物理科学探疑-物理新战线——相对论时空悖谬
相对论时空悖谬
志勰
简介：本文证明了相对论不同参照系物理量间的关系存在逻辑性定义错误，其来源于没有建立两个参照系物理量间的等量逻辑关系。导致相对论不同参照系间的物理量存在两种矛盾的等量关系。因此时间膨胀、长度收缩、质量增加相对论效应产生。只要对参照系间的物理量建立等量关系，则不存在这三种相对论效应。
一引言
在2000年7月，我曾提出相对论时间悖谬——思想实验。用讨论者Event Horizon先生的一句话就是“单位时间的变化抵消相对论的时间膨胀效应”，在讨论中时间单位的定义问题成为焦点。而后在2001年12月又在时间单位逻辑的基础上提出相对论时间悖谬，在表述上单位上的时间膨胀和时间总量没有区分开来。这里我们重提这个问题，从实证的角度上，并且精确化其中的概念来进一步讨论这个问题。
相对论效应不仅仅是在时间上，在沿运动方向的长度上，运动物体的质量上都存在效应，这些效应是相类似的。
从一个静止参照系度量本参照系静止的物体，这个不会有任何的争议。从一个静止参照系去度量运动的物体，则会存在争论。争论点在于牛顿力学认为，静止参照系中的物体，不论该物体相对于这个参照系什么速度状态的运动，这个物体的时间、长度、质量等基本物理量不会发生任何改变。而相对论则认为，这个物体相对于参照系不同的运动速度，该物体的时间、长度、质量等基本物理量则会发生改变。我们通常将这些物理量在不同参照系间变化称为相对论效应。即：时间膨胀、长度收缩、质量增加。由于运动参照系时间和长度都是静止参照系的
倍，而质量则相反，静止参照系反而是运动参照系的倍。表达形式存在区别。这里我们不讨论质增的问题了。但质增在不同参照系之间也是相类似的问题。
二、狭义相对论的相对性原理
理论上，相对论的时间是否发生膨胀，空间是否发生收缩，其最终都是通过参照系统的观测。只有将观测结果和我们所建立的度量标准相比较，才能确定是否在不同的参照系发生变化。而这个度量标准，就是物理量的单位。
在相对论中，有一个原理决定着相同参照系的度量单位是统一的。这个原理就是狭义相对论的相对性原理。这个原理认为，物理定律在不同参照系中其形式都是相同的。即：力学规律具有相同的表达形式。也可以理解成力学规律的不变性。这个原理决定了牛顿力学在惯性参照系的适用性，将牛顿力学适用于所有参照系的物理量单位限定到一个仅适用于相同的惯性参照系统中，对于一个参照系统中不同参照系间的观测，原有的参照系统的度量标准则不再适用。比如我们不能采用一个惯性参照系的时间、长度、质量标准所度量的量值直接应用于所观测到的另一个参照系（运动参照系）的计算。
依据这个原理，不同惯性参照系的一个相同的物理事件的运动变化过程，其因果规律完全相同。比如一个单位的质量在一个单位的时间里以确定的变速过程，通过一个单位的长度。该单位为它们本参照系的质量、时间、长度的标准单位。
但是，这个原理在相对论不同参照系之间的关系中则出现另一种情况，就是不同参照系物理量的单位的差异性。我们先来看这样的一个事件：
假设一飞船从静止参照系开始做初速为0的加速运动，直至光速。飞船中有计量长度的标尺和计量时间的钟表。标尺在这个运动过程中计量一个和标尺长度相同的物体，其标尺的长度方向平行于飞船的运动方向。根据相对性原理，标尺和物体的长度从飞船相对于静止参照系的速度为零，一直到光速，飞船内尺子所测量到的飞船内这个物体的长度没有任何差别，都是相同的数值。那么问题就产生了。
1、假设飞船有一个窗口，静止参照系可以通过这个窗口来观测这个物体的长度以及钟表时间。在静止参照系来看，飞船中的物体在飞船不同的速度状态下，其长度都是不同的。可以表示成L'=L，其中L'是运动参照系物体的长度，L是静止参照系该物体的长度。随着相对于静止参照系运动速度v的不同，静止参照系则会观测到一系列的物体长度。这形成在静止参照系观测，运动速度和长度的对应。但是从飞船内的这个尺子所测量到的和尺子静止的这个物体长度，却是固定的，并且其数值等于静止参照系中标尺对该物体所测量的长度。
