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第一届全国爱因斯坦相对论学术会议论文集论文《相对论再思考》21—44页 中国——北京2002年

相对论新时空观

在现代物理学中的作用和地位

杨 金 城

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。

爱因斯坦相对论，分狭义相对论和广义相对论两个部分。狭义相对论研究相对做匀速运动的惯性系统内，物质运动变化的规律；广义相对论研究引力场中物质运动变化的规律。相对论和量子论，是20世纪科学天空两颗耀眼的明星。相对论和量子论，推动了现代物理学的飞速发展。爱因斯坦不愧为20世纪伟大的科学家。

科学和科学家的产生，都与时代特点相关。20世纪初期产生的相对论，是变革性的理论，但也存在一定的缺陷。相对论新论，正是为了补充和发展相对论而产生的新理论。

相对论新论是以相对性原理为基础，光作为信息传递的使者建产起来的理论。相对论新论在相对运动的物理模型中，用数学物理方法推导出时空变换公式。相对论新论时空变换公式的显著特点是，它不仅适合v<C,v=C,v>C的场合，还将纵向相对论，横向相对论，超光速运动相对论包含在其中，并充分揭示出了相对论时空具有的方向性特征。相对论新论，还能对狭义相对论不能解答的问题，作出明确的解答。相对论新论是有强大的生命力的。

由于超光速的发现和被确认，洛伦兹变换局限性的暴露，使国内外有的学者对相对论的存在产生了怀疑，提出了许多有益的见解，对相对论的发展起到了促进作用。百家争鸣，繁荣科学。物理工作者是讲求真务实的，宜三思而行，避免重犯20世纪初期的错误。

一、相对论的基本原理

什么是相对论？相对论就是研究相对运动系统内，物质运动变化规律的时空理论。

人们要从一个系统，去研究另一个运动着的系统内物质运动变化的规律，怎么研究法？只有用观测器去测量运动系统内，被研究的物体传来的光信息。尤其是研究宇宙中的天体变化，只有这样去作、去完成。人们不可能总要摸着石头过河，到天狼星上，到类星体上，到黑洞中去亲自看一看，才相信它们的存在。人们认识自身、认识宇宙，可以说才迈出了可喜的一步，今后要走的路还很长很长。21世纪，地球人更需要相对论，历史将会做客观事实的见证人。

1 空间和时间的相对性

时间和空间，从古到今都是哲学家认识事物、认识历史、认识宇宙的核心问题，也是争论的焦点。物质的存在，就意味着空间和时间的存在。空间表示物体运动变化的范围，时间表示物体运动变化的次序。物质、运动、空间、时间是紧密联系在一起的，物质、运动、时间、空间就构成了宇宙。

静止与运动的相对性，是我们必须首先要弄清楚的问题。生活在地球上的人们，白天看到太阳东升西落，夜晚看到斗转星移，感觉到似乎是地静天动。假若人们站到太阳系外的天体来看太阳系，并以天空中的恒星为背景，他们将看到地球在绕太阳公转的同时，还在不仃地自转，其余八大行星也在绕着太阳转，太阳还率领着九大行星向武仙座方向奔驰而去。在地面看上去静止的物体，对宇宙来讲也是运动着的。事实表明，静止的相对的，运动是绝对的。

在微观领域骨，物质的原子由质子、中子和电子组成，电子从来没有仃止过绕原子核运转。原子核中的质子和中子，也在不仃地振动着。事实表明，静止是相对的，运动是绝对的。

为了弄清楚时间和空间的相对性，爱因斯坦给时间和空间下了相对论的定义：

空间，就是我们用自已的“量杆”来量度的东西。时间，就是我们用自已的“钟表”来量度的东西。

相对论是研究相对运动着的物理系统内发生的事件，在测量这些系统内的物理量时，就有自测和他测之分。自测可以直接进行，他测就只有间接进行，靠光传递来的信息来完成。本系统自测的物理量，我们称它为本征值；相对运动着的系统内，由光信息传递来的物理量为他测量，我们称它为观测值。自测量和他测量，都具有真实意义。

