物理科学探疑-网友天空-系统观点-夏烆光 -狭义相对性原理的局限性

狭义相对性原理的局限性

（撰文：夏烆光）

一 引    言

    诚如所知，爱因斯坦狭义相对论主要是基于以下两个基本的物理原理：狭义相对性原理——一切彼此相对作匀速直线运动的系统对于描写运动的一切规律来说都是等价的，这说明运动的描写只有相对的意义，而绝对静止的参照系是不存在的；光速不变原理——在彼此相对作匀速直线运动的任一系统中，所测得的光速都是相等的。这两个物理原理，通常又叫做“爱因斯坦相对性原理”。（参见《普通物理学》[初稿]，下册，上海：上海教育出版社，1959年9月第一版，第182页）可是，无论是狭义相对性原理，还是光速不变原理，在接触作用的前提条件下，都是局限的，相对正确的物理原理。不仅如此，而且这两个原理之间还存在着根本的对立，承认了相互作用传播速度的有限性，狭义相对性原理就不成立。

二 狭义相对性原理的适用范围

    譬如，我们假设“A”和“B”是相对作匀速直线运动的两个物体系统，在“信号的传递速度是无穷大”与“信号的传递速度等于光速”的情况下，来比较描写两个物体系统的相对运动时所存在的差别。参见下表：

    按照上表右侧所列，在信号的传递速度等于光速的情况下，站在A上描写B的运动肯定滞后于站在B上描写B的运动；反过来说，站在B上描写A的运动肯定滞后于站在A上描写A的运动。原因是：站在B上描写A的运动，只能使用B的时钟；相反，站在A上描写B的运动，只能使用A的时钟。由于相互作用信号的传播速度是有限的，因此，使用B的时钟描写A的运动、或使用A的时钟描写B的运动，都必须随时随地包括着传递“运动信息”所需要的滞后的时间过程（Δt）。——这是基于接触作用的基本原则。只要考虑到这个滞后的时间过程，相对运动的观测者同相对静止的观测者之间，所得出的运动速度就肯定不同。

    退一步地说，假若是忽略了这个滞后的时间过程（Δt），那就等于静止系的观测者依靠自己的思维能力——虚构的无穷大的信号速度——来确定运动事件的时间坐标（t），而并非是在使用有限的信号传递速度——光速——来确定运动事件（或质点）的时间坐标（t）。结果，还是没有摆脱绝对同时性的时间观念。当然，这里所说地同步与否仍然是建立在运动的钟与静止的钟之间，在振动周期上绝对一致的前提条件下。因此，这里的所谓“不同步地”，仅意味着：静止的观测者不能象运动的观测者那样，绝对同步地记录到远离他（运动起点）的运动事件在任意空间位置上的准确时刻——或者说时间坐标（t）。

    由此可见，伽利略的相对性原理（狭义相对性原理）只告诉我们：在超距作用的前提下，一切彼此相对作匀速直线运动的物体系统对于描写运动的一切规律来说是等价的——物理方程具有相同的数学形式——即所谓的“普通协变性”；并没有告诉我们：在信号传递速度有限性、以及接触作用原则的前提下，站在两个彼此相对作匀速直线运动的参考系统中，来描写一切运动事件的运动规律时，仍然具有相同的数学形式。
事实上，在相互作用信号传递速度有限性的前提下，根本不可能存在着物理方程的协变性。在现实的情况下，站在不同的物体系统（A和B）的坐标原点（O和O’）上，描写同一个事件（或质点）的运动时，如果忽略了上述所说的滞后的时间过程（Δt）的话，肯定是没有摆脱绝对同时性的时间观念。尤其是，当信号传递速度有限时，站在B上描写A的运动、与站在A上描写B的运动，不仅没有摆脱绝对同时性的时间观念，而且还把“自己”当作“静止系”、把“对方”当作“运动系，——这是一种偷换概念的行为——因为，这样的事件并没有共同的时间起点与空间起点，因而并不是同一个运动事件。