同样的，静止参照系通过高速飞行飞船的这个窗口来观测钟表对物质运动变化的计时情况，比如一个原子的震动周期。静止参照系会观测到运动参照系的时间为t'=t，原子震动周期也会根据相应的时间膨胀结果作相应的改变。但是在飞船上观测到的结果，和静止参照系所观测到的静止的时钟计时和原子震动周期规律没有差别。
2、我们在飞行的飞船上使用这把尺子来计量物体的运动，一个单位质量的物体，以一个单位的速度运动一个单位的距离，需要一个单位的时间，这个规律同样成立。
3、静止参照系和运动参照系所采用的钟表对本参照系原子震动周期的测量，不会有任何的改变。同样的静止参照系和运动参照系尺子对本参照系物体长度的测量，也不会发生任何的改变。时间和长度相差倍的改变仅仅发生在不同的参照系之间的测量。
并且我们定义了L'=L，t'=t。
既然我们定义了时间和长度在两个惯性参照系相差倍。那么我们必须承认在观测参照系（静止参照系）和运动参照系之间，我们定义了时间和长度的单位相差倍。但是在本参照系所采用的度量工具来度量本参照系的物理量，度量工具的单位在都是相同的。这个特点与参照系统无关。并且在不同的参照系统都是通用的。即：静止参照系的时间单位1秒等于运动参照系时间单位的1秒。静止参照系的长度单位1米等于运动参照系长度单位的1米。这样问题就出现了。
既然我们定义了静止参照系所观测到的运动参照系存在L'=L，t'=t的关系。其实质在于定义了静止参照系和运动参照系物理量单位的倍的关系。而我们实际的度量系统所度量物理量单位的结果确是L'=L,t'=t。并且我们在数值结果的比较中也同样采用的L'=L,t'=t。即采用的物理量单位相同。
既然我们在观测参照系定义静止参照系和运动参照系之间的L'=L，t'=t。那么我们有什么理由针对静止参照系和运动参照系定义本身参照系物理量单位的关系，采用等量的L'=L,t'=t关系。
从逻辑上而言，我们没有任何理由建立这样的等量关系。从数学逻辑上，我们同样也找不出任何理由建立这样的等量关系。而从物理量的计量规律上，我们同样也不能找到建立这样等量关系的依据。只有在准物理科学的相对论中创造出这样的等量规律。这是逻辑性错误。
虽然相对论不同参照系间的单位定义的的逻辑是错误的，但是相对论已经涉及到非常多的领域，尤其是高能领域。并且有大量的应用，而且很多的学科理论离不开相对论。那么我们需要怎么处理呢？
三、不同参照系中物理量之间的关系
在静止参照系O系（时间t0、长度L0）和运动参照系O'系（时间t'、长度L'）分别存在如下的关系：
，
（1）
这是以静止参照系作为观测参照系得到的静止参照系和运动参照系之间物理量的关系。其中
为时间膨胀因子或者空间收缩因子。
由于 运动参照系和静止参照系，两者两差倍。只要我们在（1）式两边都除以，则可以得到运动参照系作为观测参照系的关系
， 
（2）
这是以运动参照系作为观测参照系得到的运动参照系和静止参照系之间的关系。方程两边都除以，虽然方程两边等量关系不变，但是数值的单位关系则发生改变。即：数值的单位关系。这点对纯数学式子并不重要，因为方程两边都是相等的，方程两边都除以相同的一个数，并不改变等量关系。可是在物理上则不同了，它意味着方程两边都缩小倍。它是一种数字单位变换关系。
在静止参照系，我们所观测的任何数据，都是采用观测参照系的物理量数值单位作为标准。不论是静止参照系还是运动参照系。
（1）（2）之间的变换关系仅仅是不同参照系之间的单位变换关系，它和洛仑兹变换性质是完全不同的。它所处理的是方程中不同参照系物理量单位之间的关系。
这样做的结果是将不同惯性参照系分别作为观测参照系来处理的物理量之间的单位。是符合相对性原理的，也符合物理逻辑、也符合数学逻辑。采用建立不同参照系之间物理量单位的关系来对相对论修补，是不是就可以避免相对论的矛盾了呢？
