物理科学探疑-网友天空-相对论-相对论”之若干错误
相对论”之若干错误
刘振宇
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摘要：“相对论”产生至今一直存在争议。而由于“相对论”的理论产生是有实验依据的，所有的基本原理的提出都是依据实验事实而提出的，所以至今也未能有一个最终的定论。然而“相对论”错误的产生主要正是在实验中，在基础处，是定性的错误，所以在理论上定量的分析计算中是难以找到确切的有足够说服力的问题来。无论是“狭义相对论”还是“广义相对论”都是在建立的最基础处产生了问题和错误，而且是同样的问题和错误，都是由于忽略了光不符合速度合成定理，在分析实验时，人为地改变了实验中光的传播运行路径，而错误地分析实验，从而推导出错误的理论结果，产生定性的错误。本文是通过“相对论”的建立的基础错误和其推导出的结论来阐述“相对论”是错误的。
关键词：狭义相对论 广义相对论 迈克耳逊-莫雷实验 洛仑兹变换
相对运动 时空弯曲 尺短钟慢效应
“相对论”是爱因斯坦建立的，是关于时间、空间和物质运动关系的理论。它包括“狭义相对论”（建立于1905年）和“广义相对论”（建立于1915年）。其中“狭义相对论”的建立是依据如下两个基本原理：①在给定的实验室惯性系中进行任何实验，不能够区分该惯性系是处于静止状态，还是处于匀速直线运动状态。在一切惯性系中，物理过程以同样的方式进行，与参考系的选择无关，即对于惯性系之间的变换是不变的（也就是狭义相对性原理）。②和所有其它的速度不同（这些速度由一个坐标系到另一个坐标系过渡时要发生变化），真空中的光速C 既与光源的运动无关，也与观察者的运动无关，它在一切方向上和一切惯性参考系中相同，即是一个不变量（也就是光速不变原理）。
首先光具有光速不变特性和光速不符合速度合成定理，这是不可否认的客观事实。那么建立“狭义相对论”所依据的两个基本原理与此就是矛盾的，是不能成立的。在“光速不变原理”中这个光速不变是相对于何而言？根据爱因斯坦提出的“狭义相对性原理”，是无法确定绝对空间和绝对运动的，那么在光速不变原理中所说的光速绝不是相对于绝对空间而言的绝对速度，在光速不变原理中，爱因斯坦将光速理解和描述为：“真空中的光速C 既与光源的运动无关，也与观察者的运动无关，它在一切方向上和一切惯性参考系中相同，是一个不变量。”这种说法与光速不符合速度合成定理有矛盾。也就是说，既然光速不符合速度合成定理，那么光速绝对不可能像光速不变原理中所描述的那样，在一切方向上和一切惯性参考系中相同，是一个不变量。所以根据光速不变特性和光速不符合速度合成定理就可推断，建立“狭义相对论”所依据的两个基本原理是矛盾的，是不能同时成立的。
然而，“狭义相对性原理”和“光速不变原理”是有实验依据的，这两个基本原理是依据实验事实而提出的，其中最具说服力的、令人信服的就是著名的迈克尔逊-莫雷的实验。1881年迈克尔逊首次做“以太”漂移实验，他设计了高精度镜式干涉仪。它的装置示意示图如图1，由光源S发出的光经半透明片M部分反射到镜A，另一部分透射到镜B，这两束光分别被A、B反射回到半透明片M后分别透射和反射到底片P上成像，设两臂MA和MB分别长为
可以算得两束光从光源S到底片所经历的时间差，从而算得在底片上应出现的干涉条纹，令MA与地球运动的方向平行，MB与此方向垂直，按伽利略变换，光在M与A间往返运动的速度应分别c-v
和c+v 其中C 为相对于“以太”的光速，v
为地球相对于“以太”的运动速度，因此光在M与A间往返的时间应为
另一方面，当光从M运动到B时，M和B都与地球一起沿MA方向移动了一段距离b，在相对“以太”静止的坐标系看，光走的路径为一底为b高为
在此时间内地球沿MA方向移动距离
，由此可解得
最后算得光在M和B间往返时间
的式值,由此推导出在理论上的沿两条路径的光在光源和底片的时间差，该理论上的时间差在理论上是与地球相对“以太”的运动速度v
