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排行榜前10都是名人!颠覆爱因斯坦相对论中国创新者精彩亮相

  • 更新时间 2026-09-14 19:33:18
排行榜前10都是名人!颠覆爱因斯坦相对论中国创新者精彩亮相

发展宋文淼阴和俊张晓娟时空观,纠正爱因斯坦时空观严重错误

围绕爱因斯坦时空观,存在100多年争论。对时空问题进行广泛深入研究,就可以发现更多真相,把多方面、多层次的时空认识综合起来,就可以创建大综合时空观。面对宇宙万物这个认识对象,爱因斯坦时空观和更上一层楼的大综合时空观都是认识图像、理论模型。大综合时空观主要综合中国科学家的时空探索创新成果,所以,也可以称之为中国版时空观。

20066月,20年前,中国科学院电子学研究所的三位科学家,宋文淼阴和俊张晓娟在科学出版社联合推出了科学专著《实物与暗物的数理逻辑》一书。在该书中,三位作者明确地指出:“相对论确实到了像爱因斯坦本人所说的那样需要被新的理论来代替的时候了,国内很多学者都在为此而努力,从他们身上,我学到了很多知识和勇气,他们都是值得尊敬的人(前言Ⅶ页)。”“对于只了解相对论表象的人,永远不可能想通这一问题:狭义相对论从来没有给过人们任何一个真实的世界,它只是一个假想,你用真实世界发生的事去检验它当然是毫无意义的(第六章‘相对论’126页)。”“目前进行的光的质量测量,光速测量等等,除了能够证明相对论的逻辑前提本来就只是一种没有物理根据的假设以外,实际上也得不到任何其他什么真正有物理意义的东西(第六章‘相对论’134页)。”“用一个常数c(抑或用任何其他的常数)简单地把时间和空间联系起来,组成一个简单的四维几何,就一定可以得到描述整个物理世界的正确规律,这在现在看来好像只是一种过于简单、幼稚的想法(“前言”Ⅴ页)。”“在狭义相对论的基础上爱因斯坦又进一步提出了广义相对论,实际上广义相对论本身就是对狭义相对论的否定,在广义相对论中光再也不以直线前进了,这曾是狭义相对论所有运算的基础(第六章‘相对论’125页)。”用时空关系来代替物质运动规律的暂时的理论,被一些人捧上了神学的宝座,成了阻碍科学发展的障碍(第六章‘相对论’119)。”“总之,现在到了应该抛弃相对论这个以时空关系代替真实物质运动规律的物理框架的时候了(第七章‘科学的未来是什么?’148页)。”“这是一个需要进行大量细致的数学运算和逻辑论证的问题,这里只能表示这样的一种可能性或愿望,也许我们还能在以后用严密的学术专著的形式来谈论这一问题。(前言Ⅴ页)”“每当科学处于十字路口的时候,科学理论上的激烈争论也会造成哲学上和意识形态上的分歧和斗争。但是这一次已经与以前的几次科学争论的情况不同了:在前两次的科学大争论中,中国人还沉睡在封建礼教的迷梦中,做着天圆地方、天不变道亦不变的美梦;这一次不仅应该有中国人的参与,而且中国人应该起到与中国人在历史文明和现代崛起中相适应的作用(前言Ⅲ页)”。

在出版《实物与暗物的数理逻辑》之前,200411月,在“宇航科学前沿与光障问题”第242次香山科学会议上,中国科学院电子学研究所宋文淼研究员和阴和俊所长、研究员向会议提交了标题为“时间、空间和爱因斯坦相对论”的科学论文。

参照“周培源-彭桓武时空观”等10余种“中国版时空观”的创建和发展情况,根据《实物与暗物的数理逻辑》一书展示的关于时间和空间的创新内容,可以把《实物与暗物的数理逻辑》一书给出的、以时空问题为核心的一系列创新观点,简称宋文淼阴和俊张晓娟时空观。

2006年出版《实物与暗物的数理逻辑》一书时,该书的三位作者均在中国科学院电子学所工作,阴和俊是该所的所长和研究员,宋文淼和张晓娟也都是该所的研究员。20年后的今天,阴和俊已经是中国科技的主帅,任职科技部部长。作为中国主流科学家创建的时空观,宋文淼阴和俊张晓娟时空观可以成为中国版时空观的开路先锋和样板旗帜。

综合地说,宋文淼阴和俊张晓娟时空观,还有国家科委原主任宋健院士阐述的宇航时空思想,周培源院士和彭桓武院士创建的“周培源-彭桓武时空观”,李惕碚院士介绍的宇宙学时空观点,吴岳良院士推出的超统一场论的时空认识,王中林院士使用的拓展麦克斯韦方程时空理论,卢鹤绂院士批评广义相对论的时空基础等,另外还有齐新交叉学科时空观等,它们都是大综合时空观的重要内容,它们可以联合构建中国版时空观。

本文将论证,宋文淼阴和俊张晓娟时空观给出的如下内容:(1)关于时间空间爱因斯坦未能认识到的众多真相;(2)爱因斯坦时空观存在大量认识错误;(3)“相对论确实到了像爱因斯坦本人所说的那样需要被新的理论来代替的时候了”科学预言;(4)中国版时空观可以代替爱因斯坦时空观的发展逻辑;上述基本观点完全正确,这是时空认识螺旋式向前发展的必然结果。爱因斯坦时空观在同时相对性、光速不变假设和动钟变慢等方面确实存在严重错误,都是证据确凿。积极发展宋文淼阴和俊张晓娟时空观,推动中国版时空观加速竣工,条件完全成熟,应该大步前进。

1、中国版时空观对时间、空间、物理事件和速度的定量描述

1.1 时间和空间给予定量描述

计量学的宗旨之一,就是为各学科提供定量描述方法,统一计量单位保证量值准确支撑技术应用。对时间、空间、物理事件和速度等给予定量描述,就是计量学的重要内容之一。

宇宙万物都有变化过程,宇宙万物共同存在于每一时刻,上述变化过程和共在同时,是物质的可观测时间性质。为定量描述物质的可观测时间性质,计量学约定了国际单位制的时间单位秒:铯133原子振动9192631770次所需的时间定义为1秒;对于上述国际单位制的“1秒”,可简称为“国际秒”。

在计量学中,提供国际单位制“国际秒”的装置,是“第一时钟”,以此为标准制造的各种时钟都是“国际秒”的代用物;时间值是时钟前后两个读数之差,可用来比较测量、定量描述其它物质的“变化过程”。时刻值是时钟的一个特定读数,可用来比较测量、定量描述其它物质的“共在同时”。

宇宙万物都有大小、形状、结构和距离等情况,这是物质的可观测空间性质。为定量描述物质的可观测空间性质,计量学约定了国际单位制的长度单位米:光在真空中1/299792458秒内所经过路程的长度定义为1;对于国际单位制的“1米”,可简称为“国际米”。

在计量学中,提供国际单位制“国际米”的装置,是“第一量尺”,以此为标准制造的各种量尺都是“国际米”的代用物;长度值是量尺的一段距离读数,空间值是使用量尺进行多维度测量的结果;这样,就可以使用来自量尺的长度值和空间值,比较测量、定量描述其它物质的“大小”“形状”“结构”“距离”等可观测空间性质。

1.2对物理事件给予定量描述

在时钟、量尺和直角坐标系oxyz构成的参照系中,设时钟显示t时,坐标系原点o处光源发出一个光信号,这就是一个物理事件,对该物理事件可以表示为(t000);设在t+Δt时刻,在坐标值为(xyz)的地方,一个观测者接收了光信号,这也是一个物理事件,对该物理事件可以表示为(t+Δtxyz)。对任意的物理事件,观测者可以使用时钟和量尺,测量物理事件的发生时刻值t和坐标值xyz,并表示为(txyz)。

1.3使用时钟量尺测量速度值

根据物理学的平均速度公式v=s/t,观测者可以通过如下测量实验,测得平均速度值:在直角坐标系x轴上,选定测速起点x1和测速终点x2,并分别放置同步时钟;使用时钟测定运动物体通过测速起点x1的时刻值t1,通过测速终点x2的时刻值t2,由此获得运动时间值△t=t2-t1;使用量尺测定运动物体从测速起点到测速终点的运动距离值x=x2-x1;计算测量数据即可获得平均速度值v=x/t。对平均速度值求极限还可以获得瞬时速度值。

1.4物理学和计量学的c约定和使用时钟量尺测量光速值

根据计量学国际单位制关于“米”的约定,在真空条件下,特定光在1/299792458秒走过的路程为1米,可以推理出一种光速值:在提供长度单位“米”的装置中,特定光相对光源和装置本身,其速度值为c=Δs/Δt=1/1/299792458)秒=299792458/秒,这就是计量学和物理学的c约定。

这相当于在特定条件下,使用显示“国际秒”的“第一时钟”和显示“国际米”的“第一量尺”,通过实验测定,特定光相对特定参照物的光速值为c=299792458/秒,这相当于实验测量结果。

在计量学和物理学中,人们约定电磁学的真空中介电常数和磁导率,是基于国际单位制‌的米(m)、秒(s)、千克(kg)、安培(A四个基本单位,同时根据安培力定义光速恒定关系‌,进行约定的。据此,人们可以从电磁学的麦克斯韦方程组推导出与真空中的介电常数和磁导率有关的电磁波速度值c=299792458/秒。这样获得的电磁波速度值c‌‌相当于给出了如下约定:在特定条件下,基于特定的时钟和量尺,特定电磁波相对特定参照物的速度值为c=299792458/秒。

如上所述约定的电磁波速度值,也相当于根据国际单位制,使用特定时钟和特定量尺测量确定特定电磁波相对特定参照物的速度值为c=299792458/秒,这也相当于实验测量结果。这样的电磁波速度值c,相当于计量学和物理学c约定的特殊情况。

应该指出,除了特定条件下,把光速值和电磁波速度值约定为c=299792458/秒,在其它一般情况下,光速值和电磁波速度值到底是多少,应该根据计量学和物理学关于速度值的定义和公式,由观测者使用时钟量尺测量获得,测量出来是多少,就是多少。

在一般情况下,人们说光速值是每秒多少米,其中的米和秒,一是来源于计量学国际单位制的米和秒,二是来自特定的时钟量尺

在一般情况下,如果人们所说的光速值及其米和秒,不是计量学国际单位制的米和秒,没有具体的时钟量尺作为测量基础,提供实验支撑,那么,这样的光速值及其米和秒,就是想象虚构,不是对实际情况的写真描述。

在特殊情况下,约定光速值c,在一般情况下,使用时钟量尺测定光速值v,这就是交叉学科时空观的钟尺测量光速值基本观点。

2宇宙万物共在同时,使用t时刻暂停图和Δt时间过程图给予描述

在物理学中,对于宇宙万物一直共同存在,共同存在于每一时刻的情况,可简称为宇宙万物共在同时,这是物质的可观测时间性质。对其进行交叉学科研究,就可以总结出新视角的同时认识,建立宇宙万物共在同时的认识图像、理论模型。

2.1 万物共在同时、t时刻暂停图和Δt时间过程图

面对宇宙万物共在同时这种可观测时间性质,一个观测者可以提出和解决如下科学问题:在观测者的时钟显示任意时刻值t时,共在同时的宇宙万物,它们一定各有具体状态;如果依托观察和实验,把t时刻宇宙万物共在同时的情况确定下来,把它描述出来,把它画出来,它会是啥样子?

