百年相对论（十四）

作者：刘文旺

    我们知道，经典物理是在实验的基础上建立起来的，因此，经典物理的正确性是十分可靠的。我们知道，定律是有实验得到的解释，他可能是不完备的，但是是不能推翻的；订立时从原理推导出来的，所以叫定律，定理预订率室友区别的。因此，任何与经典物理知识不相容的体系，都是值得思考的。

相对论与传统光学的矛盾

1、光学实验与相对论的时空变化

（1）、在一个相对于地面运动的惯性系S^/内，作光子的双缝干涉实验，测得的光子的波长为λ，而在另一个相对于地面静止不动的惯性系内看着同一实验过程会发现，由于两狭缝间的距离处于与运动惯性系的运动方向垂直的方向上，因此其拥有的长度是一个不变量，如下图所示:

                                        x 

2a                     

d

由形成明条纹的条件为x=±kDλ/2a (k=1、2、3、---)可知，由于其中的d、λ都是运动变化量即有d^/=d(1-(v/c)²)^1/2，λ^/=λ(1-(v/c)²)^1/2，而x与a是不变的，因此，静止在地面上的观测着看来，干涉现象产生的明条纹的位置应相应变小，但实验结果决不会因为有运动的惯性系的存在而发生任何变化。衍射现象亦然。这些现象是相对论所不能解释的。

即使光子波长不满足相对论变化，由于观测者的运动也会使光子的频率发生变化，这样，由于光速不变性可知，此时光子的波长一定发生变化，从而，调整运动方向及运动速度的大小，使本来不该发生干涉实验的可以实现干涉实验，反之，调整运动方向及运动速度的大小，使本来该发生干涉实验的可以不实现干涉实验，

相对论对此怎么解释？光屏上已经出现的明暗相间条纹的存在，能因观测者的运动而产生或消失吗？！

还有，我们知道发生干、衍射是有条件的，要求小孔或狭缝的大小与光子的波长想接近，这就会产生如下问题。

（a）、假设在一个静止的实验室中做光学实验，实验器材的小孔或狭缝的尺度相对于入射光子的波长来说较大，不能发生明显的干、衍射实验。实验结果是在屏上找不到明暗相间的干衍射条纹，但在一个与运动方向垂直的观测者来说，当其以适当的速度运动时，由于运动方向与光的传播方向垂直，因此光的波长不变（横向多普勒效应很小），但小孔或狭缝的大小会变短，所以应该能发生干衍射现象而能见到明暗相间的干衍射条纹。这个矛盾怎样解决？

当然，你也可以按相对论的多普勒效应的紫移来解释。在相对论中，运动的观测者会发现光子的频率会发生变化：按相对论我们可以得到这一变化的数值是：

当观测者向实验装置运动时有：ν^‘=ν[（1+v/c）/（1-v/c）]^1/2，波长λ的变化是λ^‘=λ/[（1+v/c）/（1-v/c）]^1/2，而小孔、或狭缝的变化是a^’=a[1-（v/c）²]^1/2；当观测者反向运动时有：ν^‘=ν[（1-v/c）/（1+v/c）]^1/2，波长λ的变化是λ^‘=λ/[（1-v/c）/（1+v/c）]^1/2，而小孔、或狭缝的变化仍是a^’=a[1-（v/c）²]^1/2；因此，一方面，两者的变化并不同步：a与λ的变化并不同步，因此我们总可以找到一个确定的速读值，使本来不能发生衍射的过程，发生衍射现象，但实际的情况是屏上的图样不会因运动而发生变化。而且，a的变化是单一的，而λ的变化却与运动的方向有关，因此，我们总能在适当的运动速度下，使本来不能发生衍射过程的发生衍射现象，或者是本来能发生衍射现象的，反而不能发生衍射现象。

而此不是事实。因为屏上的图像一旦形成，不管是怎样的结果都是不会发生任意变化的。

相对论怎样解释这一现象。

相对论与干、衍射理论不相容。

（b）、而且在此还有一个问题，那就是，光子的波长与频率的变化问题。我们知道相对论的钟慢尺缩公式是不适用于光子的，不然，由于光的运动是光速，带入钟慢尺缩公式后，会出现问题：例如L^‘=L[1-（v/c）²]^1/2，波长变为零，这时无论频率怎样变换，光速都是零，而与光速不变原理相矛盾，但由光子的多普勒效应可知，这时光的频率确实发生了变化，由前面的计算可知：当观测者向实验装置运动时有：ν^‘=ν[（1+v/c）/（1-v/c）]^1/2，波长λ的变化是λ^‘=λ/[（1+v/c）/（1-v/c）]^1/2，波长变短；当观测者反向运动时有：ν^‘=ν[（1-v/c）/（1+v/c）]^1/2，λ的变化是λ^‘=λ/[（1-v/c）/（1+v/c）]^1/2，波长增加，这简直赋予了光的特殊的地位，运动的时空变小，但在这一时空的光的波长却可大可小。这简直不可理解。