有关，从底片上实际产生的干涉条纹可确定实际的时间差Δt，从而可以推量出地球相对于“以太”运动的实际速度，为了抵消可能存在的系统误差可将装置转900后再测一遍；转后臂MB沿地球运动方向，MA垂直此方向，同理也可推导出此时两束光的理论时间差。由于实验关系到极为根本的问题，它被极为小心地，反复地做过许许多多遍，实验结果却出乎当时人们意料之外，实际观测结果表明，两路光在光源和底片的时间差与地球相对“以太”运动无关，也就是说实验结果表明，不存在地球相对于“以太”漂移运动的问题。这个实验结果遭到人们的怀疑，迈克尔逊自己也觉得不满意。六年后，即1887年迈克尔逊和莫雷合作，进一步改进了干涉仪实验，光路经过多次反射，光程延长至11米，然而，实验的结果依然如故。这与经典的牛顿绝对运动理论是矛盾的，从而动摇了牛顿绝对运动理论。爱因斯坦据此提出了新的原理，即“狭义相对性原理”和“光速不变原理”建立了“狭义相对论”。迈克尔逊-莫雷实验对于“以太”漂移问题的这个结果至今也使人们感到困惑，但人们都认为实验的可靠性又是无可挑剔的，为了协调解决问题和矛盾，人们相继提出了洛仑兹变换和尺短钟慢效应等理论，但所有的理论都是对问题的一种牵强性的修补，都不能从根本上解决问题和矛盾。事实上克尔逊-莫雷实验的结果是有误的，实验原理及仪器本身无可挑剔的，问题和错误的产生是由于人们在推算各路光的往返行程路径时，将通过半透明片到B方向的MB光的路径人为地改变增加了。因为光从M到B，再由B反射到半透明片的往返过程，在相对于“以太”静止的坐标系看，是仪器随地球相对于“以太”向A方向运动了，根据望远镜中的光行差实验，仪器的运动不影响光的运动路径，光还是垂直于MA方向往返，相对于仪器，光的路径不是随仪器向MA方向偏转，而是向MP方向略有偏转，其光路由光源经半透明片至镜子B反射回半透明片并不是回到原来的透射点，而是向MP方向偏移（如图1）。由此，光在MB间往返时间应为
将装置转90°后，光沿MB的往返时间为
所以，在这个实验过程是人们的理论推导过程有误，从而导致人们的观测结果与理论推导结果是不同的。由此，建立“狭义相对论”所依据的两个基本原理的提出所依据的实验就失去了可信的说服力，没有了依据。光速是不变的，但它并不是“光速不变原理”中所描述的那样，是物体间的极限速度，根据光速不变特性和光速不符合速度合成定理即可推导出，光速就是相对于绝对空间而言的绝对速度。
根据洛仑兹变换用数学方法似乎能解释光速不变原理，即假设坐标系x′、y′、z′、t′相对于坐标系x、y、z、t
运动，相对速度为v ，方向沿坐标系的共同轴ox
轴，由一个坐标系过渡到另一坐标系，借助于“洛仑兹变换”来实现：
我们假设光相对于坐标系x、y、z、t
运动，经过t时间，则变换到坐标系x′、y′、z′、t′中的速度为：
这似乎是成立的，然而在第三步，即
中即可看出问题，由一个坐标系过渡到另一个坐标系中的位移是
（是实际发生的位移），而时间是
（不是实际发生时间），根据“狭义相对论”所推导出的结论，运动中的物体会发生尺短钟慢效应，这似乎也能解释通。问题和矛盾就出现在这里，相对运动的物体会发生尺短钟慢效应，是客观存在的一种现象，但相对运动物体的相对性是彼此平权的。所以，根据“狭义相对论”所推导出的所谓尺短钟慢效应应该是运动物体与惯性参考系之间彼此共有的现象，这是由于运动而产生的一种观测误差，事实上发生尺短钟慢效应的时间不是事件发生的真正时间，用这个时间来求速度是错误的。所以，洛仑兹变换不能证明光速不变原理。它是专门为了把困难解释过去而人为地发明出来的。
