物理科学探疑-物理新战线-采用试验检验相对论时间膨胀效应的一个原理问题
采用试验检验相对论时间膨胀效应的一个原理问题
志勰
简介：本文提出了相对论不同参照系的数值单位变换关系。没有考虑不同参照系数值单位关系，而对运动参照系的时间进行验证，理论结果与实验结果吻合的实验，都是错误的。
一、引言
星际飞行的问题已经随着人类的科学发展在逐渐临近，那么高速飞行的一些问题则到了我们面前，这是我们必须面对的问题。这点不像一个世纪以前，我们距离高速飞行在科技的发展上来说还非常遥远。
现在核技术已经是人们所非常熟悉的了，核电、核动力已经得到了大量应用。但作为空间动力而言的核动力还未曾问世，随着对可控核聚变的清洁能源的深入探索，会积累大量的经验，空间核动力会逐渐提到日程上来。美国的“国家点火”装置、我国的“神光”计划，都在向这样的经验累积趋势靠拢。那么关于高速飞行的一系列的理论问题则变的重要了。
对于高速领域，上个世纪的相对论的诞生就专门针对这个问题。但对于高速飞行而言，相对论仅仅停留在理论阶段，至少到目前为止，人类还未曾进行过高速飞行，哪怕飞行速度接近光速的百分之一，就更不要说光速的十分之一，近光速飞行了。在高速飞行中，高速飞行物体和地球的联络无疑非常重要，而时间问题也必然是非常重要的问题了。
相对论认为，高速飞行的物体，其时间会存在膨胀效应。针对这个问题，在1971年Hafele和Keating完成了环球铯原子钟试验，得到在实验误差之内这些结果与方程的预言值相符。但是查看试验的过程，则发现一个问题，这个问题就是时钟读数比对的过程中所存在的问题。即：将环球飞行的铯原子钟的读数与地面静止的铯原子钟的读数直接相减，这导致该实验的操作过程不符合相对论原理。得到的结论——在实验误差之内这些结果与方程的预言值相符不成立。
下面我们来看这个理论问题。
二、相对论时间膨胀效应在不同参照系的关系
在静止参照系来观测一个运动物体，相对论通常采用两个参照系统来描述，一个参照系统是静止参照系，另一个参照系统是物体的速度本身特征的参照系统。这里我们仍然将这两个参照系统采用静止参照系O和运动参照系O'来描述，O和O'参照系的时间分别表示为t和t’。从静止参照系来看，其两个参照系之间的时间的关系是
，其中
为时间膨胀因子。从这个关系中我们可以得到，运动参照系中的时间等于静止参照系中时间的倍。当t'
取值为单位1的时候，那么则是两个参照系单位间的关系。
为了使理论问题简单化，我们忽略掉地球的引力所导致的广义相对论时间效应、忽略掉地球的旋转系统、忽略掉两个时钟处于距离地心不同半径旋转速度问题，我们仅采用简单的静止参照系和运动参照系，来代替地面的时钟和环球飞行的时钟。来探索简单的狭义相对论中时间问题。
首先假设静止参照系和运动参照系时钟是性能完全相同的走时准确的理想时钟，即遵守相对性原理。时钟A和时钟B分处于静止参照系和运动参照系。如图：
时钟B经过加速，而成为运动参照系钟表B。那么对AB不同参照系时钟计量数据的比较上则存在如下：
1、从实验上观测两个参照系中的时钟，从静止参照系来观测，如果两个参照系中的时钟读数相同，那么，两个时钟所计量的时间量必然不同。因为两个参照系的时间单位相差时间膨胀因子的倍数。
2、从实验上观测两个参照系中的时钟，从静止参照系来观测，两个参照系钟表所走的数量关系满足的关系。当静止参照系的时钟A走一个单位时间刻度时，那么运动参照系时钟B所走的时间刻度只有个单位时间刻度。
3、静止参照系和运动参照系所不同的地方在于观测所使用的单位不同。其相差倍的数值。只要我们对静止参照系观测到的数据进行倍的还原处理，即时间单位的转换，那么所得到的数据就是运动参照系中的观测数据。由于运动参照系的时间单位比静止参照系的时间单位膨胀了倍。将两边都除以，则得到运动参照系的观测结果
。即：从运动参照系观测，钟表B刻度t'走时1个单位刻度的时候,那么钟表A的走时刻度为1/。
我们可以把如上的过程称为参照系单位转换。
请注意，转换后，表达形式存在不同。
转换前： 从静止参照系观测
转换后：
从运动参照系观测
同时，经过转换后的单位也发生改变。
转换以前的数值的单位是静止参照系的时间单位。而转换以后的数字单位是运动参照系的时间单位。在单位上存在一个倍值，即在变换前，运动参照系钟表B的数值单位是静止参照系钟表A的数值单位的倍，变换后则相反。