四、相对论时空悖谬
不论是从静止参照系作为观测参照系还是从运动参照系作为观测参照系，两个参照系中的长度和时间单位的数字相差倍。在静止参照系中观测运动参照系，运动参照系发生时间膨胀，长度收缩。同时在运动参照系观测，静止参照系发生时间膨胀，长度收缩。都源自于参照系计量的工具单位发生改变。如果我们将参照系的标尺间的关系还原，那么我们发现两个参照系所计量的时间没有发生任何改变。换句话说，相对论不存在时间膨胀和空间收缩。
这个结论就像2000年讨论这个问题Event Horizon对我提出的时间悖谬概括的“单位时间的变化抵消相对论的时间膨胀效应”。长度和质量同样也适合单位的变化抵消相对论效应的变化。
对于相对论的时空效应，我们可以用参照系单位的变化抵消掉相对论效应得到解释。即：在不同参照系建立物理量之间的关系。
这样做的结果是，相对论的时间、空间和质量等物理量在不同的惯性参照系，不会存在任何相对论效应，长度收缩、时间膨胀和质量增加都不在成立。不进行这样修补，则会存在相对论不同参照系之间的物理量单位的矛盾。
五、深层的问题
从静止参照系和运动参照系作为观测参照系所观测到的相对论效应，都依赖于观测参照系物理量的定量标准。计量物理量的工具所发生的单位的改变才是相对论效应的实质。
另一方面，参照系中的单位，不管任何物理量的单位，都是我们根据物理量之间的关系制定的。狭义相对论的相对性原理认为，不同参照系之间的物理量之间的关系不会发生任何改变。但是，采用物理量的单位发生了改变，来维持物理量之间的关系保持不变。这一点已经超出单位标准的含义。我们所采用的单位标准一般都是永恒的不变量。用这样的量去对比，去一份一份相加去度量被测量物体，才符合我们的称量系统规律，即：数字累积的规律。如果我们所采用的单位标准存在适用范围，那么以这样标准的单位去度量的规律同样也就具有这个适用范围了。
如果在度量过程中，我们度量的标准随着运动速度的不同在不停的发生改变，那么我们所称量到的量对于原有的标准量就失去了意义。标准量发生了改变，还怎么可以和以前的量对比相加减呢？这一点在相对论时间膨胀的验证过程中，所采用的铯原子钟环球航行试验的数据处理方法相同。数据的对比就是采用环球飞行的铯原子钟的读数直接减去地面上的铯原子钟的读数。这种方法是错误的。等于默认不同参照系物理量单位相等，即承认静止参照系和运动参照系存在时间膨胀因子倍物理量的差异，又承认两个参照系之间物理量没有任何差异。等于默认了这种矛盾。这一点应该将不同物理量标准变换成相同的物理量标准才能进行比较。
从相对论的角度上而言，铯原子钟在静止参照系和运动参照系所计量的物理规律没有任何不同，如果铯原子钟在运动参照系中计时变慢，如果我们将这种现象归因到相对论效应本身上，我们应该考虑时间单位的变换问题，从时间单位的差异性问题上去比较。将环球飞行的时钟所计量的时间进行观测参照时间单位还原，再和地面的钟表所记录的时间加减。而不是直接采用环球飞行的钟表所计量的时间和地面钟表所计量的时间直接加减。这样不符合相对论原理。
或者从影响铯原子钟变慢的物质间的作用上寻找其它的因素。地球引力、地球磁场、或者铯原子钟和运动速度所引起作用的差异性的关系等对铯原子钟的影响。
相对论认为，在静止参照系去观测运动参照系，运动参照系的量会发生改变，如长度和时间。具有长度收缩和时间膨胀效应。另一方面，从运动参照系观测静止参照系，静止参照系也同样是具有相同的效应，长度和时间也具有长度收缩和时间膨胀效应。那么到底哪个参照系发生了长度收缩和时间膨胀，两个参照系都认为对方发生了长度收缩和时间膨胀。这样的怪论现在已经不是怪论，而是科学。导致这种现状的原因就是在观测上运动的一方其度量标准发生改变。如果度量的标准发生了改变的物理现象成立，我们是采用当量的关系去处理，建立绝对的物理量当量关系，还是采用相对论这种等量的关系。前者是传统经典的思路，如牛顿力学。后者是相对论的思路。但不论那种思路，都是对物理量单位的处理方法。这点有赖于进行精确性的定义。至少现在的物理系统中还未曾定义。
