相对论新论的基本原理<——纪念爱因斯坦相对论发表100周年

杨金城专栏 >> 相对论新论的基本原理<——纪念爱因斯坦相对论发表100周年

杨金城 （127389226@163.com）　2007.06

本文发表在《四川师范大学学报》（自然科学版）第28卷 157——161页 2005年7月

[摘要] 本文用客观事实来阐明相对论是客观存在的自然规律，爱因斯坦相对论虽然存在一些缺陷，但并不等于相对论不存在，相对论需要的是补充和发展，而不是否定，谁也否定不了，历史将会作出公正的回答。

关键词：相对论新论，时空变换，宇宙学原理，相对论产生和存在的条件，相对论是客观存在的自然规律

前言 1905年，爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》①，相对论从此宣告诞生！

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！

作者经过多年深入地研究，以相对性原理为基础，光作为信息传递的使者，建立起来的相对论新论，就起到了补充和发展爱因斯坦相对论的作用。相对论新论，能解答狭义相对论能解答的问题，还能解答狭义相对论不能解答的问题，这就证明了相对论新论的正确性。本文将着重介绍相对论新论的基本原理。

一相对性原理

什么是宇宙？物质、运动、空间、时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

宇宙万物都处在永恒地运动中，静止只具有相对性的意义。宇宙中的自然规律，都是建立在宇宙学原理基础之上的科学定律。宇宙万物生存和演化的自然规律，都是受宇宙学原理支配的结果。

相对性原理表明，在动态平衡的系统中，对于同一事件的描述，具有相同形式的数学物理方程，这就叫相对性原理。相对性原理，是宇宙中最基本的自然规律之一。牛顿物理学，热力学，统计物理学各式各样的定理和定律，都是宇宙学原理的体现。

下面通过几个具体实验，来阐明相对性原理的客观意义。

1 光信号的传递实验

地球是一个动态平衡系统，在地面上各种物理学定律都成立。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。车厢上用τ计时，地面上用t计时。车厢上将观测到光从A到达车厢顶B；地面将观测到光从A到达车厢顶C，如[图1一1]所示。它们的运动方程为：

车上观测的结果是：h = cτ 地上观测的结果是： l = ct

两者都具有相同形式的数学物理方程，这就是相对性原理的体现。

2 小球的自由落体实验

地面上，在匀速运动的火车厢内，某一时刻，从车厢顶点P自由落下一小球。车厢上用τ计时；地面上用t计时，车厢上与地面上，观测到的结果也具有相同形式的数学物理方程：

车上观测到的结果是：地面上观测到的结果是：

二相对论新论的时空变换 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。”这就是说，在相对运动的系统中，要有物质存在才是相对论，没有物质存在的空坐标系之间的时空关系，不是相对论。

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。” 时空变换，是相对论的核心。

本文以相对性原理为基础，光作为信息传递的使者建立起来的时空理论，来阐明的相对论新论的基本原理。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。

这里我们采用相对运动的物理参考系，来推导相对论新论的时空变换。

以上二图，在τ=t=O时，Σ^，和Σ都重合。P是光在Σ系统中经过时间t，在Σ^`系统中经过时间到达的同一点。光从原点出发，在相对运动的不同系统中，分别经过时间t和τ到达同一终点P，这是同一事件在相对运动系统中的不同结果。在[图2—1]所示的情形下有：

----（A） ----（B）

将A和B两式平方后相加得：-----（C），将（C）式移项整理得：

----（2—1）

在[图2—2]所示的情形下有：

---（c） ---（d）

将（c）和（d）两式平方后相加：，经整理得：

----（2—2）

（2—1）式和（2—2）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包含在其中。并充分显示出了相对论时空变换的方向特性。

三光速与光源状态无关的论证 ④

光速的测定，是世界各国都非常重视的一件大事。[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。光速为一恒定值，称光速不变原理并不过分。

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结果表明，光的传播速度的确与光源的状态无关。下面，我们再从理论上来证明光速与光源状态无关。

