[轉載]楊金城:正確認識、理解、對待相對論

正確認識、理解、對待相對論

楊金城

成都市靜安路1號萬科城市花園76-E-402htt pSea3000.netYang jincheng

[摘要]本文就目前在相對論研究中出現的一些問題，從「什麼是相對論」，「什麼是相對論的時空變換」出發，來回答肯定與否定相對論之爭。真正搞懂了相對論的人就會知道，牛頓物理學和相對論兩者都存在，牛頓物理學還包含在相對論中。相對論推不翻，相對論在現代的科學研究中，還將發揮更大的作用。

關鍵詞:牛頓物理學，狹義相對論，相對性原理，時空變換，相對論時空的方向特徵，相對論是客觀存在的自然規律

一，狹義相對論的概述

愛因斯坦是偉大的科學家。愛因斯坦發現的相對論，是地球人認識相對運動系統內，物質運動變化規律的科學理論，研究宇宙中的問題，特別需要相對論。

愛因斯坦在《論運動物體的電動力學》中，介紹了狹義相對論的具備內容，但沒有給相對論作出明確的定義。這就跟後來研究相對論的人們，沒有一個明確的規範，現在有些人沒有真正搞懂相對論，隨便將自的一些觀點和看法，寫成《XX時空》，《XX相對論》等書刊，自命為是相對論創新的東西，併流傳到市場上。如果人們認真地閱讀一下這些書刊，就會清楚，這些東西不是相對論範疇的東西，用這些東西推不翻相對論，但污染了學術環境，誤導了求知的青少年。

1，相對論及時空變換的定義

什麼是相對論?相對論，就是研究相對運動系統內，物質運動變化規律的時空理論。

什麼相對論的時空變換?就是在相對運動系統中，測量同一事件的時間和空間之間的關係，就叫做相對論的時空變換。

以上有關相對論的基本定義，是從狹義相對論的具體內容中總結出來的。本文陳述的相對論，指的是狹義相對論。

相對論的核心是時空變換。建立狹義相對論的時空變換，需要光信號來傳遞信息，以光為基礎用待定係數法，推導相對論的時空變換時，就需要要來建立數學物理方程。

相對論的時空變換需要滿足線性迭加原理，這就需要相對性原理。因為，線性迭加規律只能在慣性系統中成立，所以，愛因斯坦將相對論建立在慣性系統中。這就是愛因斯坦作出兩條基本假設的原因。

什麼是相對性原理?就是在相對做勻速直線運動的系統中，表達物體運動規律的數學物理方程，都具有相同的形式，就叫相對性原理。相對性原理，是宇宙中客觀存在自然規律，是科學研究的基礎。相對論是建立在相對性原理基礎之上的理論，牛頓物理學也是建立在相對性原理基礎之上的理論。沒有相對性原理，狹義相對論和牛頓物理學都將不能成立。

什麼是光速不變原理呢?就是光無論是從靜止系統中發出來的，或是從運動系統中發出來的，都具有相同的傳播速度，這就是光速不變原理。世界各國科學家通過大量的實驗證明，宇宙中天體發出來的自然光，都具有恆定不變的傳播速度這是客觀存在的事實，用光來傳遞宇宙信息，就能保持信息的面貌。

20世紀初期，由於當時的科學水平與愛因斯坦的學識程度所限，愛因斯坦在建立狹義相對論時才提出了兩條基本假設。實質上，狹義相對論是建立在相對性基礎之上的時空理論，光只是用來傳慈信息，狹義相對論不需要作任何假設，就可以建立起來。

3，洛侖茲變換的直接推導

愛因斯坦用待定數學法，推導狹義相對論的時空變換，它要藉助於光速 的數學關係，所以要求光速不變來進行處理。由於，此前洛侖茲已經推導出了這樣的變換關係式，所以，愛因斯坦將他推導出的狹義相對論時空變換，就稱為洛侖茲變換。

推導狹義相對論的時空變換，不局限於用待定係數法，也不需要作任何假設，可以用多種物理模型和數學方法，直接推導出狹義相對論的時空變換。

下面，我們介紹一種已經廣為流傳的運動模型，直接推導出洛侖茲變換。

B DE F

AA

[圖1][圖2]

