百年相对论（十六）

作者：刘文旺

我们知道，量子力学和相对论是近代物理的两大支柱，但是这两个理论的创始人，从这两个理论诞生之日起就存在争论。爱因斯坦通波尔之间的争论延续了很长时间，被称为世纪之争。当波尔和爱因斯坦纷纷离世后，这一争论又转化为霍金同彭罗斯之间的争斗。

 其实，这源于这两个理论本身存在不相容性。在量子力学中存在量子纠缠现象。这里的相互作用超过了光速。这时爱因斯坦的相对论所不能包容的。这才是爱因斯坦极力反对量子理论的根本原因。

六、相对论与量子理论的矛盾

1、电磁相互作用与相对论

如下图所示，在一个管道内有三个电荷，q_左、q_右与Q_中的距离相等、且q_左=q_右则有q_左、q_右与Q_中的作用力分别为F_1、F₂是相等的，即F_1、=F₂，但我们在这一管道内冲入高速运动的处于超流状态的液体或气体，方向向右，则由我们关于菲索实验的分析可知，这时由于运动的水的轨道电子能量发生变化，使光子在此方向上运动速度增加。

我们知道，按现有的电磁相互作用理论，这些电荷间的相互作用，是通过交换光子实现的。由于，向右运动的光子速度大于向左运动的速度，因此，单位时间内，向右传递的光子数大于向左传递的光子数，这就使得这三个电荷之间的相互作用出现作用力不能于反作用力的现象。即q_左作用于Q_中的力，大于Q_中作用于q_左的作用力，Q_中作用于q_右大于q_右作用于Q_中的力。

这种现象出现了吗？

由牛顿第三定律可知，物体间的相互作用总是大小相等方向相反的。而牛顿定律的得出，是在地球上的实验室内完成的。而地球上的实验室中的介质伴随着地球的自转与公转高速运动着，为什么没有发现这一问题？

若真会这样，就会出现一个奇怪的现象，那就是，相互作用时间差的存在会使这些电荷左右摆动，从而产生电磁辐射。这样就在没有能量输入的情况下持续向外释放出电磁波能量。这与能量守恒直接矛盾。若这一过程能实现，这就是标准的永动机，我们可以适当改变这些电荷的质量，从而调整他们的振荡频率，通过这一途径辐射我们需要的无线电波而不消耗能量。电视信号、收音机信号、照明、微波炉等都用上了用之不尽的能量。尤其是他不需要消耗我们已有的能量。

实际上，这体现的是在狭义相对论的框架下，电磁相互作用是通过交换光子实现的理论的错误性。

我们继续分析如下：

                           Q_中

    q_左

                                               q_右

在这个实验中，令含有这三个电荷的小车运动起来，电荷量相等。会发现，若交换光子产生电磁相互作用，则应该有，交换光子能量不相等产生的三粒子的温度、电荷量的变化。若小车向右运动，有相对论的多普勒效应可知：q_左向Q_中传递的光子的能量，小于其从Q_中处得到的光子的能量，Q_中向q_右传递的光子的能量，小于其从q_右处得到的光子的能量，总的来说，Q收支平衡，温度、电荷不会发生明显的变化，而q₁温度相对升高、电荷增加；而q₂温度则相对降低、电荷减小。但我们从没有见到这样的事件的存在。所有的粒子拥有的性质——电荷、质量、自旋、磁矩等都是不变的，与其曾经参与过的任何的电磁相互作用过程无关。

在此实验中，我们又得出了一个可以检验热力学系统是否达到热平衡状态的方法。即在一个各向同性的介质中测量一下光子在其中运动的速度是否具有同样的各向同性，就可以检验出该体系是否达到了热平衡状态：光速达到各向同性状态，则该热力学系统达到了热平衡状态；光速未达到各向同性状态，则该热力学系统未达到热平衡状态。