形象地比喻,t时刻宇宙万物共在同时的情况,类似在t时刻给手机屏幕视频画面按下暂停键,获得了t时刻手机屏幕暂停画面,t时刻手机屏幕暂停画面上的具体内容各有具体状态。所以,对t时刻宇宙万物共在同时的情况,可简称为t时刻暂停图。

t时刻暂停图,就像对连续运动变化的宇宙进行一次t时刻“立体截图”,获得了宇宙变化进程的t时刻“立体照片”。对t时刻暂停图,可以把它画在纸上,电脑上,或做成动画演示,并辅助语言文字说明。t时刻暂停图上的内容,可以是实况写真,也可以是简化图示,内容可简可繁,可以丰富多彩

t时刻宇宙万物共在同时,是宇宙物质存在运动发展变化的具体内容之一,它是客观存在的可观测性质。使用t时刻暂停图描述t时刻宇宙万物共在同时这种可观测性质,在以往已经有相关的内容。例如描述和画出一个t时刻事件,就相当于只有单一内容的t时刻暂停图。描述和画出多个t时刻事件,就是具有众多内容的t时刻暂停图。根据目前的科学技术水平和观测实验能力,加上大数据、大模型和AI智能体的支持,已经可以获得观测和实验意义的t时刻暂停图。

实验和实践表明,因为存在光信号延迟效应,近处的光信号到达观测者用时略短,远处的光信号到达观测者用时略长。由此决定:有远有近的宇宙万事万物在t时刻同时发出的光信号,会在以后的不同时刻、有先有后地到达观测者;观测者在t时刻同时接收到的海量光信号,则是有远有近的宇宙万事万物在此之前的不同时刻、有先有后地发出的。

针对有远有近的研究对象,根据观测和实验结果,消除其中的光信号延迟,观测者就可以获得关于研究对象的t时刻暂停图,也就是研究对象在t时刻发出光信号时的状态。

t时刻暂停图上,原本运动变化的各种事物,就像被按下暂停键,全都静止下来了,全都停止变化了;行人、汽车、火车、飞机、卫星和天体等,全都静止在t时刻暂停图中,各有其位,距离一定;所有事物都在原地不动,所有光信号都停在路上,宇宙万事万物全都暂停下来,全都静止不变了。

t时刻暂停图中,可以共同存在许多具体事件。例如在站台上,特定位置的a时钟显示着7:00:00时刻值t=7:00:00使用a时钟t=7:00:00描述的物理事件,与之并肩而立;在行驶的列车上,特定位置的A时钟显示着T=6:59:59使用A时钟T=6:59:59描述的物理事件,与之并肩而立;一位男士最长胡须的长度值恰好是1cm;一位女士最长睫毛的长度值恰好是2cm……可以说,上述共同存在于t时刻暂停图中的诸多事件,它们具有“无先后共存在”的关系,这就是宇宙万物共在同时所决定的同时关系

根据宇宙万物的共在同时和变化过程,观测者可以画出t时刻暂停图和t+Δt时刻暂停图,把它们画在一起,对它们进行比较研究。对这种具有因果关系的两个或多个t时刻暂停图,可称之为Δt时间过程图Δt时间过程图反映了宇宙事物运动变化过程中,两个或多个具体状态的因果关系。

t时刻暂停图和Δt时间过程图是一种认识图像和理论模型,它们可以用来反映和描述研究对象的时空状态,它们可能存在理想化和近似性特征,但可以不断地提高完善和逼近真相。

2.2 使用t时刻暂停图和 Δt时间过程图,描述甲、乙系时钟关系

设有甲参照系,由高精度同步原子钟、光学尺和直角坐标系oxyz联合构成,在甲系,观测者可以使用时钟量尺测量物理事件的时刻值和坐标值,并表示为(txyz)。设有乙参照系,由高精度同步原子钟、光学尺和直角坐标系OXYZ联合构成,在乙系,观测者可以使用时钟量尺测量物理事件的时刻值和坐标值,并表示为(TXYZ)。设甲、乙系xX轴重合且正方向同向,Yy轴和Zz轴也相互平行且正方向同向,乙系以u速度值沿甲系x轴正方向匀速运动;在两系时钟时刻值t=T=0时,甲、乙系原点oO重合在一起。参见图1.1

设在甲系原点,有时钟a;在甲系x轴上坐标值为1米的地方,有时钟b在甲系y轴上坐标值为1米的地方,有时钟c;在甲系z轴上坐标值为1米的地方,有时钟d上述时钟a、时钟b、时钟c、时钟d是内部结构完全相同的时钟参见图1.1

设在乙系原点,有时钟A;在乙系X轴上坐标值为1米的地方,有时钟B;在乙系Y轴上坐标值为1米的地方,有时钟C;在乙系Z轴上坐标值为1米的地方,有时钟D。上述时钟A、时钟B、时钟C、时钟D是内部结构完全相同的时钟。而且,甲系时钟和乙系时钟,也是内部结构完全相同的时钟。参见图1.1

在实际情况中,使用光钟结合有线光缆精密相位传递技术,已经可以在同一参照系获得足够精度的同步时钟。所以,在惯性系理想情况下,设在甲系,a时钟设定为主时钟,通过有线光缆等,bcd时钟分发频率同步信号,据此就可以把abcd时钟校对成同步时钟。设在乙系,A时钟设定为主时钟,通过有线光缆等,给BCD时钟分发频率同步信号,据此就可以把ABCD时钟校对成同步时钟。

基于甲系任意时钟显示的时刻值,可以画出甲系t时刻暂停图t+Δt时刻暂停图;t时刻暂停图上,若abcd时钟均显示t时刻值t+Δt时刻暂停图上,若abcd时钟均显示t+Δt时刻值,那么在此情况下,甲系abcd时钟是同步时钟;否则就是非同步时钟。参见图1.11.2所示情况。

基于乙系任意时钟显示的时刻值,可以画出乙系T时刻暂停图和T+ΔT时刻暂停图;T时刻暂停图上,ABCD时钟均显示T时刻值;T+ΔT时刻暂停图上,ABCD时钟均显示T+ΔT时刻值;那么在此条件下,乙系ABCD时钟是同步时钟;否则就是非同步时钟。参见图1.11.2所示情况。

甲系t时刻暂停图上,或乙系T时刻暂停图上,甲系abcd时钟均显示t时刻值,乙系ABCD时钟均显示T时刻值;在甲系t+Δt时刻暂停图上,或乙系T+ΔT时刻暂停图上,甲系abcd时钟均显示t+Δt时刻值,乙系ABCD时钟均显示T+ΔT时刻值;而且有t=Tt+Δt=T+ΔT,那么在此条件下,甲系abcd时钟和乙系ABCD时钟就是同步时钟;在上述情况中,如果t=Tt+ΔtT+ΔT,那么在此条件下,甲系abcd时钟和乙系ABCD时钟就是非同步时钟。参见图1.11.2所示情况。

相对静止的同系时钟或相对运动的不同系时钟分别显示相同时刻值,或分别显示不同时刻值,它们可以共同存在,这是宇宙万物共在同时所决定的必然结果。所以,可以把它们共同存在的情况画在甲系t时刻暂停图上,或画在乙系T时刻暂停图上。上述同时关系,反映了宇宙万物共在同时的具体情况,这显然是一种不同以往的、新型的同时关系。

在交叉学科时空观中,在消除光信号延迟影响的情况下,甲系的时钟量尺既可以用来测量和描述甲系的物理事件,也可以用来测量和描述乙系的物理事件;甲系的t时刻暂停图,既可以画出t时刻的甲系事件,也可以画出t时刻的乙系事件。乙系亦然。交叉学科时空观的上述认识图像,跟牛顿绝对时空观均匀流逝的数学时间和亘古不变的数学空间并非一回事。

2.3再审爱因斯坦同时相对性,混淆发出光信号和接收光信号错定了

面对宇宙万物,观测者在其头脑内部思维世界里建构t时刻宇宙暂停立体图像,使用语言文字把它描述出来,把它画成t时刻暂停图和Δt时间过程图等,以此来反映观测者头脑之外宇宙运动变化的时间性质,这种方法就是科学技术研究中广泛使用的理论思维方法。

爱因斯坦创建相对论时空观时,也曾经使用过类似t时刻暂停图的方法, 例如爱因斯坦使用“火车和闪光”案例介绍同时相对性时画出的火车铁轨简图,就是一种“暂停图”,其中包括多个t时刻同时事件。应该指出,在描述物理事件及其变化过程,或者画出t时刻暂停图和Δt时间过程图时,对于有先有后,发生在不同时刻的“关公故事”和“秦琼故事”,必须在时间上给出明确区分和说明,否则,就可能导致矛盾和争论。

1916年发表的《狭义与广义相对论浅说》一书里,爱因斯坦使用“火车和闪光”案例,解释了他的同时的相对性观点。原文大意如下:

如图2所示,假设有一列很长的火车,以恒速u沿着图所标明的方向在轨道上行驶。在这列火车上旅行的人们可以很方便地把火车当作刚性参考物体(坐标系);他们参照火车来观察一切事件。因而,在铁路线上发生的每一个事件也在火车上某一特定的地点发生。而且完全和相对于路基所作的同时性定义一样,我们也能够相对于火车作出同时性的定义。但是,作为一个自然的推论,下述问题就随之产生:

对于铁路路基来说是同时的两个事件(例如AB两处雷击),对于火车来说是否也是同时的呢?我们将直接证明,回答必然是否定的。

当我们说AB两处雷击相对于路基而言是同时的,我们的意思是:在发生闪电的A处和B处所发出的光,在路基AB这段距离的中点M相遇。但是事件AB也对应于火车上的 A点和B点。令M为在行驶中的火车上AB这段距离的中点。正当雷电闪光发生的时候,点M′自然与点M重合,但是点M以火车的速度u向图中的右方移动。如果坐在火车上M′处的一个观察者并不具有这个速度,那么他就总是停留在M点,雷电闪光AB所发出的光就同时到达他这里,也就是说正好在他所在的地方相遇。可是实际上(相对于铁路路基来考虑)这个观察者正在朝着来自B的光线急速行进,同时他又是在来自A的光线的前方向前行进。因此这个观察者将先看见自B发出的光线,后看见自A发出的光线。所以,把列车当作参考物体的观察者就必然得出这样的结论,即雷电闪光B先于雷电闪光A发生。这样我们就得出以下的重要结果:

对于路基是同时的若干事件,对于火车并不是同时的,反之亦然(同时性的相对性)。每一个参考物体(坐标系)都有它本身的特殊的时间;除非我们讲出关于时间的陈述是相对于哪一个参考物体的,否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义。

针对爱因斯坦给出的上述同时相对性观点,跟交叉学科时空观的宇宙万物共在同时、t时刻暂停图和△t时间过程图等认识图像进行比较研究,就可以发现更多真相,就可以发现爱因斯坦时空观的认识错误。

为了说明问题,在路基上建立地面参照系,简称地面系,地面系与前述甲系情况相同;设地面系观测者可以使用时钟量尺测量确定物理事件的时刻值和坐标值,并表示为txyz);在火车上建立火车参照系,简称火车系,火车系与前述乙系情况相同;设火车系观测者可以使用时钟量尺测量确定物理事件的时刻值和坐标值,并表示为(TXYZ)。

爱因斯坦讨论“火车和闪光”案例时,其原文图2就是一幅“暂停图”。通过该“暂停图”,爱因斯坦给“火车和闪光”案例预设了如下初始条件:地面系和火车系xX轴重合,火车系以u速沿地面系x轴正方向匀速运动;在重合的地面系xoy平面和火车系XOY平面上,存在xX轴上三个位置对齐”和“两组光信号向中点传播”等物理事件

具体说,通过原文图2,爱因斯坦相当于预先假设:当地面系A点的x1坐标,跟火车系A点的X1坐标重合时,地面系B点的x2坐标,跟火车系B点的X2坐标也重合;与此同时,地面系M处观测者的x3坐标,跟火车系M′处观测者的X3坐标也恰好重合;与此同时,地面系和火车系重合的A点遭到雷击并发出了闪光,其中一组光信号向中点M处传播,地面系和火车系重合的B点也遭到雷击并发出闪光,其中一组光信号也向中点M处传播。可以说,如果没有上述“暂停图”、“xX轴上三个位置对齐”和“两组光信号向中点传播”等初始条件,爱因斯坦就无法进行具体讨论,并推理出同时相对性结论。

实际上,根据爱因斯坦讨论火车和闪光案例时预设的初始条件,对该案例中存在的同时事件,地面系观测者和火车系观测者还可以给出如下更详细描述。

地面系观测者使用时钟量尺可以测定,当地面系时钟显示t1时刻值时,在地面系存在如下三个t1时刻的同时事件:(1)地面系A点的x1坐标跟火车系A点的X1坐标重合,该点发生了雷击和发出光信号事件,该事件,可以使用地面系时钟时刻值tx轴坐标值表示为t1x1;(2)地面系B点的x2坐标跟火车系B点的X2坐标也重合,该点也发生了雷击和发出光信号事件,该事件,可以表示为(t1x2;(3)地面系M处观测者的x3坐标跟火车系M′处观测者的X3坐标也恰好重合,对该事件,可以表示为(t1x3)。

根据地面系观测者使用时钟量尺测定的结果,地面系可以画出t1时刻暂停图这样,在地面系t1时刻暂停图上,有三个物理事件,分别是:地面系A点跟火车系A点位置对齐,雷击A点发出光信号,其中有一组光信号向中点M传播,这是第一事件,其时空坐标为t1x1;地面系B点跟火车系B点位置对齐,雷击B点发出光信号,其中有一组光信号向中点M传播,这是第二事件,其时空坐标为(t1x2地面系M处观测者和火车系M′处观测者位置对齐,这是第三事件,其时空坐标为(t1x3,其中x3x1x2连线中点参见图3.1

根据爱因斯坦讨论火车和闪光案例时预设的初始条件,火车系观测者使用时钟量尺可以测定,当火车系时钟显示T1时刻值时,在火车系存在如下三个T1时刻的同时事件:(1)地面系A点的x1坐标跟火车系A点的X1坐标重合,该点发生了雷击和发出光信号事件,对该事件,可以使用火车系时钟时刻值TX轴坐标值表示为T1X1);(2)地面系B点的x2坐标跟火车系B点的X2坐标也重合,该点也发生了雷击和发出光信号事件,对该事件,可以表示为(T1X2);(3)地面系M处观测者的x3坐标跟火车系M处观测者的X3坐标也恰好对齐,对该事件,可以表示为(T1X3)。

根据火车系观测者使用时钟量尺测定的结果,火车系可以画出T1时刻暂停图。这样,在火车系T1时刻暂停图上,有三个物理事件,分别是:地面系A点跟火车系A点位置对齐,雷击A点发出光信号,其中有一组光信号向中点M′传播,这是第一事件,其时空坐标为(T1X1);地面系B点跟火车系B点位置对齐,雷击B点发出光信号,其中有一组光信号向中点M′传播,这是第二事件,其时空坐标为(T1X2);地面系M处观测者和火车系M′处观测者位置对齐,这是第三事件,其时空坐标为(T1X3),其中X3X1X2连线的中点。参见图3.1

然后,火车系观测者使用时仲量尺可以测定,火车M′处观测者向前运动,在火车系时钟显示T2时,M′处观测者(其X轴坐标未变,仍为X3)先看到来自B点的光信号,这是火车系的第四个物理事件,其时空坐标为(T2X3)。据此,火车系可以画出T2时刻暂停图参见图3.2

同理,地面系观测者使用时仲量尺可以测定,火车系M′处观测者向前运动,在地面系时钟显示t2时,火车系M′处观测者在地面系x轴上坐标为x4的地方,先看到来自B点的光信号,这是地面系的第四个物理事件,其时空坐标为(t2x4)。据此,地面系可以画出t2时刻暂停图参见图3.2

然后,地面系观测者使用时仲量尺可以测定,在地面系时钟显示t3时刻值时,来自A点的光信号和来自B点的光信号,同时到达地面系M处观测者(其x轴坐标为x3),同时被看见,这是地面系的第五个物理事件,其时空坐标为(t3x3)。据此,地面系可以画出t3时刻暂停图,参见图3.3

同理,火车系观测者使用时仲量尺可以测定,在火车系时钟显示T3时刻值时,来自A点的光信号和来自B点的光信号,同时到达地面系M处观测者,同时被看见,该点的火车系X轴坐标为X4这是火车系的第五个物理事件,其时空坐标为(T3X4)。据此,火车系可以画出T3时刻暂停图参见图3.3

然后,火车系观测者使用时仲量尺可以测定,火车系M′处观测者向前运动,在火车系时钟显示T4时刻值时,M处观测者被来自A点的光信号追上,看到它,该点的火车系X轴坐标为X3,这是火车系的第六个物理事件,其时空坐标为(T4X3)。据此,火车系可以画出T4时刻暂停图,参见图3.4

同理,地面系观测者使用时仲量尺可以测定,火车系M′处观测者向前运动,在地面系时钟显示t4时刻值时,M′处观测者被来自A点的光信号追上,看到它,该点的地面系x轴坐标为x5,这是地面系的第六个物理事件,其时空坐标为(t4x5)。据此,地面系可以画出t4时刻暂停图,参见图3.4

针对爱因斯坦的火车和闪光案例,根据地面系和火车系观测者使用时钟量尺测定的结果,使用如上所述地面系的四个暂停图或火车系的四个暂停图(也就是使用四个暂停图构成的过程图),就可以对雷击A点发出光信号及其传播,雷击B点发出光信号及其传播,以及地面系M处观测者和火车系M′处观测者看到两组光信号的情况等,给出全面详细的描述。

在上述情况中,地面系观测者面对六个物理事件,地面系观测者可以对六个事件的先后关系给出如上所述的定量描述;火车系观测者也面对六个物理事件,火车系观测者也可以对六个事件的先后关系给出如上所述的定量描述。在这个火车和闪光案例中,合计共有12个物理事件。

而且,对这个火车和闪光案例,地面系还可以给出如下定量描述:在地面系时钟显示t1时,地面系x1A点和x2B点,同时发生了雷击和发出光信号事件;在地面系时钟显示t3时,地面系x3处,也就是地面系M处观测者,同时接收了来自A点的光信号和来自B点的光信号

对这个火车和闪光案例,火车系观测者还可以给出如下定量描述:在火车系时钟显示T1时,火车系X1A点和X2B点,同时发生了雷击和发出光信号事件;在火车系时钟显示T2时,在火车系X3处,也就是火车系M′处观测者,接收了来自B点的光信号;在火车系时钟显示T4时,在火车系X3处,也就是火车系M处观测者,接收了来自A点的光信号。

