百年相对论（三）

刘文旺、大兴区第三中学

狭义相对论的终结（一）

一、光速不变性与狭义相对论

伴随电磁学的发展，积累起来的定律、公式众多，麦克斯韦应用其强有力的数学基础，建立了只有四个方程的麦克斯韦方程组，实现了电磁学的统一。从其方程组中,可以推导出真空中光的运动速度：C=1/（ε₀μ₀）^1/2，这一数值与实验物理学家们测得的光速十分接近。因此，人们认为光就是一种电磁波。

在测量光速的实验过程中，科学家们想尽了办法。随着测量精度的增加，光速的数值越来越接近2.99792458×10⁸m/s。在这其间，菲索测量了运动水中的光速——菲索实验，结果发现沿水运动的方向光速增加；沿水运动的反方向光速减小。人们认为这是运动的介质部分拖曳了以太造成的。为了检验地球的运动会不会拖曳以太的运动，迈克尔逊做了光的干涉实验，结果发现与菲索实验不同的是，运动的地球完全拖曳了以太。后来又与莫雷重做了这一实验没结果还是一样。

此后，不断有人介入进来。他们选择了不同的介质进行实验（因为无法抽成绝对的真空，因此，人们认为可能与介质本身有关），结果显示，不同的介质确实拥有不同的结果。爱因斯坦也曾经为这些实验给出的结果搞糊涂了。他为此给出的解释，也没有被后来的实验物理学家的实验所证实。

   其实，这里更换不同的介质产生不同的光速数值，这本身就证明了我们前面关于“光速不变的诠释”一文中，通过公式：n²=1+4πNe²/m（ω₀²-ω²-iγω），

分析得出的介质中光速变化情况观点的正确性。

这就奇怪了，实验中的光速与地球的运动没有关系，这完全违背了经典意义下的速度叠加原理。为此，科学家们陷入了茫然之中。大科学家洛仑兹推导出了一组变换公式——洛仑兹变换。这个变换认为运动起来后，时间与空间的大小会发生同步变化。但没有给出此变化的解释。后来，爱因斯坦在洛仑兹变换的基础上，以光速不变原理为假设，再加上相对性原理建立了狭义相对论。

从百年相对论（一）中，我们详述了光速不变现象。我们得到的结论是：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，这就是M-M实验结果的产生原因，也是我们实验室中各种介质拥有与地球运动无关的光速、机械波运动速度的原因；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，这就是菲索实验出现的原因。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。在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。

下面我们再从另一个角度思考这一问题。

二、介质中的狭义相对论

1、介质中的狭义相对论的建立

电磁理论等同地适用于真空与介质中，真空中具有光速不变性，介质中也应该具有光速不变性；2、被我们忽略的事实是：无论是自然界中还是实验室中的介质，都拥有确定的折射率和不变的光速，但这些介质也在随地球的自转、公转而运动着，因此，介质中的光速也与地球的自转无关，同样违背经典意义下的速度叠加原理。需要建立理论加以解释。

本文也提出两个基本假设：广义相对性原理和广义光速不变原理，从而建立起了介质中的狭义相对论。并以此为基础，结合上面关于光速不变原理的分析。从新的角度思考了爱因斯坦的狭义相对论，进而否定了狭义相对论。

两个基本假设：

（1）、广义相对性原理：在含有任何介质的惯性系中，物理定律具有相同的形式。

（2）、广义光速不变原理：在含有任何介质的惯性系中光速具有不变性。

在此基础上，把真空中的光速C变为折射率为n的介质中的光速C/n，然后完全不变地按照爱因斯坦推导狭义相对论的方法，就可以推导出介质中的相对论（推到过程较长，在后面的“百年相对论”我们给出了具体的推导）。