光在空气中沿直线传播，应当用纵向相对论来处理。根据纵向相对论的速度变换

当时有， --------（3—1）当 时有， --------（3—2）

此处的物质是光，将分别代入（3—1）式和（3—2）式，得到下列结果：

---------（3—3） ----------（3—4）

将和超光速，代入（3—1）和（3—2）得： -------（3—5）

结果表明，系统在超光速状态下，传递信息的光的速度，与光源的运动状态也无关 ⑤，这就保证了光传递的信息具有事件本来的面目，真实可靠。

四相对论的质能关系 ⑥

利用两个小球在直线上的弹性碰撞，可以得到纵向相对论的质量变换公式，再将质量乘以C²得纵向相对论能量公式： 当α=O时得 -----（4—1）

当α=π时得 -----（4—2）

利用在平面上两个小球的弹性碰撞，可以得到横向相对论质量变换公式，再将质量乘以C²得横向相对论能量公式：当--------（4—3）

当--------（4—4）

相对论新论，揭示出了相对论时空变换的方向性，相对论的能量有减也有增，这才符合宇宙学原理的客观规律。

五相对论时空的方向特性

狭义相对论受洛仑兹变换的束缚，爱因斯坦人为地规定光子的静质量为零，物体的运动速度以光速为极限，这就阻碍了相对论的发展。爱因斯坦若是前进一步，发现了相对论时空的方向特性，狭义相对论就更加完美了。

下面，我们用实例来说明相对论时空方向的特性。

（1）纵向相对论时空变换的方向特性 ⑦

[图5—1]所示，将 v = c 代入，得τ=O ，t=X/V 。这是符合事实的，此时0^`与光同步运动，光（物质）在Σ^`系统中的运动路程为0，所以时间也必然为0。

[图5—2]所示，光（物质）改变了传播方向，将v = c代入，得τ=2t，t=τ∕2，也符合实际情况。

以上结果充分说明，在相对运动系统中，系统的运动方向或者物体运动的方向不同，时空变换就不同，充分显示出了相对论时空具有的方向特征。

（2）横向相对论时空变换的方向特性 ⑧

爱因斯坦的狭义相对论，实质上只是横向相对论的一种特殊情况，不是普适相对论。本文给出的相对论新论，才具有相对论的普适性质。相对论时空的方向特性揭示出了，匀速运动相对论的各种问题就迎刃而解了。

[图5—3]所示，火车在平直的轨道上匀速行驶，某一时刻从车厢底点A，垂直向车厢顶射出一光信号。车上观察到光沿垂直方向从A到B；地面上观察到光从A到C。

车上用τ计时，地上用t计时。它们的运动方程是： h = cτ，L = c t利用勾股定理可得：

[图5—4]是在[图5—3]的条件下，改变光的射出方向，使其车上观察到光从A到B；地面上观察到光从A到C，得运动方程：，。

利用股定理得

上述讨论可知，无论是纵向相对论，或是横向相对论，相对运动系统中被研究物质的运动方向不同，相对论时空结果就不同。这就充分显示出了，相对论时空的方向特征。

六检验真假相对论的两把尺子

（1）正确对待相对论

相对论由于思维的抽象，数学表达的深难，人们难于理解它。20世纪末期，当洛伦兹变换被论证不是狭义相对论普适变换的情况下，有人提出否定相对论。1998年10月14日，科技日报上刊登顾钢编译的文章，《挑战经典理论——爱因斯坦相对论正确吗？》介绍了乔治——加莱斯基和彼得——马古德合著的一本书，这是一本否定相对论的代表性著作。1998年夏天，在俄罗斯举行的世纪论战学术会议上，肯定与否定相对论也是争论的焦点。相对论究竟存在还是不存在？一个严肃的学术问题，摆在理论物理工作者面前。

“冷眼向洋看世界，热风吹雨洒江天。”人们要静下心来，认真思考和研究一番相对论，不能盲目地跟着别人吆吼去否定相对论。学术界也必须正确对待学术争鸣，不能把持否定相对论观点的人视为狂人，认为是宣传伪科学。这样的观点或论调，都是错误而有害的，是违背百家争鸣方针的，应当休止。学术界提倡平等对话，还科学研究一个和谐的春天。