下面我们再通过由“狭义相对论”所推导出的结论来分析“狭义相对论”。由“狭义相对论”推导出的结论之一是：运动的物体会发生尺短钟慢效应。也就是运动物体的长度会随其运动速度的大小发生改变，时间也会随运动速度发生变化。1895年，洛仑兹发表《运动物体中的电和光现象的理论研究》一文，精确地推算出长度收缩公式，然而人们至今也未能在实验中观测到这种收缩。这个长度收缩假说是由于人们一直未能发现迈克尔逊-莫雷实验中的问题，无法解释实验的零结果而提出的，而迈克尔逊-莫雷实验的零结果事实是错误推导的结果。所以这个长度收缩假说也就失去了意义。而对于时间会随运动速度发生变化，即：假定在以亚光速相对于观察者运动的参考系中测量一时间间隔为
时。在观察者静止于其中的实验室参考系内，对于此时间间隔，所指示的时间为
此二数值的关系如下：
也就是运动时间比静止时间进程慢。人们在实验中也观测到了这种现象。然而这并不能证明“狭义相对论”，事实上这是由于运动而产生的观测误差。因为爱因斯坦在“狭义相对论”中只承认“相对运动”而否认“绝对运动”，而在“相对运动”中的相对双方的相对性是彼此平权的，也就是说在“相对运动”中，我们无法判定哪一方是运动着的（指绝对运动）。只是其中一方相对于另一方运动。换句话说，在“相对运动”中，我们既可以说惯性参考系相对于观察者运动，也可以说观察者相对于惯性参考系运动。那么同样，在观察者静止于其中的惯性参考系中，相对于观察者运动的惯性参考系而言也会出现所谓的尺短钟慢效应。如果将此解释为相对于观察者运动的惯性参考系有引力场效应的话，那么应该说是在某一加速系中会出现所谓的尺短钟慢效应。再通过“广义相对性原理”和“广义等效性原理”，我们又可以推导出，引力场的作用下可以出现尺短钟慢效应。而事实又不是这样的，这是一个错误的结论。因为运动的参考系只有在加速过程中方有引力场效应，而在“相对运动”中所言的各惯性参考系都是惯性系，不是加速系，所以不可能存在引力场效应。据“狭义相对论”中的“狭义相对性原理”，在“相对运动”中我们是无法判定相对运动的哪一惯性参考系是运动的（指绝对运动），所以也判定不出哪一惯性参考系中存在引力场效应。由此尺短钟慢效应也就不可能与引力场有关，即使是运动的物体会发生尺短钟慢效应，但根据爱因斯坦的“狭义相对论”理论所推导出的理论结果和客观实际结果也是不同的。
再者，由于“相对运动”的相对双方的相对性是彼此平权的，也就是说，如果一惯性参考系以亚光速相对于观察者运动，那么，反过来我们亦可以说观察者是以亚光速相对于该惯性参考系运动。而由“狭义相对论”推导出的却是另一种结果。根据“狭义相对论”，如果一惯性参考系以亚光速相对于观察者运动，那么在该惯性参考系中将发生尺短钟慢效应，也就是观察者观测静止于其中的惯性参考系中的一定的时间间隔，与相对于观察者运动的惯性参考系中这段时间间隔是不同的。由此在同一时间内或同一距离内，在观察者静止于其中的惯性参考系中和相对于观察者运动的惯性参考系中所求证的速度是不同的。也就是说，由“狭义相对论”所推导的结果与客观实际结果是矛盾的。
事实上，在“在相对运动”中，发生尺短钟慢效应应该是“相对运动”中相对双方彼此所共有的现象。也就是说，如果我们以亚光速相对于观察者运动的惯性参考系作为观察者，观察原观察者静止于其中的惯性参考系，那么该惯性参考系同样亦会发生尺短钟慢效应。因为在“相对运动”中相对双方的相对性是彼此平权的，所以由“狭义相对论”所推导出的各种现象必定是相对双方的共性。但实际上以亚光速相对于观察者运动的惯性参考系和观察者静止于其中的惯性参考系的这些表面性质都未发生什么变化。这种现象的产生是由于运动而致使以亚光速相对于观察者运动的惯性参考系的这些表面性质传播到观察者静止于其中的惯性参考系，或观察者静止于其中的惯性参考系的这些表面性质传播到以亚光速相对于观察者运动的惯性参考系发生延迟而产生的观察误差。相似的问题还有“多普勒效应”：静止的观察者所接收到的发自运动光源的光频率γ与该光的固有频率γ0
的关系如下：①当光源的速度与观察方向之间的夹角为90度时（横向多普勒效应）：
“狭义相对论”理论认为此效应起因于运动光源的振动周期比静止光源增大。②当光源的速度与观察方向之间的夹角为0度（相互远离）或180度（相互接近）时：第一种情况（红移）：
