百年相对论（十三）

作者：刘文旺

三、相对论与传统热学的矛盾

1、我们知道不同的裂变元素有不同的半衰期，我们在地面上的一个容器中放上适当质量的衰变元素，让其释放出能量来加热容器中的水。当水的温度达到30摄氏度后达到吸热与放热的平衡，温度计的示数是30摄氏度。这时观测者以极高的速度沿着这一加热设备方向运动。这时又会产生疑惑了，一方面，其背离被加热的开水，由于多普勒效应的存在，他会认为，由于他背离热水而运动，因此，水辐射的光子会发生红移，由热学知识λΤ=σ可知，这时水的温度应该下降，另一方面，由于时间的减少，裂变元素的半衰期增加，产生的核能减少，因此，热水的温度应该降低，但实际上其观测不到温度计的变化，这怎么解释那？当其向这一装置运动时；辐射的光子会发生紫移，由热学知识λΤ=σ可知，这时水的温度应该升高，另一方面，由于时间的减少，裂变元素的半衰期增加，产生的核能减少，因此，热水的温度应该降低，但光谱的紫移告诉我们水的温度还是应该升高了，这是一个违背能量守恒的现象。但实际上，其仍观测不到温度计的变化，这怎么解释那？不用假设存在这个裂变元素，就是一盆简单的水，也会得到同样的结果，这怎么解释？

2、相对论与热力学统计规律的不相容性——饿死的观测者

（a）、在一个处于热力学平衡态的绝对黑体体系内，有一温度计显示其拥有的温度——假定为T。按热力学知识，物体的温度与其发出光的最强的谱线波长存在内在的联系：λ_mΤ=σ其中σ为常数。当运动的惯性系中的观测者，以一定的速度向之运动时，按现有的理论从黑体小孔中射出来的光子，应发生与之运动速度相一致的多普勒效应使其光子的频率增加——紫移，则由相应的统计理论公式λ_mΤ=σ计算可知，与发生紫移了的光子波长λ变小，相对应的热力学体系的温度T应有相应的增加，但该观测者不会发现显示此绝对黑体温度的温度计的数值有所变化；相反，当该观测着背离此绝对黑体运动时，则也观测不到显示其温度高低的温度计应有的示数变化。相对论对此没有也不可能给出合理的解释。

我们可以假设有一个饥饿的人前面看见一块面包、牛奶，温度适中假设都为40⁰C，并都有蒸汽冒出。他飞快地跑过去——饿极了，假设其运动速度足够快，由λ_mΤ=σ可知，他会发现面包、牛奶发出的光由于发生明显的多普勒效应，而拥有极高的温度——例如1000⁰C，他会停止下来而不敢靠近。并产生疑惑，这样高温度的面包为什么不燃烧那？牛奶为什么不沸腾那？而当其反方向快速离开时，发现面包、牛奶的温度一下子就降低了，当其跑得足够快的时候会发现，面包的温度会变成零下1000⁰C，这时他又会产生疑惑了，这样低的温度面包为什么还在冒出蒸汽散发出香味那？牛奶为什么不结冰那？而当他一旦停下来会发现面包又恢复了原来的温度——可口的40⁰C。

吃？

不吃？

疑惑！

满脸的疑惑！！

饿死？

气死？！

爱因斯坦太不对了！狭义相对论太折磨人了！

还有，假设有一个黑体其温度足够低，以至于我们见不到其发出的低频光子。那么当观测者以不同的速度相对于其运动时，由于光的多普勒效应的存在，会发现，当观测者向其运动时，其拥有的频率按ν^‘=ν[（1+v/c）/（1-v/c）]^1/2，因此，光线频率增加，当速度足够大时，其辐射光子的频率会增加到我们能感觉到的频率，从而黑体不黑了；相反，有一个明亮的空间，正在放映百姓喜欢的电视剧，但有一个观测者反向运动，这是时其辐射光子的频率按ν^‘=ν[（1-v/c）/（1+v/c）]^1/2，因此，光线频率降低，当速度足够大时，其辐射光子的频率会减小到我们不能感觉到的频率，从而明亮的空间变得不可视了。这可能吗？