[圖1]所示，一列以速度V均速運動的火車，某一時刻，一乘客從車箱底A點，垂直向車箱頂射出一光信號。由於火車在勻速運動，光從車箱底傳播到車箱頂這段時間內，火車前進了一段距離，為地面上觀測者用的計時器，為火車上乘客用的計時器。根據光從車廂底傳到車廂頂，不同的觀測者得到的不同路程這個客觀事實，由[圖1]得:

， 根據 經整理得:

----------(1)

式就是洛侖茲變換。狹義相對論不僅僅只有洛侖茲變換一種，狹義相對論有多種形式的時空變換。當時，由於愛因斯坦誤以為洛侖茲變換是唯一性的，就沒有繼續去尋相對論時空變換的普適表達式。愛因斯坦為了保住洛侖茲變換在狹義相對論中的存在，就人為地作出了兩條規定:一，宇宙中一切物體的運動速度以光速為極限;二，光子的靜止質量為零。

這兩條人為的規定，就是狹義相對論的主要缺陷，也是否定相對論的人們，當成反相對論的把炳來抓。如果找到了相對論時空變換的普適公式，這兩條規定就可以取消了。

我們在[圖1]相同的條件下，改變光的傳播方向，如[圖2]所示，光沿著AE方向射出，使其地上的人觀測到光從A傳播到F，由[圖2]得:

根據經整理得:

-----------(2)

(1)式和(2)式都是狹義相對論的時空變換公式，並充分顯示出了狹義相對論時空的方向特徵，這也表明洛侖變換不是狹義相對論的唯一表達式。

相對論時空與孤立時空的性質不同，不是各向同性的，相對論時空是隨物質在相對運動系統中的運動方向變化而變化的，相對論時空有伸也有縮，這是愛因斯坦沒有發現的。

相對論時空的伸縮特性，多普勒效應就作出了最好的解釋和證明(請參閱作者發表在《多普勒效應的寬頻原理及其實際應用》，2001年16期《通信世界》)。

二，相對論新時空理論的建立

1，人造「四維時空」

愛因斯坦，為了將物體的曲線運動，簡化為直線運動來處理費盡了心機。愛因斯坦的老師閔可夫斯基，給愛因斯坦開出了一個藥方，將時間作幾何化處理，提出了一個「四維時空」。將X、Y、Z三維空間，加進一個時間t融為一體，構成「四維時空」。愛因斯坦想藉助四維時空，提出世界線觀點，企圖將曲線直線化處理，用來解決廣義相對論的問題，但沒有獲得成功，最後才轉向張量表述法，來描述廣義相對論。

四維時空，只是一種數學表述手段，沒有多在的物理意義。

2，什麼是真正的相對論?

什麼是相對論?什麼是相對論的時空變換?這是檢驗真假相對論的試金石。真正的相對論，必須具備三個基本要素:

第一，要有相對運動系統;

第二， 相對運動系統都要處於動態平衡狀態(愛因斯坦所稱的慣性狀態);

第三， 系統中要有物質存在，

研究物質在相對運動系統中的時空關係，才是真正的相對論。

物理學原理，只有用數學方程表示出來，才有明確的定量意義，才能會諸實際應用，推動科學技術的發展。現在，一些反對相對論的人們，常常用文字大談特談他們如何反對相對論，卻拿不出物理模型及其數學表達式，就想推翻愛因斯坦相對論。科學研究要嚴謹辦事，動不動就要推翻這個科學理論，推翻哪個科學理論，這些人寫出文章各種學報和期刊都不採用，難道說這些編輯們都不識貨嗎?反相對論的人們，應當冷靜下來，好好清理一下思維，總結一下經驗教訓。

相對論的核心是時空變換，什麼是相對論的時空變換?就是「在相對運動系統中，測量同一事件的時間和空間之間的關係，就是相對論的時空變換。」

這裡，我將選用發表在《科學中國人十年優秀論文選》論文《相對論的基本原理》中介紹的方法，來直接推導相對論的時空變換普適公式。

以下二圖，在τ= t =O時，Σ^，和Σ重合。當Σ^{`</sup>相對於Σ開始運動的同時，從原點射出一光從信號。光在Σ系統中經過時間t，在Σ<sup>`}系統中經過時間，到達的同一終點P。這就是同一事件，在相對運動系統中，得的不同時空中的結果。依此，就可以直接推導出相對論時空變換的普適公式。