    一言以蔽之，只有在信号传递速度无穷大时，狭义相对性原理才具有实际的物理意义，而当信号传递速度有限时，狭义相对性原理便失去了原有的物理意义。换言之，如果某个“物理过程”不涉及到两个坐标系之间，因相对运动而引起空间位置的变化以及时间坐标的改变，或者说，两个坐标系统是完全独立的（例如，纯粹的几何抽象的情况下），狭义相对性原理是适用的。然而，相对论问题刚好是涉及到两个作相对运动坐标系统之间，对于同一个运动事件所得出的空间坐标以及相对速度的相对比较。在这种情况下，狭义相对性原理并不适用。因此说，使用狭义相对性原理一定要区别它的实际情况。

    我们的原则是：那些能够通过你的想象而形成概念，但按其本质来说却是不能付诸于实践的“理念”——“知性的同一”，譬如说，不同地点时钟之间的“同时性”问题，都没有确切的物理意义。所以，在接触作用原则及相互作用传播速度有限性的前提下，不仅“惯性时空”的概念失去了原有的物理意义，而且在几何学中，关于“线段”的概念也都失去了抽象的几何意义。因为，在任何一门几何学中，用“线段”来代表一个事件（或质点）相对运动所形成的空间距离时，都不能不考虑这一空间距离两个端点之间，在时间上的不同时性。

    于是，关于运动的描写就必须同时引入两种不同的速度概念：一种是站在运动事件之外的“观测者”（我把他叫做“旁观者”以示区别）描写事件相对运动的速度，我把这种速度叫做“相对速度”；另一种是站在运动事件之上的“观测者”，描写事件相对运动的速度，我把这种速度叫做“绝对速度”。不难理解，只有用相对速度与绝对速度来描写同一个事件运动规律的相互比较，才是站在A上描写B的运动规律、同站在B上描写B的运动规律之间的相互比较，或者是站在B上描写A的运动规律与站在A上描写A的运动规律之间的相互比较。进一步地说，只有这种意义上的相互比较，才是“静止时钟”与“运动时钟”之间的相互比较；才是两个不同的观测者之间，针对同一个运动事件所得出地相对论问题。

    不仅如此，而且狭义相对性原理只是笼统地告诉我们：“一切彼此相对作匀速直线运动的系统对于描写运动的一切规律来说都是等价的”，并没有明确地指出，在信号传播速度有限性的影响下，站在两个彼此相对作匀速直线运动的参考系统中，来描写一切运动的规律还是等价的。尤其是，在信号传播速度有限性的影响下，站在两个不同物体系统（A和B）的坐标原点上，描写“第三个物体系统”的运动规律时，根本不可能摆脱绝对同时性的时间观念！！特别是，站在B上描写A的运动、与站在A上描写B的运动，不仅照样地没有摆脱绝对同时性的时间观念，而且还是片面地把“自己”当作“静止系”、把“对方”当作“运动系”。——在哲学问题的认识论中，这是一种不加思考地偷换着“相对运动”与“相对静止”两个不同的物理观念的错误行为。

    我们说，爱因斯坦所以这样地考虑问题，是因为他一生深受马赫的相对主义思潮地影响，因而只懂得“描写运动具有相对性意义”这一个侧面，而不懂得“时间和空间的客观实在性”这另一个侧面。这里，关键的问题是，爱因斯坦机械地看待坐标系统的选择问题——只看到相对性问题是来源于参考系的选择，而没有看到由参考系统的选择所带来的相对性这个问题的实质。其实，关于时间坐标之类物理量的相对性的实质，乃是来源于相互作用传播速度的有限性。可想而知，如果相互作用传递的速度是无穷大，无论是相对运动的观测者，还是相对静止的观测者，都不会导致此类物理量观测结果的相对性。由此可见，所有坚信爱因斯坦相对论的人，也都是在这一点上陷入了朦胧之中。