相对论与热力学理论有冲突。

（b）、在一个容器中装有某种气体压强是P体积是V，温度是T，由热力学的知识可知这些物理量满足克拉伯龙方程：PV=nRT其中R是常数，n是描述气体多少的物理量，对于确定的容器中的气体来说其也是一个确定值。另有气压表显示其压强的大小为P、温度计显示器温度的大小为T。但是若有一个观测者向其高速运动，他会发现什么？他会发现在压强和温度不变的情况下，该气体的体积变小了V^‘=V[1-（v/c）²]^1/2。因此。他把观测到的温度T、压强P带入克拉伯龙方程克拉伯龙方程发现等式不再成立：PV^‘。这时他会怎样做？唯一可修改的应该是R，但他很快就会发现，当他以不同的速度运动时，R具有不同的数值，这还是常数吗？若保证克拉伯龙方程成立，则应该修改一下这个常数R。由于观测到的P、T都没有发生变化，运动起来后这个常数变为R^、则有：静止时P=nRT/V，运动起来后P=nR^、T/ V^‘=nR^、T/V[1-（v/c）²]^1/2

P不变则有：nRT/V=nR^、T/V[1-（v/c）²]^1/2

所以，R=R^、/[1-（v/c）²]^1/2

R^’=R[1-（v/c）²]^1/2,因此，一个运动的热力学系统的R常数是一个变化的数值，而此，也与我们知道的事实相矛盾。这是因为，我们没有发现不同纬度的国家的实验室中，由于随地球的自转速度的不同而造成R的不同。

（c）、一个观测者以极高的速度离开地表向太阳飞去，在未冲出地球大气层之前，通过相对论计算他发现，由于尺缩效应的存在他距离太阳只有几毫米。这时他感觉到太阳的高温了吗？我们一定要等他回来好好询问一下，他这一次有惊无险的旅行的感受。

3、运动与超导

在1911年荷兰物理学家昂内斯发现，当把金属汞的温度降到4.2K时，它的导电能力迅速增加，电阻降至为零，这一现象称为超导现象。现阶段我们正在研制高温超导材料，以便在日常生活中应用。从而减少了传输电能的过程中，由于导线电阻的存在产生导线发热而带来电能的损失。有人推测超导材料将有8000亿美元的市场。现阶段世界各国都在积极努力研制高温超导材料。

但若从相对论的角度看这一问题倒是得到了很好的解决。

我们假设在一个实验室中有一种氧化物超导材料超导温度是125K（这一超导温度早已于上世纪80年代实现），现有一个观测者以极高速度运动状态观察这个超导体系，由于超导环境的光会发生多普勒效应，因此，这个观测者又观测到的辐射谱线的紫移，再由公式λ_maxT=σ可知，T=σ/λ_max，由于λ_max变短，从而T会增加，从而当其以某种速度运动时，会发现环境周围的温度值会很高，很容易高于室温。这样，从这个观测者的观点就真实地实现了高温甚至超高温的超导现象。不过，若沿相反方向运动则会得到相反的结果。即本来处于超导状态的材料，却不应该是超导体。

当这位先生停止运动回到实验室会见到什么？

应该怎样解释其观测到的事实？！

还有，当环境的温度降到足够低的时候，会使流体进入超流状态。这样，在一个参考系内流体处于非超流状态，先让一个观测者相对于这个流体体系高速远离运动，则由上边的分析可知，这一体系的温度由于发生多普勒效应而应该逐渐降低，直到进入到超流状态为止；这一流体体系真的进入到了潮流状态了吗；相反，有一个超流体体系，让一个观测者相对于这个流体体系高速运动，则由上边的分析可知，这一体系的温度由于发生多普勒效应而应该逐渐增加，直到退出到超流状态为止。这一流体体系真的进入到了非潮流状态吗。