作为时间相对性的例子，我们来看我国统一时间的方法。人们熟知的“刚才最后一响，是北京时间8：00正”，全国各地的人都将自已的钟表拨到8：00。我国有960多万平方公里的国土，天南地北距离北京远近千差万别，无线电波虽然以每秒30万公里的速度传播，但传递信息总需要时间，各地对表时，既使扣除了距离时差校正的钟表，各自钟表上的时间示数，也是相对的值。所谓的统一时间，也是在一定误差范围内的相对时间。这样的误差时间，对于人们的日常工作和生活来说影响不大。但是，对于微观世界来讲影响就大了，在这样的误差时间内，某一种粒子，可能早已衰变成别种粒子了。

多普勒效应，就空间相对性的一个例子。多普勒效应的本质是什么？多普勒效应的本质，就是相对论时空伸缩的具体体现。由于相对论效应导到时空伸缩，致使在空间传播的波，引起了波长的伸缩，这就是多普勒效应的本质。

在宇宙中，天体红移意味着空间膨胀，天体蓝移意味着空间收缩。时间和空间既具有独立的各向同性，又具有时空相结合的各向异性，这是相对论新论的显著特点之一。爱因斯坦相对论，没有揭示出时空方向的特征，致使双生子佯谬等许多问题得不到解决，也使狭义相对论在洛伦兹变换里，兜了近一个世纪的圈子而仃步不前。

2 相对性原理

什么是相对性原理？就是在相对做匀速直线运动的物理系统中，发生的同一事件的表述，具有相同形式的数学物理方程，就叫相对性原理。相对性原理，是自然界中物质运动变化的基本规律之一。

相对论新论，是以相对性原理为基础建立起来的理论。爱因斯坦的狭义相对论，是以相对性原理和光速不变原理为基础，利用待定系法推导出洛伦兹变换为核心的理论。它强烈地依赖于光速恒定，这正是当前一些人否定爱因斯坦相对论的出发点。相对论新论，光是信息传递的工具，光速既使可变，也动摇不了相对论新论的根基。很显然，新旧理论是有根本差别的。

这里，我们举出两个可操作实验，来说明相对性原理。

A．在匀速运动的火车厢内，某一时刻从车厢底点A，垂直向车厢顶射出一光信号，车厢内的观测者将观测到光从A到B，沿直线传播。地面上的观测者将观测到光从A到C，也是沿直线传播。如图1—1所示。

图1—1中，车厢内用τ计时，地面上用t计时，光从车厢底到车厢顶这个同一事件，车厢上观测到的结果是 h = Cτ；地面上的观测者观测到的结果是 L = Ct ，两者都是匀速运动方程，而且形式相同。

B。在匀速直线运动的火车厢内，某一时刻从车厢顶P点自由落下一小球，车厢内的观测者观测到小球从P到B；地面上的观测者观测到小球从P到C，两者都是直线运动，如图1—2所示。车厢上观测到的结果是：；地上观测到的结果是：，也是同一事件有两个结果，而且数学物理方程都具有相同的形式。

还可以举出很多类似的实验，其结果都能表达相对性原理，表明相对性原理是自然界的客观规律。我们要明确指出，宇宙中不存在什么惯性力，牛顿第一定律的实质——就是物体保持能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则的体现。相对性原理具有更深刻、更普遍的意义。

3 相对论新论的时空变换

什么是相对论的时空变换？相对论的时空变换，就是分别在相对运动着的系统中，测量同一事件的时间和空间之间的关系。这里，我们采用相对运动的物理参考系，利用相对性原理，来推导相对论新论的时空变换。

如图1—3所示，在τ=t=O时，两个参考系重合。在中τ计时，在Σ中用t计时。当相对于Σ以速度V向х方向运动的同时，从原点发出一光信号，光在两个系统中分别经过时间τ和t，到达同一点P点，如图1—4所示。

光从原点到达P点这个同一事件，有下列结果：----（a ）， ----（b）两式平方后相加得：

-----------（1—1）

公式（1—1）就是相对论新论的时空变换公式，它不仅具有相对论时空变换的普适性质，而且还具有鲜明的时空方向性特征。公式（1—1）还将纵向相对论，横向相对论，超光速运动相对论都包含在其中。并且在的情况下，公式都立，都有意义。讨论如下：