如上所述,人们对光信号延迟现象获得必要认识后,就可以搞明白,光源发出光信号事件和观测者看到光信号事件,虽然存在密切关系,但是二者并非一回事,二者之间存在光信号延迟过程,所以不能混为一谈。实际上,根据光信号“被看到”的时刻和地点,以及“被看到”的情况,研究光信号“被发出”的时刻和地点,以及“被发出”的情况,获得正确认识和答案,这正是有关的科学研究的任务和价值所在。

爱因斯坦所说的同时的相对性,与光信号延迟存在密切关系;但是,爱因斯坦没说清闪光延迟,没说清光源发出光信号,跟观测者接收光信号的区别和关系,相反,反而进行了混淆而谈,给出了混乱描述。

爱因斯坦说:“火车上M′处的一个观察者……这个观察者将先看见自B发出的光线,后看见自A发出的光线。所以,把列车当作参考物体的观察者就必然得出这样的结论,即雷电闪光B先于雷电闪光A发生。”

爱因斯坦的上述说法,显然是把“观察者看到两个光信号是非同时事件”,跟“两个光源发出光信号是同时事件”混淆而谈了,这显然是错误的。因为火车系M′处观察者先看见自B发出的光线,后看见自A发出的光线,并不能改变如下物理事实:“在火车系时钟显示T1时,火车系X1A点和X2B点同时发生了雷击和发出光信号事件”。

实际上,爱因斯坦应该区分和说明:火车系M′处观察者先看见自B发出的光线,后看见自A发出的光线,这是观测者看到光信号非同时的两个事件;A点和B点同时发生雷击和发出光信号,这是两个光源发出光信号同时的两个事件;前者和后者各有具体的时空坐标,不是一回事,不能彼此代替,必须分别说明。

实际上,就算是爱因斯坦说:“在发生闪电的A处和B处所发出的光,在路基AB这段距离的中点M相遇……对于路基是同时的若干事件”,这种说法,也是把“观测者同时看到光信号的两个事件”,“两个光源同时发出光信号的两个事件”,进行了混淆而谈,给出了混乱描述。因为在地面系,观测者同时看到光信号的两个事件,以及两个光源同时发出光信号的两个事件,仍然是各有时空坐标,不是一回事,不能互相代替,必须分别说明。

如上所述爱因斯坦没说清的内容,就是爱因斯坦时空观的认识空白;爱因斯坦说错的内容,就是爱因斯坦时空观的认识错误。本文使用t时刻暂停图和△t时间过程图研究和描述光信号延迟,对爱因斯坦火车和闪光案例给出的更全面更详细描述等,就是给爱因斯坦时空观填补认识空白,给其纠正认识错误。

应该指出,爱因斯坦使用的火车和闪光案例,是一种只能存在于爱因斯坦头脑内部、相对论假想世界中的认识图像、理论模型。因为在爱因斯坦讲述的火车和闪光案例中,雷击A点产生的闪光信号和雷击B点产生的闪光信号,它们既能穿透火车,进出自如;而且能穿透火车系M′处观测者的身体,以及穿透地面系M处观测者的身体,两个观测者都允许两组光信号各有一部分被留下、自己看,另有一部分光信号穿身而过、给别人看,图3画出了上述理想情况。上述物理景象,是一种远离实际情况的理想化场景,是仅能存在于人头脑内部世界,存在于相对论假想世界的认识图像、理论模型,不能在实际中存在,难以得到实验证实。

在爱因斯坦狭义相对论时空观中,还有另一种同时相对性,那就是根据洛伦兹变换公式推导出的同时相对性公式。这种同时相对性,是把地面系t时刻同时事件假设变换计算成火车系T1T2时刻非同时事件的一种人为约定。跟交叉学科时空观的宇宙万物共在同时相比较,爱因斯坦时空观的两种同时相对性,它们跟宇宙中实际存在的同时关系存在距离和偏差,不是写真描述和最佳描述。

3、再审爱因斯坦光速不变假设,甲系真实光球+乙系假想怪球半对半错

爱因斯坦创建狭义相对论时空观时,提出了如下光速不变假设:在真空中惯性系理想条件下,设甲系时钟和乙系时钟时刻值关系为t=T=0,甲系原点o和乙系原点O重合时,甲系原点o处点光源发出了一个球面光波此后,球面光波在甲系的运动方程为x2+y2+z2=c2t2,在乙系的运动方程为X2+Y2+Z2=c2T2根据上述两个运动方程爱因斯坦给甲、乙系假设推理出了洛伦兹变换和逆变换、动钟变慢、动尺变短、同时相对性和速度值变换关系等数学方程,建立了狭义相对论时空观。参见图4.1所示情况。

再审1:甲系光速不变符合c约定,乙系光速不变违反测速度实验原则

在甲系,爱因斯坦假设:甲系t=0s时,甲系原点处点光源发出的球面光波,在甲系的运动方程为x2+y2+z2=c2t2。这也就是假设,这个球面光波一直以甲系原点为球心,沿半径方向以c速膨胀为球形。这符合计量学和物理学的c约定,也能得到甲系观测者使用时钟量尺测量光速值实验的支持。

然而,在只有一个球面光波时,爱因斯坦针对乙系提出的光速不变假设,就难以得到实验支持了。设甲、乙系相对运动速度值u=0.6c1cs=299792458m,在此情况下,在甲系t=1s时,甲系观测者使用自己的时钟量尺,可测得甲系原点处点光源发出的球面光波,球心一直在甲系原点,此刻,已经是半径r=1cs的球面光波;其中球面光波与x轴左交点为aa点坐标值为x=-1csa点光子跟原点距离值就是半径r=oa=1csa点光子x轴负方向运动速度值v1=r/Δt=oa/Δt=c;球面光波与x轴的右交点为bb点坐标值为x=1csb点光子跟原点距离值就是半径r=ob=1csb点光子向x轴正方向运动速度值v2=r/Δt=ob/Δt=c在甲系,球面光波跟x轴相交的两端点光子速度值关系为v1=r/Δt=oa/Δt=v2=r/Δt= ob/Δt=c,参见图4.1;在上述情况下,在甲系,r=oa=ob,在乙系ΔX1=OaΔX2=ObOa> Ob,ΔX1>ΔX2;爱因斯坦针对乙系提出的光速不变假设要求:球面光波与X轴左交点a点的光子相对乙系的光速值为V1=ΔX1/ΔT=Oa/ΔT=c;球面光波与X轴右交点b点的光子相对乙系的光速值为V2=ΔX2/ΔT=Ob/ΔT=c;在ΔX1>ΔX2Oa> Ob的情况下,爱因斯坦假设在乙系,球面光波跟X轴相交的两端点光子速度值关系为V1=ΔX1/ΔT=Oa/ΔT=V2=ΔX2/ΔT=Ob/ΔT=c这不符合“同等时间距离大速度大距离小速度小”的时钟量尺测量速度值原则;这也就是说,爱因斯坦针对乙系提出的光速不变假设既不符合计量学和物理学的c约定,也难以得到使用时钟量尺测量光速值实验的支持。

实际上也的确如此,爱因斯坦提出光速不变假设100多年来,使用时钟量尺测量光速值的实验对乙系光速不变假设V1=ΔX1/ΔT=Oa/ΔT=V2=ΔX2/ΔT=Ob/ΔT=c提供直接支持的实验,一直没有过、不存在。

再审2:要求甲、乙系光速不变假设共同成立,违反数学球定义

爱因斯坦光速不变假设要求:甲、乙系时钟时刻值关系为t=T=0,甲系原点o和乙系原点O重合时,甲系原点o处点光源发出的球面光波,在甲系的运动方程为x2+y2+z2=c2t2,在乙系的运动方程为X2+Y2+Z2=c2T2

从数学物理视角说:在甲系,数学方程x2+y2+z2=c2t2描述的球面光波,是球心一直在甲系原点o,径向c速膨胀球的物理光球。该物理光球的特征是:1球面光波甲系yoz平面相交点构成一个圆环,其数学方程为y2+z2=c2t2该圆环是平行yoz平面方向、球面光波上最大的圆环,参见图4.1右下侧图上蓝色圆盘的外边线2)球面光波跟甲系xoy平面相交点构成一个圆环,其数学方程为x2+y2=c2t2,该圆环是平行xoy平面方向、球面光波上最大的圆环,参见图4.1右下侧图上紫色圆盘的外边线;(3)球面光波跟甲系xoz平面相交点构成一个圆环,其数学方程为x2+z2=c2t2,该圆环是平行xoz平面方向、球面光波上最大的圆环,参见图4.1右下侧图上绿色圆盘的外边线

从数学物理视角说:在乙系,数学方程X2+Y2+Z2=c2T2描述的球面光波,是球心一直在乙系原点O,径向c速膨胀球的物理光球。该物理光球的特征是:1球面光波跟乙系YOZ平面相交点构成一个圆环,其数学方程为Y2+Z2=c2T2,该圆环平行YOZ平面方向、球面光波上最大的圆环,参见图4.1右下侧图上蓝色圆盘的外边线;(2)球面光波跟乙系XOY平面相交点构成一个圆环,其数学方程为X2+Y2=c2T2,该圆环是平行XOY平面方向、球面光波上最大的圆环,参见图4.1右下侧图上紫色圆盘的外边线;(3)球面光波跟乙系XOZ平面相交点构成一个圆环,其数学方程为X2+Z2=c2T2,该圆环是平行XOZ平面方向、球面光波上最大的圆环,参见图4.1右下侧图上绿色圆盘的外边线。

然而,在只有一个球面光波的情况下,球面光波跟甲系yoz平面相交点构成的圆环,是平行yoz平面方向、球面光波上最大的圆环,球面光波跟乙系YOZ平面相交点构成的圆环,也是平行YOZ平面方向、球面光波上最大的圆环,两个最大圆环相距Δx=ut或ΔX=uT,这就是要求在同一个物理光球上,平行甲系yoz平面和乙系YOZ平面方向上,并肩而立地存在两个最大圆环,两个最大圆环的距离值Δx=ut或ΔX=uT还会不断增大,参见图4.2右下侧双球六环图,光速不变假设的这种要求,显然是违反球的数学定义的。按照球的数学定义,在同一个物理光球上,在平行甲系yoz平面和乙系YOZ平面方向上,只有一个最大圆环。