在静止参照系和运动参照系之间建立倍的物理量单位关系，同时在两个参照系的度量单位上采用等量关系。这是物理量单位的逻辑性错误。两种等量关系必须选择一种，不存在两种都成立。这点同样也适用于相对论效应的质增效应。运动参照系物理量单位的变化抵消掉相对论效应，这是相对论在基础理论上根本性的矛盾，并且无法克服。
产生这种矛盾的根源就在于物理量单位关系的逻辑上未曾定义。就在于我们是继承性的发展物理学，要维持相对性原理成立，维持牛顿力学成立。
六、物理量单位所引起的问题
相对论在数学理论定义系统上采用观测中的静止参照系和运动参照系存在L'=L，t'=t，m'=m/来定义物理量的单位，同时在参照系的物理量的计量上采用L'=L，t'=t，m'=m来制造出相对轮效应。对于这样的物理系统，在实验上都声称验证了相对论效应的理论和实验的吻合，验证了相对论的正确性。这一切都来源于物理量定量标准在观测上和使用上采用不同的标准。
牛顿力学是物理量的标准是永恒的不变量，和参照系没有任何关系，一切都归因于物质运动变化的原理。相对论则采用相对定量标准，让物质运动变化中的物理量通过观测和使用的不同来适应物质的运动变化。如果我们确认相对论都经受住了检验，那么毫无疑问，牛顿力学就是错误的。如果我们确认牛顿力学正确，那相对论的这些验证试验所验证的必然是假象。
而所有的这一切都来自于观测参照系统和参照系计量系统，它们之间物理量单位标准的差异性。
在一百年前，光速极限的问题使牛顿力学岌岌可危。要么放弃牛顿力学建立局域的全新系统，要么找到一种新的力学系统来代替经验的牛顿力学系统，并且和光速极限兼容。相对论这种兼容性的物理理论就应运而生。这种纯数学定义的系统，在纯数学上没有问题。但是在物理定义上确存在矛盾，在定义观测物理量的模式下，静止参照系和运动参照系的物理量的单位存在不等量的关系。同时在使用比较物理量的模式下，静止参照系和运动参照系的物理量的单位存在等量的关系。
如果放弃这样一种模式，那么就又回到了一百年前，建立局域全新系统的思路上。
七、结论
相对论在静止参照系观测，定义了静止参照系和运动参照系之间的长度、时间和质量的物理量遵守L'=L，t'=t，m'=m/关系，等于定义了两个参照系之间物理量单位的关系遵守L'=L，t'=t，m'=m/关系。然而在不同参照系物理量的单位上却未曾进行任何定义，而直接在物理量的应用上采用L'=L，t'=t
m'=m。这导致相对论作为科学体系的逻辑性错误。相对论效应的根源都来自于此。
只要对两个参照系建立物理量单位的定义，则相对论长度收缩、时间膨胀、质量增加效应都不成立。
2012年10月18日
说明：本文原文为采用试验检验相对论时间膨胀效应的一个原理问题分拆过来的。观念最初也是起源于2011年年初对星际飞行面临的问题思索。现在相对论在物理学中的观念已经根深蒂固。我建议我国搞星际技术研究的学者对飞行中的问题处理站在实用的角度上，而不是和国际理念接轨。相对论本身存在不能克服的逻辑性困难。不要沿着相对论效应的思路去设计，那个是不存在的。
文中虽然提出了一种逻辑上修补的方法，但它不能解决根本的问题。我建议在实践的过程中，大胆去尝试，而不是抱守残缺。
志勰
2012年10月21
附录：
喜欢对观点产生过程追根溯源的朋友可参阅如下历史讨论：
相对论的时间悖缪——思想试验
2000.8.4
时间的测量
中相对论时间观念的悖缪的容易接受的说法 2000.8.9
引入单位时间去处理相对论的时间问题 —当量的关系2000.8.8
相对论的时间悖谬
2001.12.2
相对论时间悖谬的讨论
2001.12.4
采用试验检验相对论时间膨胀效应的一个原理问题
2012.10.13
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