对于光子其波长按多普勒效应变化，钟慢尺缩的与时间变化不同步，这样在一个观测者看来，两者的比值得到的光速不再是一个确定的数值，而且与之运动速度大小有关的，随观测者的运动速度的变化测得的光子的运动速度可以是任意可能的数值。这不与相对论矛盾吗？在狭义相对论中不是光速不变吗？在这里我们由相对论的理论推出了与相对论相矛盾的结论。

在地面上的坐标系内做光的折射实验，如上图所示，在光线的射出方向做一个直角三角形。两个直角边分别长a、b折射角为θ假定其数值是30⁰其正切为tgθ=b/a。

现假设有一个观测者沿入射光的方向运动，他会发现，由于相对论效应的存在，使得a边变短了带入三角函数公式tgθ=b/a[1-（v/c）²]^1/2会发现，这个折射角的数值应该变大。也就是说，介质的折射率增加了。但由于量角仪显示的角仍是30⁰是不会变化的。

介质的折射率变了没有？

这个观测者怎样解释这一现象？

是相对论错了？

还是三角函数错了？！

2、光子间的相对运动

由相对论的速度叠加原理可知，一个光子相对于另一个光子的运动速度也是光速。这就产生一个问题，在一束光中含有大量的光子，若每一个光子相对于另一个光子的运动速度仍是光速，我们为什么没有见到这些光子彼此分开？还有，若这些光子因为彼此间的相对运动速度也是光速，并且分开了，则我们会发现在其中一个光子在1s后运动到30万公里处，而另一个则运动到60万公里处，这不是产生了超光速运动吗？还有其他的光子那？它们的运动可能就更超光速了？相对论怎样解释这一现象。

还有，在托马斯·杨的双缝干涉试验中要求两个光子同一时间到达光屏的同一点叠加而产生明暗条纹，若真的有两个光子同时到达屏上，则由于一个光子相对于另一个光子的运动速度是光速，则不会发生叠加。但是。这个实验已有无数人做了一百多年。

其实，我们见到太阳的白色光是有多种颜色的光构成的，其中我们能感觉到的是七种颜色——七色光的由来，若光子相对于光子的运动速度仍是光速，那么这些光为什么没有分开使我们见到七色光？现有的彩色电视的七种颜色实际上是由三种颜色组合成的，若光子相对于光子的运动速度仍是光速，我们还能见到这种组合效果吗？

事实是

我们天天看彩色电视节目。

怎么解释？

谁错了？

爱因斯坦？！

托马斯·杨？！

不用爱因斯坦追光子，相干光子间必须拥有位相一定的确定波形，彼此观看对方的运动图像，只能是不变的同步震荡的电磁场，不然就不会产生明暗条纹了。

     3、同时性的绝对性。

在狭义相对论中，假设S^‘系相对于S系沿X轴方向运动，由于光运动速度的有限性，出现了同时性的相对性。而不是在S^‘系和S系之间本身就存在根深蒂固的同时性的相对性。我们分析如下：

没有理由要求两个坐标系一定要沿着重叠的X轴方向有相对运动。

我们假设S^‘系和S系平行等速度运动，在S^‘系中前后各有一盏灯。这时，一方面，处于地面上静止的坐标系中的人会认为S^‘系和S系中的时钟按同样大小的变化。同时性具有相对性；但是，对于S^‘系和S系中的观测者见不到对方时钟的变化。这与处于同一参考系中完全一样。当S^‘系中前后两等同时发光时，S^‘系中在车厢中间的观测者，与对面S系中的处于两盏灯的垂直平分线上的观察着也会同时见到灯的发光现象。如下图所示。

     还有，这两个参考系都会认为彼此处于静止状态，彼此间能观察到钟慢尺缩的变化吗？有运动质量的变化吗？把他们看成同一参考系与不同参考系有什么区别吗？

另外，我们假想以两个光子作为S^、、S系，则由于光子相对于任何一个参考系拥有不变的光速。这样的参考系之间能进行信息的沟通吗？能从S系发出一束光来测量S^、系中的时间、空间吗？在这样的参考系中物体的运动怎样描述？其拥有的质量、能量怎样计算。时空变换也满足洛伦兹变换吗？

                                                                                        （未完待续）