结论如下：

广义洛仑兹变换：

x^ˊ=(x-vt)/(1-n²β²)^1/2                   （1）

y^、=y                                    （2）

z^、=z                                    （3）

t^ˊ=[t-n²vx/c²]/(1-n²β²)^1/2               （4）

其中，n为介质的折射率，β=v/c意义不变。

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

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

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

E=T+m₀c²/n²、E₀=m₀c²/n²                       （8）

t^‘₂-t^‘₁=[（t₂-t₁）-v（x₂-x₁）（n²v/c²）]/(1-(nv/c)²)^1/2 （9）

在这里我们同样得出了时间与空间的变化、同时性的相对性，介质中的质速关系、质能关系等公式。而当进入到真空中时，n=1：广义洛仑兹变换、时空的变化、质速关系、质能关系等，同狭义相对论完全一样：见下面的狭义相对论公式：

洛仑兹变换：

x^ˊ=(x-vt)/(1-β²)^1/2                     （10）

y^、=y                                    （11）

z^、=z                                    （12）

t^ˊ=[t-vx/c²]/(1-β²)^1/2                  （13）

其中β=v/c意义不变。

L=L^，[1-（v/c）²]^1/2                       （14）

m=m^，/[1-（v/c）²]^1/2                      （15）

t₀=t(1-(v/c)²)^1/2                          （16）

E=T+m₀c²、E₀=m₀c²                          （17）

t^‘₂-t^‘₁=[（t₂-t₁）-v（x₂-x₁）（v/c²）]/(1-(v/c)²)^1/2 （18）

也就是说，爱因斯坦的狭义相对论是上述理论在真空中的推论。（完全类似地，机械波也具有确定的运动速度，这一运动速度也与地球的运动没有关系。波速的大小也与经典意义下的速度叠加原理相矛盾。同样需要解释。在后面，我们还推导出了不同介质的狭义相对论，S、S^‘拥有的折射率分别为n₁、n₂，及n₁=n₂时，所有的结论过渡到同种介质狭义相对论的形式，n₁=n₂=1时，又完全转化为爱因斯坦的狭义相对论形式。我们还推导出声速相对论，从而更加清楚了洛仑兹变换、爱因斯坦狭义相对论的本质。详见后边的“百年相对论”）

我们分析如下。

2、对相对论的新认识：

（1）、上述公式中存在1/[1-（nv/c）²]^1/2项，由数学角度上偶次根号下不能为负的要求可知，v˂c/n，因此得出：介质中的光速是物体在介质中运动速度的极限。但在切仑科夫辐射现象中，粒子的运动速度就超过了介质中的光速。可见，介质中的相对论在此是不成立的。

同样，当n=1时上述结果转化为真空中的光速不能被超越，这就是爱因斯坦的光速极限理论。这应该同样是错误的。

可见，物质的运动速度可以是任何数值。这就是实验中出现超光速量子纠缠现象的原因。

（2）、由t^‘₂-t^‘₁=[（t₂-t₁）-v（x₂-x₁）（n²v/c²）]/(1-(nv/c)²)^1/2和L=L^，[1-（nv/c）²]^1/2及Δt^/=Δt(1-(nv/c)²)^1/2可知，同样的运动速度，时间和空间的变化及同时性的相对性由介质的折射率决定。

时空本性能由介质的折射率决定吗？

（3）、由m=m^，/[1-（nv/c）²]^1/2可知，同一个粒子以同样的速度运动，在真空与不同的介质中拥有不同的质量。质量的数值与其运动的速度及介质的折射率有关。

这显然是不可能的。物体的质量没有因进入水中而变小。阿基米德原理充分体现了这一点。

当n很大时，c/n=0.01m/s，这种情况下会出现更加明显的相对论效应，而此不是事实！

由相对论的质能关系E=mc²可知，有能量就有质量。而电荷的电场具有能量则其必具有质量——称为电荷的电磁质量。我们假设电荷分布在r_e的球面上，则其拥有的库伦场能量为：

E=1/2 ₀E²dV(积分区间为r_e到无穷大 )

= ₀/2 (e/4πr²)²4πr²dr(积分区间为r_e到无穷大 )