在这里我们再一次见证到，伽利略用运动的船来解释相对性原理的成立是有条件的，那就是船中的各种介质处于热平衡状态。例如，当其中的空气处于热平衡状态（封闭），则我们发现其中的光速、声速具有各向同性，因此，我们的交谈不会受到影响。假如这艘船是敞开的，则在船高速运动时，就会发现，光速、声音的速度在船运动的方向和相反方向上并不相等。伽利略也就得不出相对性原理了。

在伽利略用大船解释相对性原理时，也是假设处于船的底舱中，这时正对应着，其处于近乎封闭的状态，其中的空气因此得以处于热平衡状态。

2、多普勒效应与能级跃迁

习惯上我们把牛顿时代的物理学称为经典物理学，在20世纪初诞生的量子力学、相对论称为近代物理学（相对论主要由爱因斯坦完成——1905年建立狭义相对论，1915年12月建立广义相对论。而量子力学是由波尔带头，经薛定谔、狄拉克、德布罗意、海森堡、泡利等人共同完成的，如玻尔提出互补原理、海森堡提出测不准关系、薛定谔提出薛定谔方程、德布罗意提出物质波、狄拉克提出狄拉克方程等（后人统称这一群体为哥本哈根学派）。

但两种理论是不相容的。两个理论的掌门人玻尔和爱因斯辩论到去世。而且，这一现象延续到今天。典型的人物代表就是霍金和彭罗斯。

这就产生了一个问题，为什么存在这一争论。也许这样的争论很正常，但是若追究其中的原因，却能使我们发现一些问题。在这场争论中玻尔先生基本处于守势，而爱因斯坦则是进攻的一方。每当爱因斯坦提出一个新的进攻观点，玻尔则是费尽心机寻找破绽予以反击。

这到底是为什么？

其实，量子力学确实存在诸多的问题，例如，物质波的本质是什么、为什么会出现隧道效应这一违背能量守恒的现象等，尤其是体系可以处于不同量子态，并且不同量子态之间具有不确定性。爱因斯坦认为量子力学是不完备的。更让相对论不能接受的是量子纠缠现象具有超光速现象，这是爱因斯坦的相对论所不能接受的。在狭义相对论里，任何粒子或物体的运动速度不能超过光速。这就形成了两种理论的水火不相容现象。

我认为就应用范围来说，量子力学远胜于相对论。

我们知道天文学家告诉我们，宇宙天体的组成物质主要是氢和氦，而且能告诉我们离我们最近的恒星的组成元素是什么，他们是怎样做到的。

量子力学告诉我们不同的元素能发出不同的颜色的光，这种光的颜色与相应的元素的对应关系称为这种元素的特征光谱。这就产生一个问题，在一个实验者的实验室内某种颜色的光不能被某一原子吸收时，一个相对于这个实验者运动的观测者认为，当其以一定的速度运动时，光子会发生多普勒效应而使其能量发生变化，从而达到这一元素的特征光谱，应该使原子吸收光子而实现能级跃迁，而事实是这一原子没有吸收这一光子而发生能级跃迁，光子逃逸掉了。两者的矛盾如何解释？当然，也有相反的过程发生，即在一个环境中的一个原子吸收了一个光子而发生了能级跃迁，但在另一个运动的观测者看来，由于光子会发生多普勒效应，而能量发生红移或紫移而不应该发生吸收现象，而应该散射掉。相对论如何解释这一矛盾的过程。

我们知道在光子与不同的材料的相互作用过程中，会因为光子的能量而产生不同的效果，在较低的能量下易于发生光电效应、轫致辐射，在能量稍高一些则易于发生康普顿效应，能量再高则易于产生正反粒子对。这就产生一个问题。假如一种光子在一个实验者的实验环境中发生了光电效应——光子消失并见到了释放出来的电子（在光电效应中把这个电子叫光电子），那么，在另一个相对于这个实验者运动的观测者看来，情况就复杂了。这个观测者以不同的速度运动，这一光子应该具有不同的能量，从而应该产生不同的现象：可能是粒子对的产生，也可能是发生了康普顿效应等。但实验结果只见到了原子对光子的吸收——发生了光电效应。这怎么解释？