A．当α=O时， -------（1—2） B。当时，------（1—3）

C．当时，------（1—4） D．当时，-------（1—5）

公式（1—2）和（1—3），是纵向相对论的时空变换关系式；公式（1—4）和（1—5）是横向相对论的时空变换关系式。

4．光速C与光源状态无关的论证

相对论中传递信息的自然光，具有几何光学的性质，遵守费马原理，进行直线传播和独立传播。光速是物理学中的一个重要的参量，倍受世界各国的关注。测定光速，各国科学家都当成一件大事。根据[美]D。哈里德、R。瑞斯尼克著的《物理》第二卷第二册中，引录了从1675年法国天文学家罗麦到1956年瑞典的艾奇，经历281年各国测定光速的结果的公认值是

中国计量科学院的赵克功和倪育才，在《物理》杂志1979年4期上，以《光速测定现状》为题，报道了当今世界各国用激光技术测定光速值的结果是

这是大家公认的光速值，其值十分明显趋于一个常数——每秒30万公里。

关于光速C与光源无关的问题，张元仲在《狭义相对论实验基捶中，引录了1913年—1966年间，各国科学家用各种方法测定光速与光源运动状态的结果，都表明光速C与光源的运动状态无关。下面我们再从理论上给予证明。

根据光的直线传播特性，我们引入纵向相对论的速度变换关系：

式中是被研究物质在中的运动速度，v是光源所在系统的运动速度，此处，则

---------（1—6） ---------（1—7）

当光源所在的系统以超光速运动时，令v=nc，则

---------（1—8） ---------（1—9）

公式（1—6）—（1—9）表明，光速C与光源所在系统的运动状态无关。这样一来，光传递的信息就保持着事件本来的面目，真实可靠。

5． 同时性的相对性

相对论是研究相对运动系统内发生的事件，如果说发生的事件在两个以上，事件发生的先后次序是必须考虑的。

如图1—5所示，在匀速运动的火车厢内，D为中点，AD=BD，车厢上的观测器放在D点。当火车运动到AP=BP时，AB两点同时发生闪光，光以速度C向四面八方传播，地面上的观测器放在P点。由于光的传播速度与载体的运动状态无关，在P点的观测器将观测到A和B两点的光同时到达。则得：

事实表明，相对论的同时性，只具有相对的意义。

6．相对论中观察者的作用

相对论的结果是客观事实，观测者的作用只是忠实地将其结果记录下来。这所指的观测者包括人眼、照相机、摄像机、光接收器等等。现代的天体测量测到银河系中的大黑洞、中子星、类星体、超星星爆发，都是用相对论的方法测量到的结果，是真实可靠的。

由于相对论效应具有鲜明的方向性，处在不同的位置观测到不同的结果，就如多普勒效应一样，光源离观测者而去波要变长；光源向观测者而来波要变短，就是这个道理。由于相对论时空的方向性，相对论效应的强弱与时空的方向性密切相关，这是事实给予证明了的，这也是相对论新论与狭义相对论的重要区别。

7． 相对论数学表述的评价

任何物理规律，总要以定律或定理的形式表示出来。物理定律或定理，只有用数学形式表示出来，才有其定量研究和应用的价值。所以说，物理数学方程，是物理学的核心。

正确的物理定律或定理，不受所选用的数学表达方式的影响，其结果只是物理数学方程繁简而已。但是，我们选用数学方法的出发点是，必须使数学物理方程越简明越好。

相对论除常用的初等数学，高等数学外，还采用变分原理和张量数学。相对论的含义是很深刻的，要真正弄清楚时空变换的意义，不是一件容易的事。现在有一种说法，认为爱因斯坦相对论是一场数学游戏，度规张量表述的场方程没有物理意义。我们的看法不是这样，爱因斯坦用度规张量来表述场方程，可以将一条运动曲线，用度规法则将两个物理坐标联系起来，是爱因斯坦精明巧妙之举。

爱因斯坦相对论是存在一些缺陷，但并不等于相对论不存在。在相对论问题上，不能因噎废食，重犯20世纪初期的错误！

二 纵向相对论

纵向相对论，又称二维时空相对论。所谓二维时空，就是由一维空间和一维时间构成的物理系统，但时间没有几何化。纵向相对论，就研究在直线上做相对运动的系统内，物质运动变化的规律。

直线运动，是宇宙中最普遍、最简单、最基本的运动形式。在狭义相对论中，爱因斯坦误以为“洛伦兹变换具有不可争辩的物理意义”，而将纵向相对论和横向相对论混为一谈，就不可避免地忽视了时空方向性的重要作用，致使许多后来者在洛伦兹这换里兜了近一个世纪的圈子，阻碍了相对论的正常发展。