再审3:若有两个光球可支持甲系乙系光速不变假设,但是背离初衷

在甲、乙系时钟时刻值关系为t=T=0,甲系原点o和乙系原点O重合时,甲系原点o处点光源发出的球面光波,如果它不是一个球面光波,而是两个球面光波;其中一个球面光波的球心一直在甲系原点o;另一个球面光波的球心一直在乙系原点O,参见图4.2;那么在此条件下,爱因斯坦光速不变假设在甲系的运动方程为x2+y2+z2=c2t2和在乙系的运动方程为X2+Y2+Z2=c2T2,它们可以共同成立,并能消除两个矛盾。

具体说,如前所述的两个矛盾:(1)在甲系,球面光波跟x轴相交的两端点光子速度值为v1=r/Δt=oa/Δt=v2=r/Δt= ob/Δt=c在乙系,球面光波跟X轴相交的两端点光子速度值关系为V1=ΔX1/ΔT=Oa/ΔT=V2=ΔX2/ΔT=Ob/ΔT=c,它们不符合时钟量尺测量速度值的原则;(2)在同一个物理光球上,在平行甲系yoz平面和乙系YOZ平面方向上,并肩而立地存在两个最大圆环,两个最大圆环的距离值Δx=ut或ΔX=uT还会不断增大,它们违反球的数学定义;在甲、乙系各有一个独立的球面光波、物理光球的情况下,上述两个矛盾都可以消除,参见图4.2

但是,对于甲、乙系时钟时刻值关系为t=T=0,甲系原点o和乙系原点O重合时,甲系原点o处点光源发出的一个球面光波,让它一分为二,变成两个独立的球面光波,这显然是违反爱因斯坦光速不变假设初衷的。而且如果真有如此分裂,那狭义相对论时空观一系列数学方程的物理意义,就都需要重新诠释了。

再审4:爱因斯坦光速不变假设,跟甲系时钟量尺测光速值结果相矛盾

在甲系,观测者使用甲系时钟量尺,可测得如下结果:t=1s甲系原点o和乙系原点O的距离值为Δx=oO,甲系乙系的相对速度值为u=Δx/Δt=oO/Δt=0.6c;球面光波x轴相交的两端点光子速度值为v1=r/Δt=oa/Δt=cv2=r/Δt= ob/Δt=c

甲系,观测者还可以使用甲系的时钟量尺,测量跟x轴相交的两端点光子,相对乙系的光速值:其中球面光波跟x轴左交点的光子,相对乙系向x轴负方向运动的光速值为V1(甲系测量)=Δx1/Δt=Oa/Δt=r+oO/Δt=c+u球面光波跟x轴右交点的光子,相对乙系向x轴正方向运动的光速值为V2(甲系测量)=Δx2/Δt=Ob/Δt=r-oO/Δt=c-u

在乙系,爱因斯坦提出的光速不变假设要求:球面光波跟X轴左交点的光子,相对乙系向X轴负方向运动的光速值为V1(乙系假设)=Oa/ΔT=c,球面光波跟X轴右交点的光子,相对乙系向X轴正方向运动的光速值为V2(乙系假设)=Ob/ΔT=c

显而易见,爱因斯坦提出的光速不变假设在乙系的要求:V1(乙系假设)=Oa/ΔT=cV2(乙系假设)=Ob/ΔT=c,跟甲系观测者使用甲系时钟量尺测到的光速值V1(甲系测量)= c+uV2(甲系测量)=c-u相互矛盾。应该指出,在甲系使用甲系时钟量尺测量和描述乙系的光运动,并非新鲜事,在天文学上,在地球上谈论的宇宙中星球运动和光速值等,都是基于地球参照系的时钟量尺进行和描述的,而不是基于根本不存在的“宇宙星球参照系时钟量尺”而进行和描述的。

再审5:使用洛伦兹变换,甲系圆球光波变形为乙系椭球光波

在狭义相对论时空观中,根据光速不变假设在甲系的数学方程x2+y2+z2=c2t2在乙系的数学方程X2+Y2+Z2=c2T2爱因斯坦假设推理出了洛伦兹变换和逆变换。那么,使用洛伦兹变换,把甲系数学方程x2+y2+z2=c2t2描述的真实光球假设变换计算到乙系,结果会如何呢?

为讨论问题方便,设u=0.6cγ=1/=1.25, 1cs=299792458m,在此情况下,甲系t=1s时球面光波使用洛伦兹变换,假设变换计算到乙系,结果如下

甲系t=1s时球面光波跟y轴的上相交点时空坐标为(1s01cs0),使用洛伦兹变换把它假设变换计算到乙系,T=γ(t-ux/c2=1.251-0=1.25sX=γ(x-ut=1.25(0-ut)=-0.75csY=y=ct=299792458m/s×1s=1csZ=z=0;即在乙系会变为1.25s-0.75cs1cs0;甲系t=1s时球面光波跟y轴的下相交点时空坐标为(1s0-1cs0),使用洛伦兹变换把它假设变换计算到乙系,会变为(1.25s-0.75cs-1cs0)。

甲系t=1s时球面光波跟z轴的前相交点时空坐标为(1s001cs),使用洛伦兹变换把它假设变换计算到乙系,T=γ(t-ux/c2=1.251-0=1.25sX=γ(x-ut=1.25(0-ut)=-0.75csY=y=0Z=z=ct=299792458m/s×1s=1cs,即在乙系会变为(1.25s-0.75cs01cs);甲系t=1s时球面光波跟z轴的后相交点时空坐标为(1s00-1cs),使用洛伦兹变换把它假设变换计算到乙系,会变为(1.25s-0.75cs0-1cs)。

甲系t=1s时球面光波x轴的左相交点时空坐标为(1s-1cs00),使用洛伦兹变换把它假设变换计算到乙系,T=γt-ux/c2=1.251+0.6=2sX=γ(x-ut=1.25(-ct-ut)=-2csY=y=0Z=z=0,即在乙系会变为(2s-2cs00甲系t=1s时球面光波跟x轴的右相交点时空坐标为(1s1cs00),使用洛伦兹变换把它假设变换计算到乙系,T=γ(t-ux/c2=1.251-0.6=0.5sX=γ(x-ut=1.25(ct-ut)=0.5csY=y=0Z=z=0,即在乙系会变为(0.5s0.5cs00

甲系t=1s时球面光波的球心时空坐标为(1s000),使用洛伦兹变换把它假设变换计算到乙系,T=γ(t-ux/c2=1.25×1=1.25sX=γ(x-ut=1.25(0-ut)=-1.25×0.6cs=-0.75csY=y=0Z=z=0,即在乙系会变为1.25s-0.75cs00

对应甲系t=1s时的球面光波,乙系原点在甲系的时空坐标为(1s0.6cs00),使用洛伦兹变换把它假设变换计算到乙系,T=γ(t-ux/c2=1.25×(1-u2=0.8sX=γ(x-ut=1.25(0.6c×1s- 0.6c×1s)=0Y=y=0Z=z=0,即在乙系会变为0.8000)。

上述变换结果表明,使用洛伦兹变换,把甲系t=1s时的物理球面光波假设变换计算到乙系,结果不是一个球面光波,而是一个椭球光波。该椭球光波Y轴上短半轴ΔY=1cs该椭球光波在Z轴上短半轴ΔZ=1cs,该椭球光波在X轴上长半轴ΔX=1.25cs。这个椭球光波,其几何形状中心在乙系的空坐标为(1.25s-0.75cs00),这是乙系时刻值T=1.25s时甲系原点在乙系的位置,而不是在乙系原点(0.8000)的位置。参见图4.3

如上所述,甲系t=1s时球面光波使用洛伦兹变换,假设变换计算到乙系,在乙系产生一个椭球光波;该椭球光波Y轴上的短轴,跟甲系t=1s时球面光波y轴上直径重合;该椭球光波Z轴上的短轴,跟甲系t=1s时球面光波的z轴上直径重合;该椭球光波X轴上的长轴,比甲系t=1s时球面光波的x轴上直径略长一些;在甲系,t=1s时球面光波在x轴上直径长度值为Δx=2cs,在乙系,通过洛伦兹变换产生的椭球光波,X轴上长轴的长度值为ΔX=2.5cs;因此,乙系的椭球光波,能把甲系t=1s时的球面光波给包裹起来,相当于球面光波在里面,椭球光波在外面。把上述情况画出来,就是图4.3

在上述情况中,甲系t=1s球面光波上每一个点的时空坐标txyz,其t都相等为t=1sxyz则是各有具体量值;具体说,t=1s1csx01csy01csz0球面光波上任意点的时空坐标(1sxyz它们联合遵守甲系数学方程x2+y2+z2=c2t2在乙系,通过洛伦兹变换产生的椭球光波上,椭球面上每一个点的时空坐标TXYZ,都是各有具体量值;具体说, 2sT0.5s2csX0.5cs1csY01csZ0椭球面上任意点的时空坐标(TXYZ)它们联合遵守乙系数学方程X2+Y2+Z2=c2T2

应该强调,在上述情况中,首先,在乙系,标准的球数学方程X2+Y2+Z2=c2T2,它描述的内容已经不是球,而是椭球,这是数学和逻辑难题。其次,使用洛伦兹变换在乙系产生的椭球光波,椭球面上每一个点(TXYZ)T都有不同取值,从实验测量角度讲,这是在乙系时钟显示0.5-2s区间,进行无数次实验测量才能有的结果;这相当于在乙系0.5-2s区间无数个T时刻暂停图上,按需割取零件,拼凑成了4.3所示的椭球光波;所以,图4.3所示的椭球光波,它只能是使用洛伦兹变换,进行假设变换计算的结果,它难以成为实验测量结果,难以得到实验测量结果的支持。