看来相对论和量子力学这一对冤家的恩怨还真不少，还得争论下去。

4、时空变化与隧道效应

在量子力学中有一种隧道效应，说的是当粒子的能量小于势垒的能量时，这个粒子也具有一定的几率穿过势垒。在超导现象中人们在两片金属板之间加一绝缘板构成的结构称为隧道结——厚度约10^-9m。这时会有电子通过绝缘体，若在两端加上电压，就会形成电流——隧道电流。下面我们从相对论分析这一现象。

我们可以做一个任意厚度的隧道结——假设是L=1m把这一隧道结连入电路。

当实验者相对于这一电路静止时，会发现电流表的示数为零，这是因为这一隧道结的厚度太大了，是能产生隧道电流的应有厚度的10⁹倍。现在，这一观测者开始以极高的速度相对于这一装置运动。由于相对论效应，这时，该隧道结的厚度明显变小L^‘=L(1-β²)^1/2。当运动速度达到某一数值时，L^’<10^-9m，这时隧道结的厚度满足隧道效应的产生条件，该实验者认为能见到隧道电流的产生。但是，我们知道电流表的示数是不会发生变化的，即电流表的示数仍然是零。这个观测者会产生疑惑吗？

谁的错？

相对论？！

还是量子力学？！！

     爱因斯坦的狭义相对论是在光速不变的假设下建立起来的，前提是光速不变，因此，从逻辑的角度看爱因斯坦的理论并没有解决光速为什么不变的问题。而其质量与运动速度的关系式、质量与能量的关系式可以说是在试验范围内正确，或实验者有意选择了实验数据造成的。还有，相对论并没有解决这些现象产生的原因，也就是说没有给出这些现象的本质性认识。

 5、2016年6月16日凌晨，LIGO合作组宣布：2015年12月26日03:38:53，位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器几乎同时探测到了一个引力波信号；这是继LIGO2015年9月14日探测到首个引力波信号之后，人类探测到的第二个引力波信号。

（图1）                           （图2）

图2：LIGO的两个观测站探测到了同一个引力波事件。上面为观测得到的曲线，下面是和理论相比较之后的拟合结果。（来源于LIGO所发文章）

     这一消息震惊了科学界，理论物理学家们认为这证明了广义相对论的正确性，实验物理学家们认为，证明广义相对论的最后一块基石（另外的有光线弯曲、水星进动、微波背景辐射等已先后找到）已经找到。

     事实真的是这样吗？

     我们随时可以让一个观测者，相对于这个引力波探测器的两条长臂的方向运动，这时若真的存在钟慢尺缩现象，则在这个运动的观测者看来，引力波的长臂在其运动的方向上发生了收缩，则应该发生干涉条纹的变化。

事实上，世界上运动的物体多了，而引力波并没有因此而产生干涉条纹的移动。也没有令人信服地发现引力波的存在。

6、量子力学与狭义相对论的本质性冲突还在于关于质量与能量的问题上。

按照狭义相对论的质能关系可知，能量与质量一一对应。因此，在原子吸收光子而发生能级跃迁的过程中，一方面，由于原子吸收了光子而使其能量增加：E=hν，因此，它拥有的整体质量应该增加，增加量为：Δm=hν/c²，但是，另一方面，由量子力学的知识可知，原子吸收光子后轨道电子发生能级上迁，运动速度减小。再由狭义相对论的质速关系：可知m=m₀/[（1-（v/c））]^1/2可知，轨道电子由于运动速度减小而质量减小。而原子核的质量没有变化。因此，原子的总质量应该减小。这就产生了不可调和的矛盾。都是应用狭义相对论的知识，在量子力学中却出现了不可调和的矛盾。