加载中…第五问：“相对性原理”符合事实吗？
(2020-02-24 15:44:23)
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相对性原理运动的相对性周年光行差惯性系 |
分类： 理论物理 |
——对现行物理教科书的若干质疑
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第五问目录
§5.2 为什么曾经有许多著名的理论物理学家都倾向于“舍弃相对性原理”？
§5.3 爱因斯坦精选出来的两个支持相对性原理的“普遍事实”，是事实吗？
5.3.2 所谓十分强有力的论据——地球的物理空间各向同性——是事实吗？
***
在上一问中我们已有力地论证了，牛顿力学所适用的参考系并不是“惯性系”，而是运动物体所处的“引力场”！这就印证了爱因斯坦的断言——【战胜‘惯性系’概念之所以成为可能，只是因为‘场’的概念逐渐代替了物质客体的概念。】[1]
问题是，“惯性系”被引力“场”战胜了之后，“相对性原理”如何立足？因为“相对性原理”是以“惯性系”为前提的！否定了这个前提，岂不是连“相对性原理”也否定了？
“相对性原理”可是爱因斯坦心目中“动力学的根本原理”，这样的“根本”原理，岂容被质疑？但是，历史上曾经有“许多著名的理论物理学家比较倾向于舍弃相对性原理”；[2] 而且，著名的实验物理学家菲利普·莱纳德（1905年的诺贝尔物理奖获得者）更是坚决摈斥“相对性原理”。[3] 因此，质疑“相对性原理”，也并不意味着就是浅薄！
质疑“相对性原理”，通常都会遭到反诘：难道运动不是相对的吗？
其实，“相对性原理”和“运动的相对性”根本就是两回事！
§5.1 “相对性原理”是指“运动的相对性”吗？
我们知道：“自然界的一切物体都处于永恒的运动中，绝对静止的物体是不存在的。就此意义而言，我们说运动是绝对的。但是，描述某一物体的位置及其随时间的变化，却总是相对于其它物体而言的。这便是运动的相对性。”[4] 对这个简单的道理未见有争议。
而相对性原理，并不是指这个简单的道理。
严格地说，相对性原理有三个：力学相对性原理、狭义相对性原理、广义相对性原理。这三者之间不是并立的关系，而是逐层包含的关系。
1）力学相对性原理。（也称为伽利略相对性原理）
伽利略观察了船舱里的一些力学现象：“使船以任何速度前进，只要运动是均速的，也不忽左忽右地摇摆。你将发现……你跳向船尾不会比跳向船头来得远……水滴将像先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾……蝴蝶和苍蝇将继续随便地到处飞行，它们也决不会向船尾集中”，等等。并由此得出一个结论：“你无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动”。[5] 后人把这个结论称为“伽利略相对性原理”：“在任何惯性系中，力学定律具有相同的形式”，“历史上，是惠更斯首先应用这一原理，并把它看成力学的基本规律。”[6]
2）狭义相对性原理。（通常都省略“狭义”二字，就简称为相对性原理）
爱因斯坦进一步把伽利略相对性原理的适用范畴，从力学扩展到全部物理学，他定义：【自然规律在所有惯性系中具有相同的形式。这个定理称为‘狭义相对性原理’。】[7]
据费曼考证：“从历史上看，相对性原理是在麦克斯韦方程组之后才发现的。事实上，正是对于电和磁的研究才最后导致爱因斯坦对相对性原理的发现。”[8]
3）广义相对性原理。（通常都保留“广义”二字）
爱因斯坦又更进一步把仅适用于“惯性系”的狭义相对性原理，扩展到了适用于任何参考系，称为广义相对性原理：“一切参考系都是平权的，物理定律在任何坐标系下形式都不变，即具有广义协变性。”[9]
注意，与没有争议的“运动的相对性”不同，历史上对于“相对性原理”的正确性是存在很大争议的。爱因斯坦指出：曾经有“许多著名的理论物理学家比较倾向于舍弃相对性原理。”[2] 甚至，爱因斯坦自己也对“广义相对性原理”有动摇——《爱因斯坦全集》的编辑在第七卷的“序”中指出：“在回答Erich Kreyschmann的批评时，爱因斯坦承认广义协变在物理上没有意义。相对性原理不再被陈述为任意参考系的等效性。类似地，等效原理也不再被表述为是将相对性原理从匀速运动推广到非匀速运动。”[7]
显然，质疑“相对性原理”，并不是质疑“运动的相对性”！
§5.2 为什么曾经有许多著名的理论物理学家都倾向于“舍弃相对性原理”？