再审6:光速不变假设给国际单位制的秒和米,制造混乱关系

在甲系,使用洛伦兹变换,把甲系国际单位制Δt=1s假设变换计算到乙系,ΔT=T-0=γ(t-ux/c2=1.25(1-0.6c×0/c2 )=1.25s即甲系国际单位制的时间单位Δt=1s,以洛伦兹变换为桥梁,在乙系变成了ΔT=1.25s使用洛伦兹变换,把甲系国际单位制Δt=0.8s时间值假设变换计算到乙系,ΔT=T-0=γ(t-ux/c2=1.25(0.8-0.6c×0/c2 )=1s,即甲系国际单位制的Δt=0.8s,以洛伦兹变换为桥梁,可以在乙系变成ΔT=1s

在甲系,使用洛伦兹变换,xX轴方向,把甲系国际单位制Δx=1m假设变换计算到乙系,ΔX=X-0=γ(x-ut=1.25(1-0.6c×1/299792458s)=0.5m,即在xX轴方向上,甲系国际单位制的长度单位Δx=1m,以洛伦兹变换为桥梁,在乙系变成了ΔX=0.5m使用洛伦兹变换,把甲系国际单位制Δx=2m假设变换计算到乙系,ΔX=X-0=γ(x-ut=1.25(1-0.6c×2×1/299792458s)=1m,即在xX轴方向上,甲系国际单位制的长度单位Δx=2m,以洛伦兹变换为桥梁,在乙系变成了ΔX=1m;使用洛伦兹变换,在y轴和z轴方向,把甲系国际单位制Δy=1m和Δz=1m假设变换计算到乙系,结果为ΔY=1m和ΔZ=1m,即在y轴和z轴方向,甲系国际单位制的长度单位米,跟乙系国际单位制的长度单位米,完全相同。

在乙系,使用洛伦兹逆变换,把乙系国际单位制ΔT=1s假设变换计算到甲系,Δt=t-0=γ(T+uX/c2=1.25(1-0.6c×0/c2 )=1.25s,即乙系国际单位制的时间单位ΔT=1s,以洛伦兹逆变换为桥梁,在甲系变成了Δt=1.25s;使用洛伦兹逆变换,把乙系国际单位制ΔT=0.8s时间值假设变换计算到甲系,Δt=t-0=γ(T+uX/c2=1.25(0.8-0.6c×0/c2 )=1s,即乙系国际单位制的ΔT=0.8s,以洛伦兹逆变换为桥梁,可以在甲系变成Δt=1s

在乙系,使用洛伦兹逆变换,xX轴方向,把乙系国际单位制ΔX=1m假设变换计算到甲系,Δx= 0-x=-γ(X+uT=-1.25(-1+0.6c×1/299792458s)=0.5m,即在xX轴方向上,乙系国际单位制的长度单位ΔX=1m,以洛伦兹逆变换为桥梁,在甲系变成了Δx=0.5m使用洛伦兹逆变换,xX轴方向,把乙系国际单位制ΔX=2m假设变换计算到甲系,Δx= 0-x=-γ(X+uT=-1.25(-1+0.6c×2×1/299792458s)=1m,即在xX轴方向上,乙系国际单位制的长度单位ΔX=2m,以洛伦兹逆变换为桥梁,在甲系变成了Δx=1m;使用洛伦兹逆变换,在Y轴和Z轴方向,把乙系国际单位制ΔY=1m和ΔZ=1m假设变换计算到甲系,结果为Δy=1m和Δz=1m,即在Y轴和Z轴方向,乙系国际单位制的长度单位米,跟甲系国际单位制的长度单位米,完全相同。

那么,当甲系的国际单位制时间单位秒和长度单位米,跟乙系的国际单位制时间单位秒和长度单位米,二者存在如上所述复杂变换关系、混乱不堪关系时,把甲系光速值c(甲系)=299792458m(甲系长度单位)/s(甲系时间单位)跟乙系光速值c(乙系)=299792458m(乙系长度单位)/s(乙系时间单位)进行比较,两个光速值的数字相等299792458=299792458可以是毫无疑问的;但是,1s(甲系时间单位)和1 s(乙系时间单位),二者是等长的时间过程吗?1m(甲系长度单位)和1m (乙系长度单位),二者是等长的间隔距离吗?

甲系光速值c(甲系)=299792458m(甲系长度单位)/s(甲系时间单位)和乙系光速值c(乙系)=299792458m(乙系长度单位)/s(乙系时间单位),二者仅仅是数字相等299792458=299792458,这就能决定c(甲系)和c(乙系)的计量学意义和物理意义也完全相同吗?这是一个值得研究的问题。

再审7:光速不变假设,误导国际单位制的米定义和c约定

因为爱因斯坦相对论时空观和光速不变假设,及其产生方法,已经对物理学和科学技术都产生了广泛影响,所以,它们对国际单位制的米定义和c约定,已经产生了误导作用。

根据计量学国际单位制的米定义:光在真空中1/299792458内所经过路程的长度定义为1设如图4.1所示,假设提供国际单位制“1米”的特定装置,静止在甲系,特定装置中提供特定光的光源发光点,就在甲系原点o设甲、乙系时钟时刻值为t=T=0甲系乙系原点重合时,处在甲系提供国际单位制“1米”特定装置的光源在甲系原点o处,向x轴正方向发出了一束光此刻,特定装置的光源发光点、甲系原点和乙系原点,它们重合在同一点,该点就是米定义起点;在特定装置的时钟经过1/299792458秒时,特定光到达x轴上b点,这个b点就是甲系乙系共同的米定义终点;在甲系ob甲系国际单位制的长度单位1m;在乙系Ob也可以成为乙系国际单位制的长度单位1m;在图4.1上可以看到,由ob构成的甲系国际单位制的长度单位1m,长于Ob构成的乙系国际单位制的长度单位1m按照c约定,特定光在甲系走过距离值ob过程中,特定光相对甲系的光速值为c;同样按照c约定,特定光在乙系走过距离值Ob过程中,特定光相对乙系的光速值也为c

在上述情况中,ob构成的甲系国际单位制长度单位“1米”是一个特定的、稳定的长度;基于这个特定的、稳定的长度给甲系约定的光速值c也具有稳定性和准确性但是,在乙系,Ob构成的乙系国际单位制长度单位“1米”与速度值u有关系,u的量值越大,乙系“1米”的长度就越短,在此情况下,由Ob构成的乙系国际单位制长度单位“1米”缺乏稳定性和准确性;基于这个缺乏稳定性和准确性的乙系国际单位制长度单位“1米”给乙系约定的光速值c,也缺乏稳定性和准确性。

设如图4.1所示,假设提供国际单位制“1米”的特定装置,静止在甲系,特定装置中提供特定光的光源发光点,就在甲系原点o。设甲、乙系时钟时刻值为t=T=0,甲系乙系原点重合时,处在甲系提供国际单位制“1米”特定装置的光源在甲系原点o处,向x轴负方向发出了一束光,此刻,特定装置的光源发光点、甲系原点和乙系原点,它们重合在同一点,该点就是米定义起点;在特定装置的时钟经过1/299792458秒时,特定光到达x轴上a点,这个a点就是甲系乙系共同的米定义终点;在甲系,oa是甲系国际单位制的长度单位1m;在乙系,Oa是乙系国际单位制的长度单位1m;在图4.1上可以看到,由oa构成的甲系国际单位制的长度单位1m,短于Oa构成的乙系国际单位制的长度单位1m;按照c约定,特定光在甲系走过距离值oa过程中,特定光相对甲系的光速值为c;按照c约定,特定光在乙系走过距离值Oa过程中,特定光相对乙系的光速值也为c

在上述情况中,由oa构成的甲系国际单位制长度单位“1米”是一个特定的、稳定的长度;基于这个特定的、稳定的长度给甲系约定的光速值c也具有稳定性和准确性。但是,在乙系,由Oa构成的乙系国际单位制长度单位“1米”与速度值u有关系,u的量值越大,乙系“1米”的长度就越长,在此情况下,由Oa构成的乙系国际单位制长度单位“1米”缺乏稳定性和准确性;基于这个缺乏稳定性和准确性的乙系国际单位制长度单位“1米”给乙系约定的光速值c,也缺乏稳定性和准确性

计量学的宗旨之一,就是为各学科提供定量描述方法,统一计量单位保证量值准确支撑技术应用。如上所述,受到爱因斯坦相对论时空观和光速不变假设,及其产生方法等影响的乙系国际单位制米定义和c约定,均缺乏稳定性和准确性,具有不确定性,这显然是背离了计量学“保证量值准确”的宗旨。

再审8:爱因斯坦光速不变假设,在乙系一直没有直接的实验证据

如前所述,爱因斯坦给乙系提出的光速不变假设X2+Y2+Z2=c2T2,制造了许多困难:只有一个球面光波时,光速不变假设的乙系数学方程难以获得实验支持,难以实现数学意义;存在两个球面光波时,违反光速不变假设的初衷;甲系的球面光波,以洛伦兹变换为桥梁,假设变换计算到乙系是一个椭球光波;光速不变假设的乙系数学方程跟计量学的测速度原则存在不协调性;光速不变假设给国际单位制的米和秒制造了麻烦,误导米定义和c约定背离计量学宗旨。

在张元仲所著《狭义相对论实验基础》一书的序言中,胡宁院士明确指出:“初次学习狭义相对论的人,往往误认为迈克尔逊(Michelson)实验或‘光速不变性’是狭义相对论的实验基础,但是,在相对论出现以前,斐兹杰惹(Fitzgerald)和洛伦兹(Lorentz)已经在以太论的基础上对迈克尔逊实验的结果给出了解释。因此,迈克尔逊实验的零结果既可用以太论来解释,也可用相对论来解释,也就是说,它既不否定光速不变,也不肯定光速不变。所以,企图用迈克尔逊类型的实验来进一步更准确地验证光速不变将是没有意义的。事实上,‘光速不变原理’是爱因斯坦在那些企图寻找‘光以太’的实验所显示的否定结果启发下,为了解决电磁现象与经典力学理论之间的矛盾而提出的一个新的科学假设,并进而从这个假设和相对性原理出发建立了狭义相对论。很显然,‘光速不变原理’在它最初被提出时只是一个假设,而不是迈克尔逊实验的结论。”