第二种情况（紫移）：
在此首先有个问题：如果光自光源发出后，在同一媒质中传播的过程中，频率会发生变化吗？很显然，当然是不会的。那么在“多普勒效应”中，静止的观察者所接收到的发自运动光源的光频率发生了变化，假设有一随运动光源一同运动的另一观察者，他所接收到的光的频率是多少？根据多普勒效应公式：r
=r0，
也就是说频率没有变。那么为什么同一束光在同一媒质中传播过程中，频率本不发生变化，而静止的观察者和随光源一同运动的观察者却分别会接收到不同的结果呢？这就是由于运动而产生的观察误差。所谓的尺短钟慢效应也就是这样，由于物质的运动而产生的观察误差。
尺短钟慢效应问题事实也就是牛顿和爱因斯坦的观点主要分歧--同时性问题。因为尺短钟慢效应问题实质上是可由同时性问题来拓导出这种结果。在同时性问题上，牛顿的观点是，时间是绝对的，同时性也是绝对的，而爱因斯坦则认为时间和同时性都是相对的。其实牛顿和爱因斯坦的观点并没有矛盾，都是对的，他们的观点分别是同一个问题的两个方面，是物质和意识问题，牛顿主张的时间是绝对的，同时性也是绝对的是客观事实；而爱因斯坦认为时间是相对的，同时性也是相对的是主观意识问题，这个问题的正确说法应该是：“时间是绝对的，同时性也是绝对的，而我们的观察结果是相对的。”任何事物我们对其观察的结果，由于种种内在或外在因素的影响，使得我们的观察结果与实际都存在一定的误差，我们不可能观测到其绝对的结果，由此而使得我们的观察结果都是相对的。
爱因斯坦是以同时性问题来阐述时间的相对性，所谓的“同时性问题”是这样的：“设事件A和B在K系中发生在同一点xa=xb 此外，还假设此二事件是同时发生的，即ta=tb ，当变换到另一参考系K′中时，此二事件仍然是同时的，但是，如果事件A和B不是发生在K系中的同一点，而是二不同点，xa和xb ，则在另一参考系K′中，此二事件是不同时的。”引起同时性问题的原因是：事件A和B不是发生在K系中同一点，而是二不同点，当变换到另一参考系K′中时，使得K′与事件A和事件B间的距离产生一定的差异，由于物体间的距离不同，而光的传播速度是恒定的，从而使得在K′系中观察在K系中同时发生的，在二不同点的二事件是不同时的，这时观察相同的两束光其“多普勒效应”的光谱也是不同的，物体间的距离差一定，所产生的时间差是一定的，“多普勒效应”中光谱的移动变化也是一定的，而相对运动的物体间的距离差是一个变量，由此而产生的时间差也是变化的，“多普勒效应”中光谱也随运动发生连续变化，相对运动的速度越大，所产生的时间差变化也越大，“多普勒效应”中光谱的移动变化也越快，由此而产生所谓的尺短钟慢效应和“多普勒效应”。
通过以上对“狭义相对论”的建立所依据的两个基本原理及由“狭义相对论”所推导出的各种现象和问题分析论证，足矣证明“狭义相对论”是错误的。
爱因斯坦建立的“狭义相对论”只适用于一类特别的参考系，即惯性系，所以被称为“狭义相对论”。而惯性系只是实际参考系的一种极限或是一种抽象的理想状态。严格地说，在实际中惯性系并不存在。比如说在太阳系中卫星绕行星运动，行星绕恒星运动而组成太阳系。无数太阳系般的星系组成星云或星系团形成银河系般的星系，无数银河系般的星系又各自绕一个中心转，遥远的星系之间引力相互作用彼此作非等速直线运动，等等。茫茫宇宙间严格的惯性系何处可建？爱因斯坦作为一个彻底的“相对论”者，自然的选择便是取消惯性系的特殊地位，将物理规律表达成对所有坐标系相同的形式。“广义相对论”的思想由此而生。至此，爱因斯坦继“狭义相对论”之后，他一直在思考惯性力和引力问题，以解决惯性与重量之间的关系。他坚信自然界的和谐和统一。有一天，他脑海里突然闪现了一个念头，如果一个人正在自由下落，他决不会感到有重量。由此假想出一个实验：在一个密闭的箱中，一个人是无法知道其对箱底的压力是来源于自身的重力还是来源于箱向上加速时产生的惯性力。依据这个假想的实验，他提出了两个基本原理：①物理学定律在任何参考系都具有相同的数学形式。称为“广义相对性原理”。②在一个小体积范围内的万有引力和某一加速系的惯性力相互等效。称为“广义等效性原理”。建立了“广义相对论”。