4、火锅边的思考

现阶段，我们中国已经成为第二大经济体了，可以说是国富民强。人民生活水平明显提高。饭店里人满为患、大街上私家车满为患。我们现在从生活的角度看看相对论的错误。

假设一家人正围在电热锅前准备吃涮羊肉。没有点火前火锅中水的温度是30摄氏度，其上的温度计也显示30摄氏度，旁边还有一个气压计，显示环境大气压是一个标准大气压。但这时一个观测者以极高的速度向其运动，这时，这个观测者观测到的辐射谱线的紫移，由λ_maxT=σ可知T=σ/λ_max，由于λ_max变短，从而T会增加，从而当其以某种速度运动时，会发现环境周围的温度值会很高，一方面，会发现火锅的温度应该超过了100摄氏度，但火锅上的温度计仍显示30摄氏度，这是怎么回事？而且环境的温度早已经不适应人的生存，这些人怎么不怕热？为了吃涮羊肉不要命了？另一方面，按照常识，在一个标准大气压下100摄氏度的水应该沸腾了，水怎么不沸腾那？这违背物理知识。

当然，我们还可以假设一个相反的过程，这里有火锅水温度是100摄氏度在不断地冒着水蒸气，其中放置一个温度计显示温度值是100摄氏度，旁边放置一个气压计显示环境的气压是一个标准大气压。一家人正在兴致勃勃地享受着美味的涮羊肉。这时那个观测者又来了。他沿着远离这火锅的方向以足够大的速度运动，由多普勒效应可知，这时这个观测者会发现，这盆水发出的辐射（热能）会发生红移，即辐射波长变长，由λ_maxT=σ可知T=σ/λ_max，由于λ_max变大时，从而T会降低，当其以某一恰当的速度运动时，火锅中的温度应该小于零摄氏度。这样这个观测者又会产生疑惑，这么低的水为什么不在一个标准大气压下结冰哪？更让他气愤的是温度计的读数为什么还是100摄氏度？而且，一家人正在兴致勃勃地享受着美味的涮羊肉。

是相对论错了还是热学理论错了？

还有，我们假设有一座冰山环境温度是零下30摄氏度，我们仍假设有一个观测者，相对于冰山运动按照上面同样的分析，他又会产生疑惑？当他以适当的速度运动时，环境的温度能达到任意的高度比如800摄氏度，这座冰山怎么不熔化哪？

放眼世界会得出全球变暖了！？

5、多普勒效应与恒星发光

我们知道万物生长靠太阳，太阳是宇宙中的一颗距离我们地球最近的恒星，距离我们邻近的另一颗恒星离我们有4.3光年远。在宇宙中存在大量的恒星，恒星又构成了星系等。天体物理学就是描述天体的形成与演化规律的。

在天体物理学中。关于恒星的发光存在若干的规律。我们简单地谈谈其与相对轮的矛盾。

严格说来恒星发光的强度（可以近似理解为亮度）是变化的，强度存在明显变化的称为变星。变星的变化周期的长短与其发出的光的频率存在对应关系，这一关系称为周光关系：光变周期越长，其光谱的谱线频率越低，光度越大；光变周期越短，其光谱的谱线频率越高，光度越小。

如下图所示：

我们假设有一颗变星，其光变周期是T，发光强度是L，其质量是M。

现有一个观测者，高速向其运动。这时他会发现，一方面，由于时间变慢，恒星的光变周期会变长，从而由周光关系可知，这个恒星发出的光的频率应该减少，整个恒星的光谱会向红端移动；但另一方面，由多普勒效应可知，这个观测者观测的光线应该发生紫移，这一矛盾怎样解释？

反过来，若以光线的多普勒效应为准，该恒星的频谱向高频移动，则有，其光变周期应该变短，这又会产生新的矛盾：一方面，恒星的发光存在周光关系：光变周期越长，恒星的光度越大。因此，该恒星的光变周期变短，则表明光度会降低；另一方面，我们知道恒星发光还存在另一层关系，这就是恒星的质光关系：即恒星的质量越大，光度越大；质量越小光度越小，用数学公式表示就是：lg（L/L₀）=4lg（M/M₀）。当我们按光线的多普勒效应得出该恒星的光度降低时，由上面的公式可知会发现其质量会减小。而这会与我们熟知的相对论的质速关系m=m₀/(1-β²)^1/2不相容。因为在这个观测者看来，由于运动的存在，该恒星的质量会增加：M=M₀/(1-β²)^1/2。

怎么解释这一矛盾？

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