[圖3]所示有:-------(A) ------(B)

Y YY^`

VPPV

ctcτ

[圖3]αβ[圖4]αβ

0Vt 0^{`</sup> QxQ0-vτ0<sup>`}x x^，

將A和B兩式平方後相加得:-----(C)，

將(C)式移項整理得:

--------(3)

在[圖4]所示的情形下得到:

------(C)------(D)

將(C)和(D)兩式平方後相加:，經整理得:

----------(4)

(3)式和(4)式，都是相對論時空變換的一般表達式。它們都將縱向相對論，橫向相對論，超光速運動相對論的時空變換包含在其中，並充分顯示出了相對論時空變換的方向性特徵。有了相對論時空變換的普適公式，狹義相對論存在的各種問題，都能輕而易舉地解決了，相對論也就比較完美了。

三，相對論與牛頓物理學的關係

1，空坐標的時空關係不是相對論的時空變換

Yy^，

^，

V

[圖5]

xx^，

0vtO^，

[圖5]所示，就是兩個空坐標之間的時空關係，人們稱它伽里略變換。

現在，在市面上出現的一些書刊中，有的人提出所謂「絕對時空原理」，「同時的絕對性原理」，等等，用絕對時空觀點來否定相對論。相對論，是研究相對運動系統內，物質運動變化的時空關係，沒有物質存在的空坐標之間的時空關係，不是相對論的時空變換，用它否定不了相對論

2，牛頓物理學與相對論的關係和差別

宇宙萬物都處在相對運動之中，靜止只具有相對性的意義，這是客觀存在的事實。現在有些反相對論人們，把牛頓物理學與相對論對立起來，用「時空的絕對性原理」來否定相對論，保衛牛頓物理學，是沒有意義的，也是不可能成功的。

相對論是研究相對運動著的系統內物質運動變化規律的科學。在宇宙中，地球人怎麼去觀測，去認識地球之外運動著的天體中，物質運動變化的規律呢?難道說，你能跑到別的天體上去摸著石頭過河，檢驗你的絕對時空理論嗎?研究宇宙天體中物質運動變化的規律，不靠相對論原理和測量方法是不行的。地球人在地球上看到月亮與太陽差不多大，這是眼見的事實，天體測量的結果是太陽比月亮大很多，是眼見為是?還是測量為是?牛頓物理學認為，相對運動著的系統中時空是絕對的，以此擴大到研究宇宙中的天體運動規律，得到的結果這肯定是不對的。

下面，我們以船過河為例，來闡明牛頓物理學與相對論的時空關係。

A，牛頓時空與平行四邊形法則

地球人都懂得，在勻速直線運動的火車箱內，或者在勻速直線運動的船內，做物理實驗得到結果，與在地面上實驗室做實驗得到的結果是一樣的。這就是說，在動態平衡系統中，相對論性原理是完全正確的，表述物質運動變化數學物理方程，都具有相同的表達形式。

地面與流水組成相對運動系統，就是一個動態平衡系統。對於船過河這個事件，牛頓物理學和相對論有什麼區別?我們就來仔細分析一下。

NBv₂t CNBvtC

αtV₂[圖6][圖7]αV

MAA^，MAA^，

[圖6]所示，船從M岸的A點出發，向N岸垂直划行過去，船的划行速度和方向始終保持不變。對於船過河這個事件，如果關上船上的窗子，船上的人只知道船是垂直過的河(從A到B)。岸上的人看到的是船從A出發，到達了對岸的C，這就是同一事件在相對運動中產生了不同的時空結果。

設河寬MN，水流的速度為V₂，船的划行速度設為V₁。牛頓主觀的認為，船過河無論岸上還是船上，所用的時間t是相同的。並用矢量合成的平行四邊形法則處理，得到:

這裡

由此得:---------(5)

