洛伦兹变换为什么会得到长度在运动方向上发生收缩（尺缩）的结论？

马海飞

（ http://blog.sina.com.cn/gfis 2014年12月19日）

凡是对爱因斯坦相对论有点了解的人都听说过 “时间膨胀”和“尺缩”的概念。而这些概念的起源其实是“洛伦兹变换”。洛伦兹变换是为了解释迈克尔逊－莫雷实验得到的零结果由洛伦兹建立起来的一套方程组。也可以说，洛伦兹变换是为了解决麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不协变的问题而建立的。

洛伦兹变换所得出的一个结论就是：物体的长度在运动方向上会发生收缩（变短）的现象。这个现象被称为“尺缩”。爱因斯坦的狭义相对论就是在洛伦兹变换的基础上建立起的。因此，在爱因斯坦的相对论中就有了“尺缩”和“时间膨胀”这些概念。

“尺缩”是一个非常匪夷所思的“物理”现象。令人难以想象和接受。可是，科学家们对此却坚信不疑。那么，尺缩到底是怎么一回事呢？坚硬的物体真的会在运动方向上出现缩短的现象吗？

其实，经典力学是把“光速”作为“质点速度”看待的。伽利略变换就是一个适用于质点速度的变换。然而，光速实际上并不是“质点速度”，而是“波速”。“波速”与“质点速度”是物理性质完全不同的速度。质点速度是轨道速度，而波速是场速度。伽利略变换并不适用于波（场）速。质点速度与受力情况相关，而波速与受力情况完全无关。波速只与介质有关。所以，用经典力学的伽利略变换去计算电磁波（光）的传播速度与波源或观察者（质点）速度之间的“叠加关系”是根本就行不通的。因为麦克斯韦方程组是对场（波）的物理规律做出的数学描述，而不是对质点物理规律的描述，所以麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不协变是理所当然的事情。

可是，凡是不知道物质同时具有实体和场这两种基本属性的人都会以为物质只有唯一的一个“实体属性”。这些人对任何物理现象最终都想从实体（质点）上去进行解释。因此，当麦克斯韦方程组对波与场的物理规律做出成功描述之后，人们就想把这组方程与经典力学的伽利略变换联系起来。这种努力当然是不会成功的。因为麦克斯韦方程组针对的是“物质场属性表现出来的物理现象和规律”，而伽利略变换所针对的是“物质实体属性表现出来的物理现象和规律”。就像重量不能与体积相加一样，“场”是不可能与“质点”进行数学叠加计算的。尽管波速和质点速度都被叫做“速度”，但这两个速度是本质不同的速度。所以它们之间是不可能按照伽利略变换方式叠加的。

然而，由于当时的人们对物质的“场属性”并不了解，所以，就想用物质实体属性的质点规律去解释电磁波这样的场现象。洛伦兹就是这样的一位学者。他想把麦克斯韦方程组与伽利略变换统一起来，于是就建立了一个“洛伦兹变换”。从理论上讲，洛伦兹变换的目的就是想把“场”与“实体”（质点）之间的换算关系找出来。可是，因为洛伦兹并不知道场与实体质点之间是什么物理关系，（他似乎对这种物理关系也并不感兴趣），所以，他完全是用数学关系来解释场与质点之间的关系。在数学上，麦克斯韦把光速设定为一个常数。洛伦兹接受了这个常数。因此，在洛伦兹变换中，光速实际上也是作为常数使用的。常数当然就是一个不变的数。

为了与真正的光速加以区别，本人把作为常数使用的那个光速叫做“光速常数”。把客观存在的具体物理光速叫做“实际光速”。“实际光速”与“光速常数”之间的关系有点像物体的“重量”与“质量”之间的关系一样。质量与重量是不同的物理概念，但二者密切相关，也使用同样的物理量来表示。同一个物体的质量在任何情况下都是不会改变的。但重量却可以随着环境的改变而改变。光速常数与实际光速的关系也是如此。光速常数是不变的。而在具体环境情况下，实际光速并不一定永远等于光速常数。只不过在一般情况下二者之间的差小得无法察觉而已。例如在一般的真空中，光速只不过是一个近似光速常数的速度而已。并且，在一般实际应用中，因为距离都很短，所以把光速常数作为实际光速使用一点问题都没有。

麦克斯韦方程组是对电磁波中小尺寸和小质量以及物体运动速度不太快的情况下有效的数学描述。在这一点上，它与牛顿力学非常相似。因为在这些条件下，光速常数与实际光速之间是可以不分的。可是，当物质的运动速度非常快（光速级）、或物质的质量非常大（天体级）以及涉及到的距离非常远（宇宙尺寸）时，实际光速与光速常数之间就会出现不可忽视的差距。

这就好像牛顿定律中的“直线”和“匀速运动”的概念一样。直线和匀速运动只在小尺寸范围内存在而且也只是近似的。在涉及到物质运动速度非常快（光速级）、或物质的质量非常大（天体级）以及距离非常远（宇宙尺寸）时，牛顿的理论就出现了不可忽视的误差。

所以，到了宇宙尺寸，光速级物质运动以及天体级物体质量的境地，无论是光速还是物质运动，“与理想的光速常数相同的光传播速度”以及“物质的匀速直线运动的运动状态”都将是不存在的。

基于这个理由，笔者认为，目前物理学理论中所说的那个“光速不变原理”应该叫做“光速常数化”。就是说，“光速不变原理”中“光速不变”的原因是人为地把标准光速设定为一个常数所导致的。并不是指客观存在的实际光速不变。