事实表明,爱因斯坦时空观诞生100多年来,一方面,针对爱因斯坦给甲系提出的光速不变假设x2+y2+z2=c2t2,的确有大量实验证据;但是,另一方面,针对爱因斯坦给乙系提出的光速不变假设X2+Y2+Z2=c2T2,一直没有直接的实验证据。

实际上,恰如宋文淼阴和俊张晓娟在《实物与暗物的数理逻辑》中所说的那样:“对于只了解相对论表象的人,永远不可能想通这一问题:狭义相对论从来没有给过人们任何一个真实的世界,它只是一个假想,你用真实世界发生的事去检验它当然是毫无意义的(第六章‘相对论’126页)。”“目前进行的光的质量测量,光速测量等等,除了能够证明相对论的逻辑前提本来就只是一种没有物理根据的假设以外,实际上也得不到任何其他什么真正有物理意义的东西(第六章‘相对论’134页)。”“用一个常数c(抑或用任何其他的常数)简单地把时间和空间联系起来,组成一个简单的四维几何,就一定可以得到描述整个物理世界的正确规律,这在现在看来好像只是一种过于简单、幼稚的想法(“前言”Ⅴ页)。”“总之,现在到了应该抛弃相对论这个以时空关系代替真实物质运动规律的物理框架的时候了(第七章‘科学的未来是什么?’148页)。” 

所以,爱因斯坦的光速不变假设需要螺旋式进步升级和突破性发展完善。可以预言,伴随爱因斯坦的光速不变假设螺旋式进步升级、发展完善,电磁学的麦克斯韦方程组也可以一同螺旋式进步升级和突破性发展完善。

再审9:爱因斯坦的u假设和c假设,需要六人六钟六尺测速度

从计量学测量速度值实验角度说,爱因斯坦创建狭义相对论时空观时,分别给出了u假设和c假设

针对甲系乙系互相测量对方速度值,爱因斯坦相当于假设:甲系使用自己的时钟量尺,测定乙系沿甲系x轴正方向运动速度值为u1=x/t乙系使用自己的时钟量尺,测定甲系沿乙系X轴负方向运动速度值为u2=X/Tu1u2的关系为u1=u2=u,这就是u假设。

在实验上,xX轴方向上,要想测得u1=x/t,甲系在x轴上至少需要有两个观测者甲1和甲2各持时钟量尺,分别位于测速起点和测速终点,测量获得乙系原点的△x=x2-x1t=t2-t1然后计算获得u1=x/t。同理,在xX轴方向上,要想测得u2=X/T,乙系在X轴上至少也需要有两个观测者乙1和乙2各持时钟量尺,分别位于测速起点和测速终点,测得甲系原点的△X=X2-X1,△T=T2-T1,然后计算获得u2=X/T至于能否在实验上获得u1=u2=u,这需要由测量实验结果来决定参见图4.4

针对甲系乙系共同测量同一光运动的光速值,爱因斯坦相当于假设:甲系使用自己的时钟量尺,测定甲系原点处点光源发出的球面光波上,任意点的光速值v=r/t;乙系使用自己的时钟量尺,测定甲系原点处点光源发出的球面光波上,任意点的光速值V=R/TvV的关系为v=V=c,这就是c假设。

在实验上,在甲系任意时刻和位置(txyz),要想测得v=r/t在甲系任意位置还需要有甲3观测者持时钟量尺,需要甲1和甲3合作,分别位于测光速起点和终点,测量球面光波上任意光子从测速起点到任意点的运动时间值△t=t2-t1,运动距离值也就是半径r=r(xyz),然后计算获得v=r/t在乙系任意时刻和位置(TXYZ),要想测得V=R/T,在乙系任意位置还需要有乙3观测者持时钟量尺,需要乙1和乙3合作,分别位于测光速起点和终点,测量球面光波上任意光子从测速起点到任意点的运动时间值△T=T2-T1,运动距离值也就是半径R=R(XYZ),然后计算获得V=R/T;至于能否有v=V=c,在实验上获得v=V=c,这需要由测量实验结果来决定。参见图4.4

在以往,爱因斯坦时空观一直是在甲系利用已有实验测量结果,使用相对性原理假设和洛伦兹变换,给甲、乙系推理论证u假设和c假设。

具体说,首先,根据甲系已有的实验测量结果u1=x/t,根据相对性原理假设,推论乙系的u2=X/T,并假设论证 u1=u2=u,缺乏直接的测量实验。其次,根据甲系的计量学和物理学c约定,以及测量光速值的实验结果v=r/t=c使用洛伦兹变换给乙系假设变换计算出V=R/T=c或者直接使用光速不变假设,根据甲系实验结果v=r/t=c,直接假设乙系的V=R/T=c,以及v=V=c,一直缺乏乙系直接测光速实验结果为V=R/T=c的实验证据。也正是因为如此,对于六人六钟六尺测速度uc,这是狭义相对论时空观u假设和c假设的实验基础,爱因斯坦时空观一直缺乏必要的认识。

再审10:甲系c速膨胀的光球,在乙系是c速膨胀但球心移动的光球

设甲系时钟和乙系时钟时刻值关系为t=T=0,甲系原点o和乙系原点O重合时,甲系原点o处点光源发出了一个球面光波;针对上述情况,爱因斯坦提出了光速不变假设:球面光波在甲系的运动方程为x2+y2+z2=c2t2,在乙系的运动方程为X2+Y2+Z2=c2T2;针对上述情况,甲、乙系观测者分别使用自己的时钟量尺测量光速值,例如进行六人六钟六尺测速度实验,也可以获得不同于爱因斯坦光速不变假设的另一种结果。

设在甲系,甲系观测者使用自己的时钟量尺测量光速值,测得如下结果:甲系原点处点光源发出的球面光波,一直以甲系原点为球心,沿半径方向以c速膨胀为球形,该球面光波在甲系的运动方程为x2+y2+z2=c2t2;这样的结果,完全符合物理学和计量学c约定,可以成为甲系观测者使用时钟量尺测量光速值的实验结果。

设在乙系,乙系观测者使用自己的时钟量尺测量光速值,测得如下结果:甲系原点处点光源发出的球面光波,一直以甲系原点为球心,沿半径方向以c速膨胀为球形,但是该球面光波的球心在xX轴上向左u速移动,即以c速沿半径方向膨胀的球面光波,在xX轴上向左u速整体移动,该球面光波在乙系的数学方程为(X + uT2+Y2+Z2=c2T2

根据以上针对爱因斯坦光速不变假设进行的10个再审查,简而言之,爱因斯坦光速不变假设在甲系符合物理学和计量学c约定,可以成为甲系观测者使用时钟量尺测量光速值的实验结果;但是,爱因斯坦光速不变假设在乙系却是在实验、数学、逻辑和计量学等方面都存在困难,需要螺旋式进步发展、提高升级。

4、对爱因斯坦动钟变慢再审查,它仅能在人脑中相对论假想世界里全面成立

100多年争论过程中,爱因斯坦相对论时空观的维护者曾经设计和进行过很多实验,来证明爱因斯坦相对论时空观是正确的。但是,对于一些实验结果,维护者给出的解读,存在牵强附会的情况。例如在以往,飞机运载原子钟环球飞行实验和GPS校对天上卫星时钟案例等,都被说成是爱因斯坦时空观动钟变慢效应(运动时间延缓效应)和引力红移效应的实验证据。

然而,进行比较研究,就可以发现,爱因斯坦的正宗动钟变慢,是“相对运动者都说对方参照系时钟变慢”,是相对性结论。进行比较研究就可以发现:飞机运载原子钟环球飞行实验和GPS校对天上卫星时钟案例等,实验结果都是相对运动的两个时钟一个时钟快另一个时钟慢的绝对性结果,根本不存在“相对运动者都说对方参照系时钟变慢”的相对性结果。

使用相对论时空观对上述实验进行解释时,也不是使用正宗的动钟变慢,即“相对运动者都说对方参照系时钟变慢”的动钟变慢公式,根据地面时钟和天上时钟的相对运动速度值,进行计算和解释;而是根据地面时钟和天上时钟都相对地心参照系做绝对转动,地面时钟绝对转动速度值小,变慢程度小,天上时钟绝对转动速度值大,变慢程度大,再加上地面和天上的引力影响有差别,根据上述两种差别,计算和解释了实验结果。

再例如在GPS中,导致原子钟走快或走慢的影响因素,包括内因和外因两部分;内因包括原子钟自身原子频标的稳定性,时间偏差、频率偏差、频率漂移、工作电压稳定性、元件老化影响等,这是导致原子钟走快或走慢的内部因素;外因包括原子钟工作环境中的温度、湿度、压强、振动、辐射、磁力、电力、引力等因素的作用等,这是导致原子钟走快或走慢的外部因素;GPS中对上述内因和外因进行了综合的把控和校正,其中的相对论因素,运动效应和引力效应,跟其它影响因素具有同等程度的影响,在有些情况下甚至超过相对论因素的影响。

所以,严格地说,飞机运载原子钟环球飞行实验和GPS校对天上卫星时钟案例等,它们的两个时钟一个时钟快另一个时钟慢这种绝对性结果,实际上是否定了“相对运动者都说对方参照系时钟变慢”这种相对性结论,也就是否定了正宗的动钟变慢效应。所以,飞机运载原子钟环球飞行实验和GPS校对天上卫星时钟案例等,根本不能成为爱因斯坦正宗动钟变慢的实验证据。

爱因斯坦的正宗动钟变慢,即“相对运动者都说对方参照系时钟变慢”这种相对性结论,从未有过名副其实的实验证据。另一些所谓的实验证据,大气中运动μ介子寿命实验,加速器中带电粒子实验等,也都是绝对性结果,没有“相对运动者都说对方参照系时钟变慢”这种相对性实验结果。实际上,介子寿命和加速器等实验,都发生在电磁环境中,无法排除电磁力对粒子衰变的动力学影响。实验中所谓的“时间膨胀”只是对表面现象的理论诠释,而非对微观本质的观测发现。

爱因斯坦的相对论时空观,起源于头脑假设想象,是一种人头脑里的认识图像、理论模型,它的有些内容,例如相对性的动钟变慢,乙系数学方程要求的光速不变图像,可能永远都只能存在于人头脑内部的相对论假想世界中,无法成为人头脑之外的物理事实。