19世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了一定的实验依据。同时，麦克斯韦建立了一套能完美描述电磁学基本定律的理论——麦克斯韦方程组。由麦克斯韦方程组可导出真空中电磁波的传播速度c =1/√(ε0μ0)，其中的真空电容率ε0和真空磁导率μ0均是基本物理常量，都是普适的。因此，真空中电磁波的传播速度c当然也是一个普适常量。
赵凯华的《电磁学》告诉我们，过去并不知道这个常量c就是光速。但“从数值上看，这个常量c与已测得的光速吻合得相当好，由此，麦克斯韦得出这样的结论，光也是一种电磁波，c就是光在真空中的传播速度，……赫兹等人所做的大量实验事实从各方面证实了光确是一种电磁波。”[10] 这就意味着光速亦是一个普适常量。
爱因斯坦把“光（在真空中）的速度c是恒定的”，“升格”为光的传播定律。[2]
爱因斯坦说：“谁会想到这个简单的定律竟会使思想周密的物理学家陷入智力上的极大的困难呢？”[2]
爱因斯坦指出：如果沿着路基发出一道光线，假定车厢以速度v在路轨上行驶，其方向与光线的方向相同，根据经典力学中的速度相加定理，光线相对于车厢的速度将等于c-v，这就出现了光速小于c的情况，这个结果，“与相对性原理是严重抵触的！因为，根据相对性原理，真空中光的传播定律，就象所有其他普遍的自然界定律一样，不论以车厢作为参考物体还是以路轨作为参考物体，都必须是一样的。”[2]
赵凯华的《电磁学》也指出“在电磁学里，无论速度多么低，伽利略变换都不适用”！[10]
因此，1905年前后，物理学家们普遍认为，麦克斯韦方程组（包括光的传播定律）与相对性原理是严重抵触的。因此，这相抵触的二者，必有一错！
那么，应该是保留麦克斯韦方程组，还是保留相对性原理呢？
一般都认为，当然应该保留相对性原理——它是“如此自然而简单”，而且又非常符合大家“舟行而人不觉”的经验。
但是，对于思想周密的理论物理学家来说，他们不会轻易相信“经验”——鉴于伽利略大船上那些粗略的力学现象的精确度完全无法与电磁学实验相比，因此，麦克斯韦方程组与伽利略相对性原理相比，前者当然应该更可靠，而且，大家也知道，“在古典力学的发展过程中，相对性原理所起的作用不大”。[11]
所以，当时“许多著名的理论物理学家还是比较倾向于舍弃相对性原理。” [2]
让人意外的是，爱因斯坦却力排众议，坚决主张：麦克斯韦方程组和相对性原理，这两者均应保留！
那么，爱因斯坦凭什么如此“抬举”相对性原理呢？
§5.3 爱因斯坦精选出来的两个支持相对性原理的“普遍事实”，是事实吗？
爱因斯坦之所以坚决不赞同“舍弃相对性原理”，那是因为他坚信，“有两个普遍事实在一开始就给予相对性原理的正确性以很有力的支持。”[2]
这两个普遍事实是指：
1）伽利略相对性原理在力学领域是高度准确的；2）地球的物理空间是各向同性的。[2]
让我们先考证这第一个“事实”。
5.3.1 伽利略相对性原理在力学领域高度准确吗？
爱因斯坦指出：“必须承认经典力学在相当大的程度上是真理……因此，在力学的领域中应用相对性原理必然达到很高的准确度。”[2]
遗憾的是，爱因斯坦对这个“很高的准确度”并未给出任何具体事实！
爱因斯坦只是根据伽利略相对性原理作出了两个著名的断言，断言一：“假如两个坐标系相对转动，那么力学定律不能在两者之中都有效。”[12] 断言二：“假使有两个坐标系，相互作不等速运动，则力学定律不会在两者之中都是有效的。”[12]
很不幸，我们发现，许多事实都与这两个断言不相符！
请看下面五个事实：
1）力学定律在关联于地球的坐标系中，是非常有效的，不然，牛顿怎么可能在地球实验室中，归纳、总结出力学定律呢？
2）爱因斯坦强调：“关联于太阳的坐标系比关联于地球的坐标系更象一个惯性系。”[12] 这当然意味着，力学定律在关联于地球和太阳的坐标系中都非常有效。
3）在月球上，宇航员们已证实了力学定律与地球上的一样有效。
4）爱因斯坦指出：对自由落体电梯内的观察者来说，力学定律是有效的。[12]
5）自由飞行（关掉引擎且无自转）的航天器中，宇航员们已证明了力学定律非常有效。“神舟十号”宇航员王亚平在太空的力学实验再次验证了这一点。
上述这五个坐标系，它们相互之间有的是相对转动，有的是相对加速，更多的是更复杂的关系，但有一个共同的特征，它们相互之间肯定“都”是在作“不等速运动”（连近似的匀速直线运动都远远够不上），然而，力学定律相对于它们，居然“都”非常有效！
可见，爱因斯坦根据伽利略相对性原理所作出的两个断言，统统都不成立！
面对这么多严重违反伽利略相对性原理的事实，怎么可以说伽利略相对性原理在力学领域已“达到很高的准确度”呢？
显然，爱因斯坦精选出来的这第一个“事实”，并不是事实！
有人反驳：上述五个坐标系中力学定律的“有效”，都是近似的，是绝不可以当论据的！
