九乡新闻网表妹手册棠眠凤凰:科学论道
来源：百度文库 编辑：九乡新闻网 时间：2024/04/28 14:11:02
『天涯杂谈』 科学论道
作者：zrming 回复日期：2009-1-7 15:12:26 六、相对论的两个原理
当时年轻的爱因斯坦大胆假设，认为光的速度并不需要参照物，而是一个常数，并在此基础上建立了辉煌的相对论。我们现在知道，对于相对论的预言都很成功，相对论的应用也很普及了，比如在GPS定位时，就要考虑相对论效应，不然就会出现较大的误差。
建立相对论，有两个重要的前提，一是光速不变原理，二是相对性原理。狭义相对论是以这两个前提假设为基础提出来的。 1905年，爱因斯坦在德国《物理学纪事》杂志上发表《论动体的电动力学》论文，提出了狭义相对论理论，其中对两个原理作了定义：
“以下的讨论将以相对性原理和光速不变原理为依据。这两条原理我们定义如下：①物理体系的状态基以变化的定律，同这些状态的变化是以两个彼此作相对匀速运动的坐标系中的哪一个为参考，是无关的。②任一条光线在‘静止的’坐标系中都以确定的速度V运动，不管这条光线是由静止的还是由运动着的物体发射出来的。 ”（参考《爱因斯坦文集》第二卷，P87，商务印书馆，1977）
以上第一条是相对性原理，第二条就是光速不变原理。相对性原理比较好理解，但是光速不变原理则有些难以理解，而当两条原理合在一起运用时，却对人类的逻辑思维提出了极大的考验。现在尽管相对论诞生已有一百多年，越来越多的实验也验证了相对论的一些预言，然而从相对论诞生的那一刻起，对相对论的质疑从来没有停止过，而且似乎有愈演愈烈之势。
国际学术组织自然哲学联盟每年都在北美召开“向当代物理学和宇宙学挑战”的学术报告会或研讨会。俄罗斯科学院等主办的批评相对论的国际学术会已连续举行了 6届以上，一届比一届规模更大、更隆重。在国内的反对相对论活动也在热烈的开展，2000年7月29-30日，在北京召开了爱因斯坦相对论问题学术会。 2003年，在中国召开了三个旨在否定或超越爱因斯坦相对论的学术会议，它们分别是：8月15-17日在北京召开的“北京相对论研究联谊会首届年会”；8 月23-24日在北京召开的“第二届全国爱因斯坦相对论问题学术会议”；10月11-13日在西安召开的“相对论及现代物理创新国际学术会议”。2004 年以后，国内召开了数次质疑相对论的学术会议。正如美国著名《能源》和《伽利略电动力学》杂志已故主编贝克曼教授所总结的：“从加拿大到南非，从欧洲到澳大利亚，从圣彼得堡到北京……相对论在‘空前成功’了近90年后仍遭到如此广泛的抵制”，声势之大、历时之久为历史上罕见。
相对论遭遇如此多责难的原因，归根结底，就在于两条基本原理结合在一起时所产生的逻辑矛盾。光速不变原理是说，光在一静止参考系中传播时，光速始终恒定不变，不管光源的运动状态是如何。后来这一原理衍生至广义相对论中，表述为，在任何参考系中，光速都是都是恒定不变的。这一原理，实际上阐述的是光速的绝对性。即，光在真空中的传播速度作为一种物理量，是绝对恒定的，不会因任何原因而改变。但是，光传播有速度，显然是一种运动，可以通过距离与时间的比值来算出速度的大小。而根据运动的相对性原理，运动都是相对的运动，也就是说，所谓的运动，是相对于某参照物而言，这样才可能计算出速度的大小。在这里，光的运动就遭遇了绝对性与相对性的矛盾。
用一个思想实验可以更好的理解这种矛盾性。假设未来在太空上演一场警匪枪战，警察和匪徒各自驾驶自己的飞行器以接近光速飞行，警察向匪徒的飞行器发射一束激光，这束激光没有击中目标，擦着匪徒的飞行器窗口而过。那么，在匪徒看来，这束激光的速度会是怎样呢？按照绝对性原理，任何参考系中的光速都是一样的，所以在匪徒眼里，激光仍然是以光速从窗边飞过。但是，根据相对性原理，激光的速度只是略微比匪徒的飞行器快一点，在匪徒的眼中，激光应该是非常缓慢的速度从窗边飘过。就像我们坐在行驶的车辆中，看旁边一辆正在超过自己的车辆，其速度仅比自己快一点，如果两车速度相同，那么两车的乘客看对方都是静止的。那么，在匪徒眼中，到底激光是以怎样的速度运动呢？显然，在这个思想实验中，光速运动的绝对性对人类的逻辑思维构成了严峻的挑战。依据相对论，匪徒眼中的激光依然是以光速运动，但这只是一种硬性的规定，没有更多解释说明的余地，并不能使人信服，因此，怎样合理的解释这一佯谬，是相对论需要解决的一个大问题。
