相对论脉络

作者、刘文旺

一、相对论的建立

关于光的本性，自古就有两种不同的认识。牛顿认为光是一种粒子；惠更斯等认为光是一种波。后来托马斯·杨通过光的干涉实验，证明了光的波动性。

但是，波的传播是需要介质的，比如，水波靠水传播。传播光的介质是什么那？

在古希腊，“以太”指的是青天或地球上层的大气。

17世纪的笛卡尔，是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家、物理学家。是他最先将以太引入物理学。

惠更斯认为，传播光波的媒介物质就是笛卡尔认为的以太。

1881年，迈克尔逊利用光的干涉实验，来测量地球的运动是否会拖曳地球周围的“以太”从而影响光的传播速度。

他的器材是两个互相垂直的真空管，实验时让一个与地球的运动的方向平行，另一个与地球的运动方向垂直。若地球的运动真的拖曳了地球周围的“以太”，则会使得沿两个方向传播的光的光速发生变化，这样到达屏上的光就会发生叠加，产生明暗相间的干涉条纹。之后，再把两个真空管旋转90⁰，观察旋转前后干涉条纹的变化就能得出地球的自转，是否拖曳了地球环境中的“以太”。

结果显示，在实验误差范围内地球的自转完全拖曳了地球环境中的“以太”。后来，迈克尔逊又联合莫雷在改进了的实验仪器后，于1887年重复了上述实验，结果还是一样。众多的物理学家认为，M-M实验证明了光速具有不变性。

这种光速不变违背经典意义下的速度叠加原理。荷兰物理学家洛仑兹，它通过数学推演得出一系列的变化公式——洛仑兹变换（就是狭义相对论中的洛伦兹变换），并从中推导出运动物体会在运动的方向上收缩，收缩系数与物体的运动速度有关，该系数是[1-（v/c）²]^1/2、时间也会发生变化。而至于为什么会有这样的空间收缩与时间的变化，没有给出物理解释！

物理学家洛仑兹

相反，爱因斯坦把光速不变当成原理，建立了狭义相对论，重新定义了时间与空间。我们简单分析如下：

两个基本假设：

Ⅰ、光速在任一种惯性系中拥有不变的数值。

Ⅱ、物理规律在一切介质中惯性系内拥有同一种形式。

于是得到了狭义相对论，结论如下：

x^ˊ=(x-vt)/ (1-β²)^1/2                              （1）

y^、=y                                            （2）

z^、=z                                            （3）

t^ˊ=[t-vx/c²]/(1-β²)^1/2                            （4）

其中，β=v/c

L=L^，[1-（v/c）²]^1/2                               （5）

m=m^，/[1-（v/c）²]^1/2                              （6）

t₀=t(1-(v/c)²)^1/2                                  （7）

E=T+m₀c²、E₀=m₀c²                                  （8）

t^‘₂-t^‘₁=[（t₂-t₁）-v（x₂-x₁）（v/c²）]/(1-(v/c)²)^1/2，（9）

（5）、（7）可得出运动物体会出现钟慢尺缩现象；（6）式告诉我们运动物体的质量会增加；（8）式就是我们熟知的质量与能量的关系，他曾被以人墙的形式陈列在美国小鹰号航空母舰上。（9）式体现了同时性的相对性。

 

     当把狭义相对论钟慢尺缩的时空观，应用在应力场环境中时，使存在质量的时空变成弯曲的时空：例如，在一个旋转的圆盘上，由于线速度的不同，不同半径处的时钟有不同的读数、同一物体的质量、大小不同。周长变短：L=L/[1-(v/c)]^1/2，而r不变造成L=2πr中的π会变小，三角形内角和不再是180⁰。因此，有质量存在时，符合狭义相对论的时空是弯曲的。借此，爱因斯坦建立了广义相对论。

图一

这样，通过对光速不变的解释，诞生了狭义相对论，而在狭义相对论的时空观的框架下描述引力场时，就产生了震惊世界的广义相对论。事实真的是这样吗？

下面我们先从光速的分析入手，解决光速不变的问题

二、对“光速不变”的诠释

（一）、介质中的光速分析

必须指出的是，在M-M实验的真空管中并不是绝对的真空，而是不同程度地充斥着介质。

那么，光子在穿过介质时，为什么会发生运动速度的变化那？

这是因为，光子在穿过介质时，会与组成介质的原子或分子上的轨道电子发生相互作用，从而产生运动速度的变化。介质的折射率与光子的角频率ω及电子的振荡角频率ω₀的关系是：

n²=1+4πNe²/m（ω₀²-ω²-iγω），

其中，N是介质单位体积内的原子数，当N=0时就是真空，所以n=1、m为电子质量、ω为光子震荡角频率、ω₀是电子震荡角频率，γ为阻尼衰减系数、i是复数单位。从这里我们可以看出，同样的入射光子ω不变，当电子的能量发生变化时，ω₀的变化会造成折射率的变化。