B相對論時空與平行四邊形法則

[圖7]所示，設船過河的划行速度 ，划行方向垂直於河岸。水流的速度為 。對於船過河這個同一事件，由於相對論效應引起了時空的伸縮，導致不同的路程結果。設船上用 記時;岸上用t計時。由矢量運算平行四邊形法則得:

，即 由此得: ------(6)

(6)式給出的結果表明，對於船過河這個同一事件，用矢量法則處理得到的結果，與用相對論時空變換得到的結果相同。事實表明，船過河的相對論結果，與採用什麼樣的數學方法處理無關。事實充分表明，相對論比牛頓物理學更具有自然規律的客觀性。

3 改變船的劃方向得到牛頓物理學與相對論的另一種結果

B CBC

[圖8][圖9]θ

AA

[ 圖8]所示，改變船的划行方向，讓船偏AB向左一個角度出發，使岸上的人剛好看到船沿垂直方向AC過的河，根據牛頓物理學的矢量運演算法則，得到的結果是:

由此得:(7)

[圖9]根據相對論原理，時空是相對的，船划行速度是不變的，根據矢量運演算法則得:

由此得:(8)

(7)式與(8)式表明，牛頓物理學與相對論，都分別滿足各自的理論，並不相互排斥。反相對論的人們，用不著推翻相對論去保衛牛頓物理學，牛頓物理學是包含的相對論中的。

「莫道昆明池水淺，觀魚勝過富春江。」奉勸那些否定相對論的人們，靜下心來，用點時間認真學習和理解一下相對論，弄清楚了什麼是相對論?什麼是相對論的時空變換?你們就會明白，科學研究不能跟著別人的感覺走，更不能迷信那些「全能權威」的觀點，從愛因斯坦的忠告「無知的權威，是真理的最大敵人。」中清醒過來。

四，結論

1物質、運動、時間、空間構成的宇宙中，宇宙萬物都處在運動之中，靜止只具有相對論的意義。能量最低原理，動態平很原理，自然選擇法則是宇宙萬物自然生存和演化的規律，牛頓物理學和相對論都受宇宙學原理的支配。

2相對性原理是客觀存在的自然規律，相對性原理是牛頓物理學和相對論存在的基楚。宇宙萬物生存和演化的時空是相對論時空，牛頓時空包含在相對論時空之中。孤立的時間或空間，才是各向同性的，物質運動的相對時空，是有方向特徵的。

3，相對論存在一些缺陷，但相對論是客觀存在的自然規律，我們搞科學研究的目的，就是要不斷地糾正前人的錯誤，並補充和發展那些不完善的科學理論，以推動社會的發展和前進。

4，100多年的科學發展歷史表明，儘管有一些諾貝爾獎得主，一些院士加入了反相對論的行列，相對論還是沒有被推翻。反相對論的人們，請你們用「什麼是相對論」，「什麼是相對論的時空變換」，深思熟慮一下你們的觀點，正確把握科學研究思想和方法，為中國科學技術的發展多做一些有意義的事。

參 考 文 獻

1愛因斯坦著孟昭英譯論運動物體的電動力學《相對論原理》科學出版社1980年

2[英]W。G。V。羅瑟著 岳曾元 關德相譯《相對論導論》科學出版社1980年

3楊金城狹義相對論再探討《 第七屆全國理論物理前沿基礎研討會論文集》1993年

4 楊金城狹義相對論新時空觀在現代物理中的作用和地位《大自然探索》 1994年4期93-97

5 楊金城狹義相對論的補充和發展《貴州省物理教學研究會學術年會優秀論文集》1996年

6，楊金城二維時空相對論及其應用前景貴州師範大學學報第15卷增刊1997年6月33-36

7，楊金城超光速運動相對論 《貴州師範大學學報》(自然科學版)第18卷增刊2000年7月105-107

8，楊金城相對論新時空觀在現代物理中的作用和地位 《相對論再思考》 地震出版社2002年7月

9 楊金城相對論的基本原理 《科學中國人十年優秀論文選》 人民日報出版社2003年570-571

10楊金城相對論新論的基本原理--紀念愛因斯坦相對論發表100周年《四川師範大學學報》

(自然科學版)增刊2005年8月

作者2014年3月17日於成都--萬科