微观世界中，各种物理量更是依赖测量得到的，原子分子的大小，原子分子的运动规律，原子分子的能量状态，都是测量的结果，离开测量寸步难行。热力学的各种定律，微观系统的统计分布规律，也是测量结果，你认为可不可靠呢？ 相对论是测量结果，相对论是认识宇宙中物质运动变化规律的科学理论。多普勒效应，天体的红移或兰移，哈勃公式，都是相对论时空变化的结果，都是测量的结果。有的人认为测量结果不可靠，以此来否定相对论，这种观点是错误的。你不相信测量结果，什么都要摸着石头过河，你能到太阳上，到天狼星上，到类星体上，到黑洞上去亲自看一看，摸一摸，才相信它们的存在吗？ 自然界的各种物理定理和定律，从建立到应用，几乎都具有测量性质的特点。不相信测量结果，就无法认识宇宙中物质运动变化的规律。相对论是测量结果，相对论是认识宇宙中物质运动变化规律的理论，人们应当接受相对论得出的结果这个事实。 六 相对论新公式的实际应用 1 量杆的伸长和缩短 [8] 爱因斯坦的狭义相对论，没有揭示出相对论时空变换的方向特征，在洛仑兹变换的约束下，只有时间膨胀和长度收缩的结果。根据相对论效应发生在相对运动的方向上的原理，量杆在相对运动系统中，随着运动方向的不同，相对论效应就绪不一样，量杆可以缩短，量杆也能够使量杆长，这才符合宇宙学原理。 A 量杆的伸长 量杆的长度是怎么样测定出来的呢？在静止系统内，直接用尺子测量量杆两个端点之间的距离，就得知了量杆的长度。若用激光测距仪测量量杆的长度，就看量杆两个端点同时传到测距仪的距离。 设量杆为Σ，系统，在Σ系统中的观测者，测得量杆的长度为AB，即本征长度。量杆向着放在Σ系统中0点的观测器运动而来，速度为v，如[图16]所示。 由于B点距离0点比A点远，当B点的光信号向0点传输，到达与A点距离0点等远的位置时，A点实际上已经运动到了Á点，量杆两端点同时传到0点的接收器的距离，实际上为ÁB了，量杆伸长了。  ---------（21）
B 量杆的缩短  ----------（22）
 
2 纵向多普勒效应 [9] 1842年，多普勒发现光源与接收器相对运动时，会影响谱线的位移，这就是人们常称的多普勒效应。为什么会有此现象产生呢？多普勒效应的本质是什么呢？相对论问世之后，人们从洛伦兹变换出发，去讨论横向多普勒效应，把天体红移的相对论效应，反过来用多普勒效应来解释。 自然界中，声和光传播的都是振动。当光在时空中传播时，若与观测器就产生了相对运动，就会引起时空的伸缩。时空的伸缩，就导致振动波的波长发生收缩，这就是多普勒效的本质。 图2—4给出了光波在媒质中相对运动，引起波长收缩的图示。 
 系统中，接收器放在Σ系统中的P点。光源的本征波长为OP，当波完成一次全振动时，Σ，移动了一段距离vT。令波在Σ，中波长为λ，，周期为 ，频率为 ；波在Σ系统中波长为λ，周期为T，频率ν，根据图2—4得：
 ，  ， 将 代入上式得：
 ----------（23）。
 ----------（24）
 ---------（25）
 ，总存在 的结果。也就是说，旅行者总比留在地球上的人变年轻了，而且，答案是唯一性的。
 后，质量变为 ，求粒子发射出来的光子的能量和粒子的反冲速度。动量守恒定律和能量守恒定律，在相对论中依然成立，据此有下列关系：
 ------（e），
 -------（f）
 将（f）式代入（e）得  ---（h）将纵向相对论的质量关系 代入（h）
 ----------（26）
 -----（27）
 ，就可以得到辐射光的波长和频率。
 ----------（28）
 为粒子的静能， 为动能。加速器中粒子的静能和动能是什么样的关系呢？用下面的关系式来说明。
 ---------（29）
 ，究竟能增加到多大？
 -------（30）
时，由（30）式得
 ------（31）
 为极限，这就为设计大功率加速器提供了依据。
七 结 论 参 考 文 献 1 爱因斯坦著 孟昭英译 论运动物体的电动力学 《相对论原理》 科学出版社 1980 年 2 杨金城 关于理论物理几个基本问题的探讨 《科学中国人》 2004年12期 36—38 3 杨金城 相对论新论的基本原理——纪念爱因斯坦相对论发表100周年 《四川师范大学学报》（自然科学版）第28卷增刊 2005年7月 157—— 160 9 杨金城 多普勒效应的宽带原理及其应用 《通信世界》 2001年16期 31 10 杨金城 相对论的是非评说 《发明与创新》增刊 2006年 6日 210—216 11 杨金城 相对论新时空观在现代物理中的作用和地位《相对论再思考》 地震出版社 2002年7 月 21— 45 作者 2007年5月12日于成都万科
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杨金城 （127389226@163.com） 上传2007.05
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