（2）当前否定相对论的主要观点

第一，用没有物质存在的两个空坐标之间的时空关系，当成相对论的时空变换去否定相对论。

伽时略变换，只是相对运动系统之间的时空关系，其表达式是：

伽时略变换，不是相对运动系统中物质运动变化的时空关系，伽利略变

换不是相对论的时空变换。当前不少否定相对论的人，就是利用伽利略变换的时空关系t = t^，，当成相对论的时空变换去否定相对论。

第二，用两个孤立事件之间的时空关系，当成相对论的时空变换去否相对论。

第三，在相对运动系统中，丢掉了同一事件这个时空变换的核心，用非相对论的时空关系，当作相对论的时

变换去否定相对论。

P 是光在两个相对运动系统中，分别经过t和t^，到达的同一点。

由左图可得：

有的人将相对运动系统中，同一事件在不同运动系统中得出的不同路程：

和和，在无相对论效应方向Y上的投影：

用同一个速度去除得，得出的τ=t去否定相对论，这是错误的。

正确的关系应当是：，τ＜t 。因为，相对论效应发生在相对运动的x方向上。如果改变物体的运动方向，则得：，。

（3）检验真假相对论的两把尺子

对于当前否定相对论的各种观点和论调，只要用“什么是相对论？”“什么是相对论的时空变换？”这两把尺子一量，对与错就十分清楚了。

根据相对论的定义，建立相对论必须具备三个基本要素：

第一，要有相对运动的系统存在；第二，

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，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。

宇宙中的天体，大都存在于在动态平衡系统中，相对论在这些天体中自然的存在和成立。所谓的惯性，是马赫误导的结果。马赫认为：“惯性力在本质上是一种引力”（世界科技英才录——科学思想卷上海科技教育出版社）。王永久认为：惯性力是一种虚构的力，“这种虚构的力的本质是什么呢？在经典力学和狭义相对论中这是不可理解的”（空间，时间和引力湖南教育出版社）。

狭义相对论虽然存在缺陷，但狭义相对论是客观存在的一种时空理论。相对论需要的是补充和发展，而不是否定，也否定不了！

“莫道昆明池水浅，观鱼胜过富春江。” 中国的科学技术工作者，要向袁隆平先生学习，象袁先生研究杂交水稻那样，走中国人自已的科学研究道路，不要怕别人嘲笑我们无知，古往今来“无知者”打败有知者的例子很多。古为今用，洋为中用，自力更生，奋发图强，是中国人建设祖国的成功经验，也是我们开拓创新的法宝。我们炎黄子孙，一定会在中华民族伟大复兴的大道上阔步前进，再创人类进步的辉煌业绩！

七结论

1 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新论，解决了相对论时空变换的方向性问题，使狭义相对论得到了补充和发展。事实证明，相对论是客观存在的科学理论，相对论是否定不了的！

2 物质、运动、时间、空间的总体集合就是宇宙中；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。在宇宙学原理基础之上建立起来的相对论新论，是正确的科学理论。

3 相对论新论具有普适特性，在V < C，V = C，V > C时都适用、都正确。相对论新论奠定了相对论存在的基础，维护了相对论在科学研究中的作用和地位。

4 光是相对论中信息传递的使者，光的传播速度恒定，而且不受光源状态的影响。这就保证了光在相对论中传递的信息真实和可靠，也表明相对论存在而且正确。

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 杨金城从宇宙学原理看宏观世界的动态平衡《科学中国人十年优秀论文选》2003年11月 507—508

③ 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

④ 杨金城相对论的基本原理《科学中国人十年优秀论文选》人民日报出版社 2003年11月 570—571

⑤ 杨金城二维时空相对论及其应用前景《贵州师范大学学报》（自然科学版） 1998年6月 33—36

⑥ 杨金城狭义相对论再探讨《第七届全国理论物理前沿基础研讨会论文集》 1993年