“广义相对论”是关于万有引力的理论，是以均匀的加速参考系来代替均匀的引力场，其基本原理是正确的，但这只能是说，根据“广义相对论”用数学坐标变换的计算方法可以得到与引力等效的数学结果。这个区别也就是失重和失重现象，引力和引力现象的区别。我们知道，宇航员在太空飞行产生的离心力与地球引力相等，这时产生的是失重现象，而并非真正意义上的失重。同样，在加速系中产生的惯性力，这种力虽然与引力等效，但这也只是一种引力现象，在不考虑引力的物理过程即其本质的前提下，其数学结果是等效的，而并非真正物理意义的引力。
和“狭义相对论”的错误不同，建立“广义相对论”所依据的两个基本原理是正确的，但由此而推导出的结论，即所谓的时空弯曲是错误的结论。对于“广义相对论”及相关问题的推导，爱因斯坦是依据那个升降梯的假想实验结果，运用黎曼张量而推导出所谓的时空弯曲。而事实上这个假想的实验只能证明两个原理是正确的，由这个实验不能推导出所谓的时空弯曲，相反，恰恰可以作为否定“广义相对论”所推导出的所谓的时空弯曲的实验依据，因为爱因斯坦在假想的实验中疏漏了一个问题，使最终推导的理论结果与实验事实是相悖的，对于时空弯曲的推导，爱因斯坦在假想的实验中是这样认为的：在一个密闭的箱中，如果由右向左发射一束光，在箱是静止的情况下，这束光在箱中的运行轨迹相对于箱是一条平直线（如图2-1）；而在箱是向上作加速运动的情况下，这束光在箱中的运行轨迹相对于箱是一条曲线（如图2-2），即是一条抛物线。由此，依据“广义等效性原理”，在等效的引力的作用下，这束光的运行轨迹相对于箱也就是相同的曲线。从而推导出所谓的时空弯曲。而事实在箱是加速向上运动的情况下，这束光在箱中的运行轨迹相对于箱并不是一条抛物线。我们知道，在箱是静止的情况下，这束光在箱中的运行轨迹相对于箱是一条平直线，这是无疑的，那么在箱是以一定的速度向上作匀速直线运动的情况下，如果光如普通粒子一样符合速度合成定理，光在箱中相对于箱的运行轨迹还是一条平直线，而光虽然具有粒子性，但由于它有一个不符合速度合成定理的特性，所以，在箱是以一定的速度向上作匀速直线运动的情况下，光由光源发出后不可能随箱一同向上运动，这在望远镜中的光行差实验中已被证实，由此在这种情况下，光在箱中的运行轨迹相对于箱并不是一条平直线，而是一条斜线（如图2-3），其倾斜度随箱向上作匀速直线运动的速度大小决定，速度越大，其倾斜度越大。而在箱是向上加速运动的情况下，箱向上的运动速度会随时间的增加而变大，这样光在箱中相对于箱的运行轨迹也是不断变化的，这束光在箱中的运行轨迹相对于箱应该是如图2-4所示的曲线，并不是抛物线，也就是说，爱因斯坦假想的实验结果是错误的，在假想的实验中忽略了光不符合速度合成定理而导致在这个假想的实验中理论结果与实际应发生结果是相悖的。由此不可能推导出所谓的时空弯曲。所以说，建立“广义相对论”的基本原理是正确的，但由“广义相对论”所推导出的结论是错误的。
然而“广义相对论”所推导出的所谓的时空弯曲是有实际现象证明的，1911年爱因斯坦在《引力对光传播的影响》一文中论述了光线经过太阳附近时，由于太阳引力的作用会发生弯曲，并指出这一现象可以在日全食进行观测。1916年爱因斯坦根据完整的“广义相对论”对光线在太阳中的弯曲作了计算，他不仅考虑到太阳的引力作用，还考虑到太阳质量导致空间几何形变计算出光的偏角。1919年由爱丁顿等人率领的英国科学考察队远征到西非，在日全食期间观测到天空中太阳附近一颗恒星位置的微小移动。正如爱因斯坦所预言的那样：恒星所发出的光线经过太阳附近时，由于太阳引力作用而弯曲了。但这个现象不能证明时空弯曲，因为这个光线的弯曲并不是由于太阳引力作用所导致的结果。我们知道，在地球上观测星星时，由于地球大气的影响光线会发生折射，星星的实际位置与我们的观测位置是有差异的。同样，光线在经过太阳附近时，由于受太阳大气的影响，光线也会发生折射，因此使得太阳附近恒星的位置发生微小移动。所以，日全食观测光线的弯曲实际是由于光线经过太阳附近时被太阳大气折射所导致的结果。而并非是光线由于太阳的引力作用而弯曲了。
综上所述，我们可以定论：“相对论”是存在许多错误的。
The Error of Relativity
Liu Zhenyu
Abstract
It has been controversial since the creation of the theory of relativity, but all doubts on it were raised only with some contradictory phenomena or problems to explain one’s point of view. Because of the lack of causes leading to these problems, they are less persuasive. Since the creation of the theory of relativity was based on experiments, all basic principles had been brought forward based on the facts of experiments. The error of relativity, however, mainly comes from experiments and exists in fundamentals, which is qualitative, and therefore theoretically it is hard to find out accurate and persuasive problems from quantitative analysis and calculation. Having ignored the nonconformance of light with velocity composition theorem, both the special relativity and general relativity had the same problems and errors with their fundamentals. The transmission and travel path of light was changed artificially during experiments for analysis, which had led to the deduction of false theoretical results, giving rise to qualitative error.
This paper states that the theory of relativity is incorrect from the point of view of its false establishment foundation and its deduced conclusion.
Keywords
Special relativity general relativity
Michelson-Morley experiment
Lorentz transformation relative motion
inflection of space-time
the effect of “rods look shorter and clocks look slower”
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