=e/8πε₀r_e²

因此，电荷的电磁质量为：

m_em=e/8πc²ε₀r_e²

     这样，在通常的教科书中给出的电荷的质量，应该是其机械运动中机械质量m₀和电磁质量之和。

即有：m=m₀+m_em

有人甚至认为，对于电子而言，其拥有的质量可能完全是其库伦力场的电磁质量。

     至于m_em在m=m₀+m_em占多大的比例我们并不感兴趣，我们感兴趣的是，这部分电荷质量的存在，会使带电粒子与中性粒子之间的质量的变化存在明显的不同。

我们分析如下：

在我们实验中出现的粒子或物体的质量是m，因此带入爱因斯坦的质素关系m^’=m/[1-(v/c)²]^1/2

得：m^’=（m₀+m_em）/[1-(v/c)²]^1/2

由于电荷具有不变性，因此，其中的m_em由于电荷不变会造成其库伦电场强度e/4πr²不变，因此，上面的积分得到的库伦力场的能量及相应的电磁质量m_em不变（我们忽略本就不存在的运动造成的空间的变化）。这样，

对于中性粒子有：m^’=m₀/[1-(v/c)²]^1/2

对于非中性粒子有：m^’=m_em+m₀/[1-(v/c)²]^1/2

因此，在相对论中，质速关系应该因粒子或物体是否带电而不同。即便都是带电粒子，也由于不同的粒子拥有不同的质量、电量而不同。

完全一样地，粒子的动量也应该不同：

对于中性粒子有：P^’=m₀v/[1-(v/c)²]^1/2

对于非中性粒子有：P^’=m_emv+m₀v/[1-(v/c)²]^1/2

我们知道，质能关系是在粒子的质速关系的基础上，由功能原理推导出来的。是否拥有电荷，使得中性物体与非中性物体的质速关系的不同，就会造成他们拥有不同的质能关系。这一点在相对论中并没有提到。这是为什么？

     就粒子、物体的质速关系的实际测量过程可知，我们是在实验室中通过带电粒子在回旋加速器中测得的。因此，我们实际验证的是

m^’=m_em+m₀/[1-(v/c)²]^1/2而不是：m^’=m₀/[1-(v/c)²]^1/2

因此，一方面，m^’=m₀/[1-(v/c)²]^1/2不具有普遍性；另一方面，由数学知识可知，m^’=m_em+m₀/[1-(v/c)²]^1/2和m^’=m₀/[1-(v/c)²]^1/2的曲线应该存在明显的不同。在m^’=m_em+m₀/[1-(v/c)²]^1/2的曲线中，应该有一个相对高出的起始点代表m_em的存在。而在现有的精确验证质速关系的实验曲线中，没有见到这一起始点的存在。还有，即使对于带电粒子，由于质量的不同也应该有不同的实验结果，而不可能得出单一的实验结果。

这是因为，由于不同的带电粒子拥有不同的质量、不同的电荷。如质子和电子，电子质量很小，只有质子的约1/1800倍，因此，质子和电子的质速关系曲线，应该存在明显的不同。而现在实验事实是，所有粒子的质速关系变化曲线都是一样的。并且完美地被实验所验证。

这可能吗？

从实验上看，2008年北相科学家季灏先生在中国科学院，上海应用物理研究所做了验证质速关系的实验——“量热法验证质速关系”。用6Mev、8Mev、10Mev、12Mev、15Mev五个能量等级的电子轰击真空环境中的铅靶。按相对论理论计算，应该升高的温度分别是：2.52⁰C、3.36⁰C、4.20⁰C、5.03⁰C、6.29⁰C，但是，实验结果显示几乎都是1.1⁰C。接着，又在0,121T的匀强磁场中，让4Mev、6Mev、9Mev、12Mev、16Mev、20Mev六个能量等级的电子做回旋运动。按照相对论的质素关系，回旋半径应该是：11cm、17cm、25cm、33cm、44cm、55cm，而实验结果却是：17.8cm、17.9cm、18cm、18，1cm、18.2cm、18.3cm。

这实际上，否定了质速关系。

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