应该指出,相对静止或相对运动的两时钟,它们能否成为同步时钟,是由时钟的内因和外因共同决定的。

以原子钟为例,概括地说,现代科技制造的原子钟,是由基准系统、动力系统、传动系统和显时系统等子系统联合构成的,是开放复杂的动力学系统。原子钟显示的时间值,是动力学系统运动的一部分内容。原子钟显示的时间值,其走快或走慢的影响因素,主要包括内因和外因两部分。

内因包括:原子钟自身原子频标的稳定性,时间偏差、频率偏差、频率漂移、工作电压稳定性、元件老化影响等,这是导致原子钟走快或走慢的内部因素。外因包括:原子钟工作环境中的温度、湿度、压强、振动、辐射、磁力、电力、引力等因素的作用等,这是导致原子钟走快或走慢的外部因素。参见图5.1所示情况。

上述内因和外因可以影响原子钟走快或走慢,这是原子钟作为动力学系统遵守能量守恒定律的必然结果。

根据系统学原理,根据计量学实验和实践等,进行交叉学科研究,就可以知道,在惯性系理想条件下,内部结构相同,均不受外力作用,相对静止或相对匀速直线运动的两个时钟,以穿过两时钟连线中点且垂直连线的平面为对称面,具有镜面对称关系,这样的两时钟是同步时钟,它们显示的时间值可以一直相等。如上所述两个同步时钟受到不同外界作用时,两个同步时钟会变成不同步时钟,它们显示的时间值会变成快慢不同。在上述情况下,静止的时钟变慢或变快,运动的时钟变慢或变快,都可以发生。对上述内容,可称之为时钟显示时间值规律。参见图5.2所示情况。

根据时钟显示时间值规律,可以说,在惯性系理想情况下,甲系乙系具有对应关系的两时钟,例如甲系a时钟和乙系A时钟,甲系b时钟和乙系B时钟,甲系c时钟和乙系C时钟,甲系d时钟和乙系D时钟,它们相对穿过两时钟连线中点且垂直连线的平面,具有镜面对称关系,在此情况下,甲系a时钟b时钟c时钟d时钟,跟乙系A时钟B时钟C时钟D时钟,它们是同步时钟,它们在t时刻暂停图上,或在T时刻暂停图上,显示相同时刻值,这就是变化进程同步,所确定的同时关系。

与原子钟的情况相似,目前人们使用的、作为现代科技产品的光学尺,也是开放复杂的动力学系统,光学尺显示的长度值,也是动力学系统运动的一部分内容。

根据系统学原理,根据计量学实验和实践等,进行交叉学科研究,就可以知道,在惯性系理想条件下,内部结构相同,均不受外力作用,相对静止或匀速直线运动的两个量尺,以穿过两量尺连线中点且垂直连线的平面为对称面,具有镜面对称关系,这样的两量尺是同长量尺,它们显示的长度值可以一直相等。如上所述两个同长量尺受到不同外界作用时,两个同长量尺会变成不同长量尺,它们显示的长度值会变成长短不同。在上述情况下,静止的量尺变短或变长,运动的量尺变短或变长,都可以发生。对上述内容,可称之为量尺显示长度值规律。

进行对比研究,就可以发现, 牛顿绝对时空观,在时间上,它相当于假设甲系时间单位1秒跟乙系时间单位1秒可以永远相同,甲系时钟和乙系时钟可以永远是同步时钟,一直显示相同时刻值t=T。甲系时间和乙系时间一直均匀地流失,是一种理想的、数学的时间,与其他事物的相对运动或相互作用无关

牛顿绝对时空观,在空间上,它相当于假设甲系长度单位1米跟乙系长度单位1米可以永远相同,甲系量尺和乙系量尺可以永远是同长量尺,甲系直角坐标系和乙系直角坐标系描述的空间处处均匀,亘古不变,是一种理想的、数学的空间,与其他事物的相对运动或相互作用无关。

5、两系测光实验简介

立足交叉学科时空观的特色和优势,可以在两系测光这种爱因斯坦时空观的诞生场景,设计和进行两系测光实验,对爱因斯坦时空观的同时相对性和光速不变假设,以及交叉学科时空观的有关认识进行判决性检验,判定谁的认识图像和理论模型更符合实验测量结果。

两系测光实验概况如下:u速行驶列车中点处激光源同时发出第一、第二、第三道激光,第一道激光携带三道激光的测速起点信息,垂直列车运动方向,直接飞到左侧站台感光墙,产生第一个“激光撞墙标记”;向前运动的第二道激光和向后运动的第三道激光,同时到达车头反射镜和车尾反射镜并改变运动方向,改为垂直列车运动方向,飞向左侧站台感光墙;让列车中点激光源再次发射携带激光源信息的第四道激光,与第二、第三道激光同时飞向左侧站台感光墙,它们会同时到达感光墙,产生第二、第三、第四个“激光撞墙标记”。

在列车系对两系测光实验进行理论分析和结果预判,爱因斯坦时空观和交叉学科时空观给出的实验结果大同小异,具体如下:由列车中点激光源同时发出,向前运动的第二道激光和向后运动的第三道激光,同时到达车头反射镜和车尾反射镜,同时被反射,同时射出列车,同时到达左侧站台感光墙并产生第二、第三个“激光撞墙标记”;第二道激光和第三道激光,相对列车系的光速值均为c;进行“跨系测量和描述”,在列车系视角说,第二道激光相对地面系的光速值为V1=ΔX1(感光墙上距离值)/ΔT(感光墙上时间值)=c+u,第三道激光相对地面系的光速值为V2=ΔX2(感光墙上距离值)/ΔT(感光墙上时间值)=c-uV1=c+uV2=c-u就是列车系实验测定的第二、第三道激光相对地面系的光速值。

在地面系,交叉学科时空观对两系测光实验给出的理论分析和结果预判如下:由列车中点激光源同时发出,向前运动的第二道激光和向后运动的第三道激光,同时到达车头反射镜和车尾反射镜,同时被反射,同时射出列车,同时到达左侧站台感光墙并产生第二、第三个“激光撞墙标记”;根据感光墙上四个“激光撞墙标记”携带的时空信息可以测定,第二道激光相对地面系的光速值v1=Δx1(感光墙上距离值)/Δt(感光墙上时间值)=c+u;第三道激光相对地面系的光速值v2=Δx2(感光墙上距离值)/Δt(感光墙上时间值)=c-u

在地面系,爱因斯坦对两系测光实验给出的理论分析和结果预判如下:因为同时相对性,第三道激光先到达车尾反射镜,先反射,先射出列车,先到达左侧站台感光墙;第二道激光后到达车头反射镜,后反射,后射出列车,后到达左侧站台感光墙(在两系测光高铁实验中时间差为1.34ps);因为光速不变假设,第二和第三道激光相对地面系的光速值均为c。爱因斯坦在地面系给出的上述实验预言,相当于使用同时相对性和光速不变假设推翻了列车系的实验测量结果。这种理论上推翻能否得到实验的支持,两系测光实验会给出实验判决。

在以往,在u速运动的列车里,中点激光源同时向前和向后发射的两道激光,列车系观测者可以直接测量两道激光的同时关系和光速值;但是,当列车里向前和向后运动的两道激光不与地面系的测量仪器发生相互作用时,对于列车里的两道激光运动,地面系观测者无法使用测量仪器进行实验测量。两系测光实验,让列车里的四道激光垂直列车运动方向,横向等时等距转移到左侧站台感光墙上,让它们在感光墙上产生四个“激光撞墙标记”。这样,就把列车系里发生的光运动,转变成了地面系感光墙上的可观测内容。通过对感光墙上四个“激光撞墙标记”的时空信息进行测量,地面系观测者就能对列车里的光运动进行实验测量。在以往,与上述实验内容有关,爱因斯坦时空观给出很多理论假设和变换计算,并当成实验测量结果,把二者混为一谈;实际上爱因斯坦时空观一直缺乏必要的实验研究,存在认识空白。

两系测光实验有望判决爱因斯坦时空观的同时相对性和光速不变假设仅在列车系能成立,在地面系不能成立,它们都是有对有错的理论假设;爱因斯坦在地面系使用同时相对性和光速不变假设推翻列车系实验测量结果,未得到实验支持。在现有条件下,两系测光实验可以在高铁列车和空间站等运动设施上进行,预计类似实验均能获得判决性结果,实现预期目标。

在两系测光实验中:针对时间基准,拟使用光晶格钟作为整个实验系统的“主时钟”,其频率不确定度优于2×1018s;针对异地时钟同步,在列车与站台之间(或空间站与地面之间),拟采用双光梳自由空间时频传递技术或双向量子时间同步技术,均可实现飞秒级的时间同步精度(1fs=1015s);针对激光飞行时间测量,拟采用电光采样飞秒光学频率梳测距技术,可将单次光脉冲飞行时间的测量分辨率推进到阿秒级(1as=1018s);而且,伴随技术进步,还可以选用更有效的实验技术,不断提高实验测量精度;如期实现目标,可以水到渠成。

本文作者简介

齐新,1986年毕业于内蒙古师范大学物理系,此后在赤峰学院物理系任教多年;2002年至2014年先后在北方经济报社和内蒙古日报社工作;201111月成立新动力文化,并任负责人至今。1998年,得到中国科协副主席、航天工业总公司总工程师庄逢甘院士推荐,在《宇航学报》第2期发表科学论文“论GPS与相对论时空观”;2009年,得到全国政协副主席、国家科委原主任宋健院士推荐,在《前沿科学》第2期发表科学论文“狭义相对论被争论100多年的主要原因”;20066月,在内蒙古教育出版社出版《智胜爱因斯坦》创新方法图书;20177月,在光明日报出版社出版《管理大脑思想》科学用脑图书;20234月,在预印本平台发布文章“创建交叉学科时空观,速解爱因斯坦未解之谜和牛顿未解之谜”;在20261月开始,陆续设计两系测光高铁实验方案和两系测光空间站实验方案;在理论上分析和预判,上述实验将判决爱因斯坦时空观的同时相对性和光速不变假设均有对有错。

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