我们知道，电子能量的变化，与相应的原子、分子的运动状态一一对应。因此，决定光速的电子震荡角频率ω₀，就与介质中原子或分子的运动状态一一对应。

当ω≥ω₀时会出现光子的吸收现象，不是我们要讨论的问题。我们讨论ω˂ω₀时的情况。

（二）、介质的两种状态

对于液体或气体介质存在两种状态：

1、介质在容器中做定向运动，这时介质原子或分子没有处于热力学平衡态。

2、介质处于无外力场，而且被封闭在容器中，容器处于静止状态或整体做匀速运动，这时介质原子或分子经历一段弛豫时间后进入热力学平衡态。

固体中的晶格的振动也具有类似的过程。

（三）、菲索实验与多普勒效应的本质。

菲索实验表明：沿介质运动的方向光速增加；沿介质运动的反方向光速减小，如下图所示。

1、理论分析：

介质在容器中做匀速运动，是热运动与定向运动的叠加。从整体上看，在外力作用下的流动，使介质原子或分子沿外力方向加速，碰撞前面的原子或分子使其加速。

这样，沿介质运动方向原子或分子速度大能量较高，反方向速度小能量较低；从微观上看，轨道电子会环绕原子核做椭圆运动——如下图所示。沿介质运动方向，虽然原子核的力场拖曳电子使其能量减小，但向前的碰撞加速使其总ω₀增大，带入上式则折射率减小，光速增加。此时辐射光子频率略大于介质静止时的频率，这就产生了多普勒效应的紫移现象；沿介质运动的反方向，原子核力场反向拖曳电子使其能量减小，且向后的碰撞减速使其总ω₀减小，从而折射率增加，光速减小。此时辐射光子频率略小于介质静止时的频率，这就产生了多普勒效应的红移现象。

对于非中性的介质、固体中的晶格上的原子或分子情况是类似的。

同热致加宽、场致加宽一样，都是轨道电子偏离了量子化能量的结果，是实在的物理过程造成的。

这就是光子的多普勒效应的本质、及菲索实验产生的原因。在这里我们实现了多普勒效应与介质中光速的变化现象的统一。

热致加宽就是处于热力学平衡态时，各向同性的多普勒效应的叠加。这体现在液体、气体具有明显的热致加宽现象，而晶体的热致加宽现象相对较弱上，后者的晶格振动能量变化范围较小。

同一种介质，不同温度下与光子发生相互作用的轨道电子的能量不同，ω₀不同，所以折射率不同。

2、实验验证：

在有外力场存在时，介质分子或原子的轨道电子的能量也会发生同样的变化：光谱拥有不同的数值，这就是场致加宽现象。我认为也会出现折射率的变化。

可做实验验证：

实验1：给介质加电场、磁场，测量其折射率、辐射频率的变化。结论应该是折射率同辐射谱线同步变化。对于电场情况，沿电场方向折射率增加、谱线红移；沿电场反方向折射率减小、谱线紫移。

若既处于变速运动又处于力场中，则是两种情况的叠加。

（四）、光速不变现象

1、理论分析：

介质被封闭在容器中且没有外力场存在，容器整体在外力作用下做匀速直线运动。这时，容器中的介质在最初的加速使运动速度增加后，由于彼此间的碰撞及与容器壁的碰撞，最终会达到热力学平衡态。定向运动的动能一部分在彼此的碰撞过程中转化为体系内能、温度升高。这时介质中的各原子或分子的速度、能量、动量分配具有各向同性。因此，一方面，不同能量的原子或分子辐射的光谱不同，但与容器的运动方向无关，这就是辐射的热致加宽现象；另一方面，由于介质原子或分子的运动具有各向同性，因此，介质拥有与容器的运动方向无关的折射率。

由于地球重力场较弱，我们实验室内的介质，尤其是液态或气态的，处于一种近似的热力学平衡态，因此其中的光速、光谱与地球的运动方向无明显关系。

地球大气虽然伴随地球的自转与公转高速运动着，但彼此间的碰撞使其处于近似的热力学平衡态，光速具有近似的各向同性。也没有明显的与地球运动方向相关的多普勒效应。只存在谱线的热致加宽现象。