静止参照系的观测数值不能和运动参照系的观测数值进行任何比较。两者的量是不同的。
参照系单位转换除了可以适用于时间之外，还可以适用于不同参照系之间的空间长度。只要满足两个参照系之间，单位存在倍的差异的物理量，都可以采用这个参照系单位转换过程转换为参照系自身的实际单位。
三、建立参照系单位转换的必要性
在现有的相对论体系中，关于不同参照系之间的变换都是采用相同的参照系数值单位。这导致所有的变换其单位都是相同的。当t'
取值为单位1的时候，那么则是两个参照系单位间的关系。可以确定静止参照系和运动参照系的数值单位是完全不同的。那么，采用这种相同参照系数值变换单位所计算的静止参照系和运动参照系两者的数值不能进行比较、运算。或者换句话说，从运动系观测和静止系观测运算的两种结果不能反映它们本参照系真实的观测关系。
如果我们在真正的高速飞船上，从静止参照系所计算的运动参照系的理论数值并不是运动参照系所测量到的真实的数值。必须对两种参照系的数值单位进行变换后才能在理论上得到运动参照系实际测量的数值大小。
我们所有的实际观测实验，在没有考虑两种参照系数值单位的这种差异性而得到的结果，都不能认为验证了相对论的正确性，或者理论和实验相符。没有考虑参照系这种数值单位差异性的实验，都需要重新根据这种不同参照系数值差异性重新验证相对论的理论结论。
四、对相对论时间效应的实验检验问题
对相对论时间膨胀效应进行直接检验的一个试验是原子钟的环球航行试验。1970年Hafele设计了这个实验，即一只钟在地表，另一只环地球航行，航行一周后，同地表的钟进行比对。
实际试验中，飞行原子钟的速度ν及高度h都随时间而变化，因此，当原子钟绕地球一周后回到地面与地面原子钟比较他们的读数时，两只原子钟的读数之差为
右边第一项是引力的贡献，它是正的，即地面上的原子钟比空中的原子钟走的慢；第二项和第三项是运动学校应，其中第三项的正负特性与飞行速度和方向有关，对于向东飞行原子钟，这一项是负的，向西飞行时这一项也是正的。
1971年，Hafele和Keating完成了这个实验。他们将四只铯原子钟放到飞机上，飞机在赤道平面附近高速度向东及向西绕地球航行一周后回到地面，然后将飞机上的四只铯原子钟与一直静止在地面上的铯原子钟的读数进行比较，发现向东飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数慢了59×10-9秒;而向西飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟的读数平均快了273×10-9秒。在实验误差之内这些结果与方程的预言值相符。结果如图：
如上详细的可参见《狭义相对论实验基础》张元仲著 科学出版社 1979年9月第一版
这个试验就没有将环球飞行的时钟和地面的时钟进行不同参照系中的数值单位变换，向东飞行的钟表和向西飞行的钟表读数没有经过变换成相同的参照系数值单位，直接和地面上的钟表相减。从而得到上表中的数值。同样在引力场不同高差的广义相对论效应上，时间同样也没有进行这种变换时间参照系单位。进行运算操作的数值单位是不同的。
文中提到在实验误差之内，这些结果与方程的预言值相符。我们知道，在方程右边的第一项是引力的贡献。方程右边的第二项和第三项就是运动学效应。由于没有处理不同参照系中的钟表所计量的时间单位，这导致数据的处理方法是错误的。
如果试验误差之内的这些结果与方程的预言值相符，由于这些错误的钟表读数处理方式，那么只能证明该实验的理论与实验数据不相符。
初稿 2011.2.15
第一次修改2011.2.19
第二次修改2011.11.26
最后修改2012.10.13
说明：本文并不表明相对论是否正确。仅仅依据相对论的相对性原理，提出时间膨胀效应在两个参照系中的数值单位关系。不能证明相对论正确与错误。仅能证明在已经做过的这类试验中，所采用的数值使用方法是错误的，理论预言值与实验结果在结论上存在错误。在本文内容完整的情况下可自由转载。
版权所有，保留一切权力，未经授权使用将追究法律责任 版权说明 © Copyright Authors
物理科学探疑