1 横向相对论的速度变换

什么是速度变换？速度变换，就在相对运动的系统之间，建立速度联系的关系。根据物理学原则，速度定义为位

移的变化率。即 。速度是向量，但在直线上运动分量和总量是一样的值，问题就高精过且过变得较为简单了。为了叙述方便，我们将（1—2）式导出的结果，用角标1表示；将（1—3）式导出的结果，用角标2表示。

从图1—4可知，当­­时，，引入微分关系两式相减得：

。---------（C） 又由（1—2）式得： ---------（d）

将（C）和（d）代入速度定义式得：

-----（2—1） -----（2—2）

（2—1）式和（2—2）式，就是纵向相对论的速度变换公式。（2—1）式用于的场合； （2—2）式用于

的场合，它们都充分反映了相对论时空的方向性特征。

当时，相对运动的系统仃上运动，（2—1）式和（2—2）式将变为同一结果，

即为本征值，与牛顿力学的结果一样，相对论与牛顿力学合二为一。

2 纵向相对论的加速度变换

在物理学中，加速度定义为速度的变化率。因此只需将（2—1）式和（2—2）式，对时间求一次导数就可以了。

----------（2—3）

----------（2—4）

当时， ，相对论的结果与牛顿力学的结果一致。

3 纵向相对论的质量变换

相对论的质量变换，就是建立相对运动系统之间质量的联系关系。质量是物理学的基本参量之一，也是动力学的基矗本文采用直线上的弹性碰撞，来推导质量变换关系。如图2—1所示，两个完全相同的弹性小球m₁和m_2，它们都处在匀速直

线运动的小车上，Σ^，的运动速度为v。小球的运动速度大小和方向如图2—1所示。

和在运动过程中发生弹性碰撞，在碰撞的瞬间，两个小球相对静止，此时两个小球相对于也静止片刻。在这种性况下，它们遵守动量守恒定律，即

---------（e）

将速度变换公式（2—1）式和（2—2）式代入（e）式，

当v=0时，；当时，则有 -----（2—5） -----（2—6）

纵向相对论的质量变化关系，与狭义相对论的质量变化关系不同，狭义相对论只有质量随速度增大而增大的结果；相对论新论，既有质量随速度增大而增大的性况，又有质量随速度增大而减小的结果。这也充分体现了相对论的物理量，与时空的方向性相关。

4 纵向相对论力的变换

在物理学中，力定义为动量的变化率。力和动量都是向量，但是，在二维时空中，总量与分量一致，问题就简单了。根据，分别将和代入定义式处理就行了。

------（2—7）

经过同样方法处理，可得 ----------（2—8）

若根据牛顿第二定律，则将（2—3）式乘（2—5）式，可以直接得到（2—7）式；若将（2—4）式乘（2—6）式，可以直接得到（2—8）式，狭义相对论就不能得到这样的结果，这就明显地暴露了狭义相对论的缺陷。

5 量杆的伸长和缩短

爱因斯坦的狭义相对论，因为没有揭开相对论时空变换的方向特征，所以，只有时间膨胀和长度收缩的结果。宇宙时空的变化，应当具有伸缩性才符合客观规律。相对论效应，能够使量杆长，也可以使量杆缩短，这正是相对论新论时空变化的突出特征。

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，就得知了量杆有长度。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。静止长度，我们叫它为本征长度。但是，要从一个系统，去测量另一个运动着的系统内量杆的长度，就只有依据量杆两个端点同时传到测距仪的光信号之间的距离。

（1） 量杆的伸长

狭义相对论，由于受洛伦兹变换的束缚，量杆只有缩短而无伸长，人们称之谓洛伦兹——裴兹杰惹缩短。就相对论而言，只有限缩短而无伸长，也是不合逻辑的。如图2—2所示，

（2） 量杆的缩短 设量杆为Σ^{`</sup>系统，Σ<sup>`}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0点运动而来，速度为v，放在0点的测量器测得，量杆两个端点同时传来的光信息的距离，就是ÁB了，量杆伸长了。

从图可见，由于B点距离0点比A点远，当B点的光信号向0点传输时，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。