    我们说，由于爱因斯坦根本不懂得相对论问题是辩证法的“否定之否定”规律的具体应用，所以只是片面地强调：“运动的描写只有相对的意义，绝对静止的参考系是不存在的。”的确，绝对静止的参考系是不存在的，但问题是，并不需要去寻找一个绝对静止的参考系，而只需要在两个相对作匀速直线运动的物体系统（A和B）之间，根据问题的需要而确定一个共同的时空起点，——即一个相对静止的参考系统。在相对论中，无论是以A点为共同的时空起点还是以B点为共同的时空起点，都是在“同一个基点上”讨论由于观测角度不同所带来的相对性。总之，爱因斯坦相对论的“立论基础”是不确切的，自然他的狭义相对论也就不可能是确切的。——这既是一个重大的物理问题，也是一个重大的哲学问题！

三 光速不变原理的相对性

    我们说，只要涉及到相对论问题，就不能不涉及“光速不变原理”，可以说，光速不变原理是确定爱因斯坦相对论正确与否的重要判据之一。谈到光速不变原理，就不能不涉及到光速的测量方法。诚如所知，在传统的光速测量方法中，观测者总是停留在光源的位置（静止系）上、记录光子往返于“光源”同“反光镜”之间的时间过程的一半（即2t/2 = t）来作为它在空间距离（r）上传播所需要的时间过程，由此得出光子传播的相对速度c = r/t。

    不难看出，这种测量方法完全等同于跟随光子一起运动的观测者利用自己携带的钟，随时记录的时间过程（t’）去除以空间距离（r’），即c’= r’/ t’（暂记作c’）。这里把c’ 定义为光子运动的绝对速度，可见传统测量法得出地光子运动的相对速度（c）同站在光子上的观测者得出地光子运动的绝对速度（c’）是同一个物理量，即c ≡c’。

    注意到“光源”与“反光镜”之间的空间距离对于光源处和反光镜处的观测者来说，是同一个物理量，即r ≡r’。因而存在着两种不同类型的光速：一种是位于光源处的观测者得出地光子运动的相对速度c = r/(t’+Δt)；另一种是跟随光子一起运动的观测者得出地光子相对于光源运动的绝对速度c’ = r’/ t’。因为r ≡r’，所以c ≠c’。 这样一来，我们就不难理解，光子运动的绝对速度（c’）根本不可能同光源运动的相对速度有关。这就如同子弹离开枪口时的绝对速度不可能与枪支本身对于任何其它参照物的相对速度有关一样。

    一言以蔽之，利用自己的思维能力来确定光子在任意空间位置上的时间坐标的做法本身，完全等同于相互作用传递速度为无穷大的前提假设。所以说，传统的光速测量法还是建立在绝对同时性的时间观念之上。可见，所谓的“光速不变原理”乃是光子相对于光源运动的绝对速度（c’）不变，而并非是光子相对于光源运动的相对速度（c）也不变。因此说，光速不变原理也是有条件的，相对的。在接触作用原则的基础上，只有站在测量光子相对于光源的运动速度才是不变的，而并非在任何场合下，光速都是一个不变的物理量。——这是个需要我们深入思考和反复推敲但又极为普通的物理问题！

四 结    论

    总而言之，无论是光速不变原理、还是伽利略的相对性原理，同惯性坐标系以及相对速度的概念一样，都建立相互作用传递速度无穷大的基础上。换句话说，在接触作用原则和相互作用传播速度有限性的基础上，上述的物理概念和物理原理都不成立。因此说，狭义相对性原理也同其他任何客观真理一样，都是有条件的相对的，因而都属于“相对真理”的范畴。可是，正是狭义相对性原理和光速不变原理构成了爱因斯坦的相对性原理。并且，正是这个原理构成了狭义相对论的物理基础，因此说，爱因斯坦的相对论并并非是完全正确的。所以说，爱因斯坦并没有把物理学的时空观念引导到正确的轨道上来，而只不过是把物理学的时空观念从绝对主义的时空观念引导到相对主义的时空观念上来而已，即从一个错误的极端引向了另一个更为错误的极端。毫无疑义，如果物理学不把自己的时空观念转移到辩证唯物主义的轨道上来，如果继续抱定相对主义的时空观不放，将永远无法摆脱逻辑谬误和概念错误，物理学家们将永远使自己陷于谬误的逻辑之中而不能有所前进。

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

返回首页