除了光速的绝对性会引发佯谬，相对性原理同样会引发佯谬。我们以一个著名的双生子佯谬来阐述这个问题。
双生子佯谬是说，有一对双生子，哥哥驾驶飞船去太空旅行，弟弟则留在地球。根据相对论，在相对地球作高速飞行的飞船上，时间的流逝会比地球上慢，因此，假如哥哥经过一年的太空旅行回来，地球上可能已经过了十年，那么弟弟就比哥哥大了九岁。这种情况在相对论中是允许的。但问题是，根据运动的相对性原理，哥哥同样可以认为是地球在相对于飞船作高速运动，因此地球的时间要变慢，这样，哥哥应该可以得出自己比弟弟要大九岁的结论。哥哥做出这样的结论是合理的，在相对论中并没有什么特别的规定不允许哥哥作出这样的判断。但是，谁都清楚，如果哥俩相遇，只可能有一个结果，那么谁的看法是正确的呢？另一个人的看法又为什么不正确呢？这样的问题，不论是爱因斯坦还是后来的学者，都没能给出合乎逻辑的解释。
在爱因斯坦的理论中，两条表面矛盾的原理被硬性规定下来，可以说，相对论的大厦就是建立在这样一个令人难以理解，表面矛盾的基础之上。正是基于运动的绝对性与相对性的矛盾，发展出了许许多多的佯谬，如直角杠杆佯谬、柔绳佯谬、潜水艇佯谬、艾伦菲斯特（Ehrenfest）佯谬、哥德尔 (Godel) 佯谬，还有对钟悖论和转盘悖论等等。每一种佯谬出来，同时也会有各种解释性理论相伴而生，但所有的争端，归根结底还在两个原理的矛盾之上，相对论在获得巨大成功的同时，也给人们的思维造成了巨大的混乱。例如，各种相对论著述对“尺缩钟慢效应”的解释也是五花八门：有认为不是真实的；有认为不是物理的但是真实的； 有认为是表观上的；有认为是数学上的； 有认为是视觉效应； 有认为是由测量决定的； 还有认为是同时性的相对性的结果…… 不一而足。那么，相对论效应到底是怎么回事？
作者：zrming 回复日期：2009-1-7 15:13:27
当时年轻的爱因斯坦大胆假设，认为光的速度并不需要参照物，而是一个常数，并在此基础上建立了辉煌的相对论。我们现在知道，对于相对论的预言都很成功，相对论的应用也很普及了，比如在GPS定位时，就要考虑相对论效应，不然就会出现较大的误差。
建立相对论，有两个重要的前提，一是光速不变原理，二是相对性原理。狭义相对论是以这两个前提假设为基础提出来的。 1905年，爱因斯坦在德国《物理学纪事》杂志上发表《论动体的电动力学》论文，提出了狭义相对论理论，其中对两个原理作了定义：
“以下的讨论将以相对性原理和光速不变原理为依据。这两条原理我们定义如下：①物理体系的状态基以变化的定律，同这些状态的变化是以两个彼此作相对匀速运动的坐标系中的哪一个为参考，是无关的。②任一条光线在‘静止的’坐标系中都以确定的速度V运动，不管这条光线是由静止的还是由运动着的物体发射出来的。 ”（参考《爱因斯坦文集》第二卷，P87，商务印书馆，1977）
以上第一条是相对性原理，第二条就是光速不变原理。相对性原理比较好理解，但是光速不变原理则有些难以理解，而当两条原理合在一起运用时，却对人类的逻辑思维提出了极大的考验。现在尽管相对论诞生已有一百多年，越来越多的实验也验证了相对论的一些预言，然而从相对论诞生的那一刻起，对相对论的质疑从来没有停止过，而且似乎有愈演愈烈之势。