---------（2—9）

在图2—2的条件下，改变量杆的运动方向，使量杆离任0点的测量器而远去，量杆将会缩短。

如图2—3所示，由于B点距离0点较A点远，当B点的光信号传输到与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。处在0点的测量器，测得量杆两个端点同时传到的，光信号之间的距离实为ÁB了，量杆缩短了。

----------（2—10）

当v=c时，从图2—2可知，B点的光信号与与量杆向着相同方向同步运动，B点永远达不到与A点距离0点等到远的位置，故量杆伸到无限的长；当V=C时，在图2—3中，B点传输到AB的中点时，A点也正好运动到AB的中点，0点测得量杆的长度为AB/2，量杆缩短一半，完全符合事实，两个公式给出的结果都是正确的。

6 纵向多普勒效应

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？此前没有人能正确地回答这个问题。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，反过来将多普勒效应作为基矗

自然界中，声和光传播的是振动。当光在时空中传播时，与观测器就产生了相对运动，从而引起时空的伸缩。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。

图2—4所示，光源放在系统中，接收器放在Σ中的P点，光源的本征波长为OP。光传播的是能量，当波完成一次全振动时，系统移动了距离VT，故波长被压缩了。设光在系统中的波长为，周期为，频率为；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：

----------（2—11）。当光源离开接收器而去时，则有 ----------（2—12）

相对论原理，从本质上解释了多普勒效应。相对论时空的方向性特征，揭示出了多普勒效应的实质。

7 运动粒子的寿命变化

μ介子从太空向地球飞来，属于直线运动情形，用纵向相对论来处理是正确的。

实验室中测得μ介子的平均寿命，若μ介子以光速c飞行，μ介子能飞行的距离为

也就是说，μ介子飞行了660m后，μ介子就衰变成了别的粒子了。由此看来，地面上不可能捕捉到太空飞来的μ介子。然而，地面上又能捕捉到μ介子，这是为什么？根据相对论衰变定律

， -----------（2—13）

N₀是τ=0时静止系统中的粒子数，N是任意时刻未衰变的粒子数。设μ介子处在Σ^`系统中，地面为Σ系统，μ介子从 太空向地面飞来，光信息也向地面传播，属α=Ο的情形，，粒子的存活时间变长了。令μ介子的飞行速度υ=Ο·99c，

则μ介子飞行的距离为：

（m）

由于相对论效应，μ介子的寿命增长，飞行的距离也大大的增加了。

8 双生子佯谬

双生子佯谬，说的是一对孪生兄弟，某年开始一个留在地球上，一个乘宇宙飞船去太空旅行。若干年后，旅行者回到地球时，两个人的年龄增长一样吗？ 双生子佯谬问题，在相对论学术界争论了几十年，有的人说旅行者变年轻了，有的人说旅行者变老了，有的人说两者年龄一样，但谁也没有拿出合理的数学方程来阐明道理。直到1966年，在地球上做了μ介子运动实验，得到的结果是运动的μ介子变“年轻”了，才算有了一个实验性的定论。

20世纪末期，在肯定与否定爱因斯坦相对论的争论中，双生子佯谬也是争论的主要问题之一。但μ介子寿命的增长又是铁一般的事实，这当作何解释呢？爱因斯坦没能处理好双生子佯谬问题，根本原因是：一是爱洛伦兹变换的束缚，二是没有发现和认识到相对论时空具有的方向性特征。解决了上述两个问题，双生子佯谬问题就迎刃而解了。

双生子佯谬，属纵向相对论问题，用纵向相对论的时空变换来处理，如图2—5所示

设留在地球上者用t计时，飞船上用τ计时。飞船起飞前两人校准原子钟同步，飞船往返都保持以速度v匀速飞行。在忽略飞船起飞和着陆的加速和减速过程的情形下，得：

---------（2—14）

（2—14）表明，只要飞船的速度，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。

9 运动电荷产生的电场

这里，我们研究沿直线运动的点电荷产生的电常将产生电场的电荷固定在Σ系统的原点Ο，检验电荷放在OX上，如图2—6所示：

上图情形可以用库仑定律 ----------（2—15）

在二维时空状态下，，将此关系式代入（2—15）得：

------（2—16）

根据电场强度的定义得： ----------（2—17）

（2—16）和（2—17）式，就是相对论的库仑定律和电场强度公式。