在M-M实验中，真空管中稀薄的气体处于热力学平衡态，所以没有明显的光速变化。

M-M实验

2、实验验证：

实验2：在M-M实验中的真空管内注满任何一种介质，再测其中的光速，仍会得到光速不变现象。

其实，这时该实验器材只是一个十字形的容器，光速当然不变。我们在实验室中测量介质的折射率与地球运动无关，就已经证明了这一点。

一个鲜明的例证是，在塑料软管中流动的水，对容器壁压强减小在大气压的作用下变扁。而关掉水龙头后，封闭在水管中的水不造成水管变扁。这时我们说水管中的水分子处于热力学平衡态，水分子动量沿不同方向均匀分布，没有压强的变化所以没有变扁。但是要知道这时它仍伴随地球的自转、公转而运动着。

3、应用：

由黑子旋转测得的太阳自转是：赤道25天、极区33天；由多普勒效应测得的太阳自转是：赤道26天、极区37天。这主要是由于热运动的存在，使得其多普勒效应减弱了，由此计算出的自转速度减小造成的。

太阳黑子（图片来自百度）

用相对论的速度叠加原理，解释菲索实验中光速的变化是不成立的，因为介质中的光速不是C而是C/n。而且，在实验室内，各种介质的折射率与地球自转方向无关。而地球自转的速度是每秒数百米，地球的公转速度是30km/s远大于菲索实验中水流动的速度，但这些介质的折射率与地球的自转无关。

（五）、光速的参照物

借助上面的分析我们发现，介质中的光速是由介质中原子、分子中的轨道电子的能量决定的。借此，我们给出光速的参照物：光速的参照物就是传播光的介质。当介质处于热力学平衡态时，光速与介质匀速运动的速度的大小、方向没有关系；当介质处于热力学非平衡态时，光速与介质匀速运动的速度的大小、方向有关，沿介质运动的方向光速增加，反方向光速减小。当我们相对于这个体系运动时，光速是可变的。

菲索实验、光性差现象的存在证明了这一点！

光行差现象（图片来自百度）

三、相对论只是一个百年传说

从本文的分析可知，处于热力学平衡态的介质，不存在与运动方向有关的光速的变化；处于非热力学平衡态的介质，存在与运动方向有关的光速的变化。因此，光速不变原理的成立是有条件的；绝对的光速不变现象是不存在的，这样，光速不变原理是错误的；以光速不变原理及相对性原理基础上建立起来的狭义相对论也是错误的，尤其是，“介质中狭义相对论”的建立彻底否定了狭义相对论；而广义相对论又是从狭义相对论的基础上建立起来的。错误的狭义相对论必然有导致广义相对论的错误。

其实，在用圆盘解释空间的弯曲性时，错误也是明显的。在这里爱因斯坦没有认识到这是狭义相对论本身的错误。

例如，两个天体质量分别是m₁、m₂，相距r，则两者间的万有引力是：F=Gm₁m₂/r²，我们假设有一个弹簧秤显示这一作用力的大小为8N。当观测者沿与两者连线夹角为α的方向运动时，他得到的引力是：

F^、=Gm₁/[1-(v/c)]^1/2m₂/[1-(v/c)]^1/2/{rcosα[1-(v/c)²]^1/2}²=F/[1-(v/c)²]²(cosα)²=8N/[1-(v/c)²]²(cosα)²

因此：引力与运动速度、夹角有关。但事实上，他看到的弹簧秤读数总是8N。

这是无法解释的！

 

还有，在旋转的圆盘中，周长变短造成π变小，三角形内角和小于180⁰。这对应的是罗巴切夫斯基几何，而不是黎曼几何。但是黎曼几何中三角形内角和大于180⁰。由于时空的弯曲，使我们抛弃了熟知的平直空间中欧几里得几何。为什么广义相对论用黎曼几何描述弯曲的空间那？用黎曼几何建立起来的广义相对论从根本上就是错误的——相对论就是一个误导科学界的百年传说！

最后我们用一个脉络图描述相对论的错误：

M-M实验揭示了光速不变现象→对光速不变的解释促成了狭义相对论→狭义相对论的诞生产生了钟慢尺缩现象→钟慢尺缩时空观使在有引力场存在时，空间是弯曲的→爱因斯坦借用黎曼几何建立了广义相对论；然而，处于热力学平衡态的介质，不存在与运动方向有关的光速的变化；处于非热力学平衡态的介质，存在与运动方向有关的光速的变化→光速不变的成立是有条件的→光速不变原理不成立→在光速不变原理的基础上，建立起来的狭义相对论是错误的→不存在钟慢尺缩现象→不存在有引力场存在时，空间的弯曲现象→爱因斯坦广义相对论是错误的（尤其是不能用黎曼几何，描述罗巴切夫斯基空间）。

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