国际学术组织自然哲学联盟每年都在北美召开“向当代物理学和宇宙学挑战”的学术报告会或研讨会。俄罗斯科学院等主办的批评相对论的国际学术会已连续举行了 6届以上，一届比一届规模更大、更隆重。在国内的反对相对论活动也在热烈的开展，2000年7月29-30日，在北京召开了爱因斯坦相对论问题学术会。 2003年，在中国召开了三个旨在否定或超越爱因斯坦相对论的学术会议，它们分别是：8月15-17日在北京召开的“北京相对论研究联谊会首届年会”；8 月23-24日在北京召开的“第二届全国爱因斯坦相对论问题学术会议”；10月11-13日在西安召开的“相对论及现代物理创新国际学术会议”。2004 年以后，国内召开了数次质疑相对论的学术会议。正如美国著名《能源》和《伽利略电动力学》杂志已故主编贝克曼教授所总结的：“从加拿大到南非，从欧洲到澳大利亚，从圣彼得堡到北京……相对论在‘空前成功’了近90年后仍遭到如此广泛的抵制”，声势之大、历时之久为历史上罕见。
相对论遭遇如此多责难的原因，归根结底，就在于两条基本原理结合在一起时所产生的逻辑矛盾。光速不变原理是说，光在一静止参考系中传播时，光速始终恒定不变，不管光源的运动状态是如何。后来这一原理衍生至广义相对论中，表述为，在任何参考系中，光速都是都是恒定不变的。这一原理，实际上阐述的是光速的绝对性。即，光在真空中的传播速度作为一种物理量，是绝对恒定的，不会因任何原因而改变。但是，光传播有速度，显然是一种运动，可以通过距离与时间的比值来算出速度的大小。而根据运动的相对性原理，运动都是相对的运动，也就是说，所谓的运动，是相对于某参照物而言，这样才可能计算出速度的大小。在这里，光的运动就遭遇了绝对性与相对性的矛盾。
用一个思想实验可以更好的理解这种矛盾性。假设未来在太空上演一场警匪枪战，警察和匪徒各自驾驶自己的飞行器以接近光速飞行，警察向匪徒的飞行器发射一束激光，这束激光没有击中目标，擦着匪徒的飞行器窗口而过。那么，在匪徒看来，这束激光的速度会是怎样呢？按照绝对性原理，任何参考系中的光速都是一样的，所以在匪徒眼里，激光仍然是以光速从窗边飞过。但是，根据相对性原理，激光的速度只是略微比匪徒的飞行器快一点，在匪徒的眼中，激光应该是非常缓慢的速度从窗边飘过。就像我们坐在行驶的车辆中，看旁边一辆正在超过自己的车辆，其速度仅比自己快一点，如果两车速度相同，那么两车的乘客看对方都是静止的。那么，在匪徒眼中，到底激光是以怎样的速度运动呢？显然，在这个思想实验中，光速运动的绝对性对人类的逻辑思维构成了严峻的挑战。依据相对论，匪徒眼中的激光依然是以光速运动，但这只是一种硬性的规定，没有更多解释说明的余地，并不能使人信服，因此，怎样合理的解释这一佯谬，是相对论需要解决的一个大问题。
除了光速的绝对性会引发佯谬，相对性原理同样会引发佯谬。我们以一个著名的双生子佯谬来阐述这个问题。
双生子佯谬是说，有一对双生子，哥哥驾驶飞船去太空旅行，弟弟则留在地球。根据相对论，在相对地球作高速飞行的飞船上，时间的流逝会比地球上慢，因此，假如哥哥经过一年的太空旅行回来，地球上可能已经过了十年，那么弟弟就比哥哥大了九岁。这种情况在相对论中是允许的。但问题是，根据运动的相对性原理，哥哥同样可以认为是地球在相对于飞船作高速运动，因此地球的时间要变慢，这样，哥哥应该可以得出自己比弟弟要大九岁的结论。哥哥做出这样的结论是合理的，在相对论中并没有什么特别的规定不允许哥哥作出这样的判断。但是，谁都清楚，如果哥俩相遇，只可能有一个结果，那么谁的看法是正确的呢？另一个人的看法又为什么不正确呢？这样的问题，不论是爱因斯坦还是后来的学者，都没能给出合乎逻辑的解释。
在爱因斯坦的理论中，两条表面矛盾的原理被硬性规定下来，可以说，相对论的大厦就是建立在这样一个令人难以理解，表面矛盾的基础之上。正是基于运动的绝对性与相对性的矛盾，发展出了许许多多的佯谬，如直角杠杆佯谬、柔绳佯谬、潜水艇佯谬、艾伦菲斯特（Ehrenfest）佯谬、哥德尔 (Godel) 佯谬，还有对钟悖论和转盘悖论等等。每一种佯谬出来，同时也会有各种解释性理论相伴而生，但所有的争端，归根结底还在两个原理的矛盾之上，相对论在获得巨大成功的同时，也给人们的思维造成了巨大的混乱。例如，各种相对论著述对“尺缩钟慢效应”的解释也是五花八门：有认为不是真实的；有认为不是物理的但是真实的； 有认为是表观上的；有认为是数学上的； 有认为是视觉效应； 有认为是由测量决定的； 还有认为是同时性的相对性的结果…… 不一而足。那么，相对论效应到底是怎么回事？