问题是，光速的变与不变与“尺缩”的问题之间有什么关系呢？

回答这个问题的前提就是“必须要对物质的基本属性有所了解”。否则就无法理解尺缩现象是如何产生出来的。

虽然麦克斯韦方程组所涉及到的物质的“场属性”与伽利略变换所涉及到的物质的“实体属性”之间存在本质的区别，但是，这两个属性却是一个统一体的关系。这个统一体就是物质。也就是说：物质＝实体属性＋场属性。

我们知道，运动物体所发出的波都会出现多普勒效应。任何波都不例外。在多普勒效应中，波源运动前方的波呈现出压缩的形式，运动后方为疏解形式。这是波（场属性）的一个物理特征，而不是物质质点（实体属性）的物理特征。可是，因为在洛伦兹的心目中并没有物质同时具有实体属性和场属性的概念。他一心想用质点来描述场的物理现象，因此在洛伦兹变换中，把波与实体混为了一谈。如此一来，就把场（波）的压缩想象成了物质实体的压缩。这样，得出“尺缩”的结论就是可想而知的事情了。

根据质量场理论，质量场是光的传播介质。当物体处于运动状态时，该物体的质量场也会出现类似多普勒效应的现象。也就是在运动前方的质量场出现压缩现象。在压缩后的质量场中传播的光速相应减慢。但物体本身并没有任何变化出现。可是，在这种状况下如果把光速设定为一个不变的常数，而且又把场与实体不分的话，那么，得到的结果就一定是物体的尺寸缩短了。或者是时间膨胀了。

这样的解释也许太枯燥，有些读者可能不太容易理解。下面我们用比较通俗的例子来做出解释。

在对相对论的“尺缩”及其“相对性”的解释中有这样的例子：一个站在地面上的人看一列火车随着它的运动速度的增加会不断缩短。当火车的速度达到光速时，站在火车以外的人看火车的长度就是零了。可是，火车上的人看火车的长度并没有发生任何变化。

这种“现象”到底是怎么来的呢？

其实，尺缩现象是一个光学假象。产生这个假象的过程是这样的：当火车处于运动状态时，火车运动前方的质量场出现压缩现象。光速减慢。所谓“光速减慢”的意思就是光波的波长缩短了。也就是所谓的蓝移现象。理论上，当火车的速度达到光速时，在火车运动方向上的光波波长度为零。站在地上的人就看不见火车了。而这种光波的变化对坐在车上的人没有任何影响。所以，车上的人看火车的长度没有任何变化。

这是什么意思呢？这就是说，所谓的尺缩现象是一个“介质变化的所导致的现象”，而“不是物体本身变化产生出来的现象”。人在观察火车的时候必须要通过“光”这个中间介质才能实现。如果没有光的话，人是看不到火车的。可是，如果光发生了变化，人看到的结果就不同了。火车运动造成了质量场密度发生变化。质量场密度的变化导致了光速的变化。而光的这个变化只对火车以外的人有影响，对车里的人没影响，因此，站在地上的人与坐在车上的人看同一列火车就得到了不同的结果。尽管如此，火车本身并没有任何变化。

这就好比我们站在哈哈镜前面看自己。从哈哈镜里看到的是变了形的自己。但直接伸出自己的手和脚来看的话却没有任何变化。哈哈镜里的变形自己是由哈哈镜这个“中间介质”导致的。只有傻子才会把哈哈镜里的那个变了形的自己当成是真的自己变成那个样子了。

从以上解释不难理解，洛伦兹变换以及相对论中所谓的“尺缩现象”并不是真的“尺子”本身缩短了，而是那个在“尺子”和人眼之间传递信息的介质（光）“缩短”了。尺缩现象只不过是一个视觉效果而已。这就象3D电影所制造出来的视觉效果一样。我们不能把那个“效果”当成是真实世界。在数学上，如果把作为介质的光的速度定义为常数，那么，计算得到的结果就是物体的尺寸缩短了。所以说，在“尺缩”现象中并不存在“尺子”本身的物理变化。

我想，洛伦兹先生是把M-M实验结果与预期的结果不同这个问题是作为一个“哲学悖论”来用数学方法处理的。就好像有些人用数学方法解决龟兔赛跑的悖论一样。根本就没有去考虑其中的物理机制问题。这样的数学运算其实并不是真正的物理学研究，而应该算是一种数学游戏。实际上，当今物理学界很多人还是在进行着这样的数学游戏式的研究。喜欢这类数学游戏好像是理论物理学家特有的爱好。需要指出的是：这样的研究即使是在数学上没有错误，但在物理学上却是完全错误的。

现代物理学因为过度相信和崇拜数学，并极端地忽视物理机制。使用数学对“表面现象”进行精确的描述。结果，把介质缩短而产生出来的那个表面现象（即假象）当成了真实的客观存在对待。因而造成了物理学上的巨大混乱。也让学习物理学的人难以理解和接受。洛伦兹变换在物理学理论上的错误直接导致了爱因斯坦狭义相对论在物理上的错误。由于爱因斯坦相对论对现代物理学的影响巨大，因此他的错误对物理学理论研究的发展来说是灾难性的。

希望读者擦亮眼睛，看清真相。看了本文以后就再不要相信那些“物体长度在运动中可以缩短”以及“时间可以膨胀”之类的谎言了。不要以为权威不会制造谎言。亚里士多德这位“超级权威”制造的“地心说”不就是一个延续了一千多年的谎言吗？越大的权威制造出来的谎言对正常的人类进步所造成的损害越大和越持久。