殊不知一切“度量衡”都是近似的，难道“近似的”就“绝不可以当论据”吗？我完全赞同中科院高能物理所秦荣先和阎永廉研究员的观点：“我们用精度很差的实验就可以否定一种理论，但是却不能用有限精度的实验最终证明一种理论。”[13]
有人强调：相对性原理的成立，必是有其边界条件或适用范畴的。然而，他们谁也没能告诉我，上述这些与相对性原理相抵触的事实究竟超越了什么边界条件或适用范畴。
也有人反诘：难道你能合理解释“在关联于地球、太阳、月球、自由落体电梯、自由飞行航天器这五个相互作不等速运动的坐标系中，力学定律为什么都非常有效”吗？
非常简单——我们在第四问中已有力地论证了“力学定律所适用的特选参考系就是运动物体所处的引力场”，那么，处在关联于地球、太阳、月球、自由落体电梯、自由飞行航天器的坐标系中，也就是处在各自的引力场中，力学定律当然都一定非常有效！
有人问：那么，应该如何理解伽利略大船上的那些符合我们感官经验的力学现象呢？
其实，伽利略大船上的那些力学现象过于粗糙，在精度要求不高时采信一下这些“感官经验”，有时倒也能带来一些方便，仅此而已。若认为这些“感官经验”是高度准确的，甚至把这些“感官经验”提升为“动力学的根本原理”，则是违背事实的！
让我们再考证一下爱因斯坦所给出的第二个“事实”。
5.3.2 所谓十分强有力的论据——地球的物理空间各向同性——是事实吗？
爱因斯坦指出：【由于我们的地球是在环绕太阳的轨道上运行，因而我们可以把地球比作以每秒大约30公里的速度行驶的火车车厢。如果相对性原理是不正确的，我们就应该预料到，地球在任一时刻的运动方向将会在自然界定律中表现出来，而且物理系统的行为将与其相对于地球的空间取向有关……但是，最仔细的观察也从来没有显示出地球物理空间的这种各向异性（即不同方向的物理不等效性）。这是一个支持相对性原理的十分强有力的论据。】[2]
爱因斯坦这段话的逻辑非常清晰：如果能找到地球物理空间各向异性的证据，就可以证明相对性原理是不正确的！
很不幸！我们居然找到了两个大家都很熟悉的地球物理空间各向异性的铁证：
1） 布拉德雷光行差现象，证明了地球的物理空间是各向异性的
1728年，布拉德雷发现了“周年光行差”现象：为了能看到天顶的恒星，不能将望远镜绝对竖直地放置，而必须将望远镜轴线调整到偏向地球的公转运动方向，向前倾斜20.5’’ 角度，望远镜的轴线在一年中将描画出一光行差圆锥。[14]
如果地球的物理空间是各向同性的，那么，还有什么必要把望远镜轴线总是偏向地球的公转运动方向呢？这当然证实了，地球的公转运动方向，与其他方向的性质是相异的。
2） 原子钟环球航行实验，也证明了地球的物理空间是各向异性的
据中科院理论物理所张元仲研究员考证：“1971年，Hafele和Keating ……将四只铯原子钟放到飞机上，飞机在赤道平面附近高速度向东及向西绕地球航行一周后回到地面，然后将飞机上的四只铯原子钟与一直静止在地面上的铯原子钟的读数进行比较，发现向东飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均慢了59×10-9秒；而向西飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均快了273×10-9秒。”[15]
这个著名的实验显示，向东飞行的原子钟会变慢，而向西飞行的会变快。这直接证实了：地球东西两个方向的物理性质是相异的！
显然，上述这两个地球物理空间“各向异性”的事实，都“十分强有力”地否定了爱因斯坦非常自信的那个“十分强有力”的论据！
至此，我们发现，爱因斯坦精选出来的两个支持相对性原理的“普遍事实”，统统“违背事实”！
§5.4 本章小结
“相对性原理”，号称为“动力学的根本原理”，但支撑它的论据却出奇的贫乏。几乎所有的教科书在讲授“相对性原理”时，除了列举伽利略大船上的那些“跳远、滴水……”等等粗略的“感官经验”之外，都没有给出其它实验证据。
在5.3.1小节我们已看到，相对性原理违背事实的证据确凿无疑。在5.3.2小节我们更看到，爱因斯坦用洪荒之力为相对性原理寻找到的一个“十分强有力”的论据——地球的物理空间各向同性——竟然明显违背事实！
既然“相对性原理”违背事实的铁证如山，那么，它怎么可能成立呢？
我们在<</span>第四问>中否定了“相对性原理的前提”——惯性系，只不过是为否定“相对性原理”另外又提供了一个强有力的论据而已！
第五问参考文献
[1] A.爱因斯坦，爱因斯坦文集（第一卷）[M]，商务印书馆，许良英、范岱年编译，1976：590
[2] A.爱因斯坦，狭义与广义相对论浅说[M]，上海科学技术出版社，杨润殷 译，1964：12～17
[3] A.爱因斯坦，爱因斯坦全集（第七卷）[M]，湖南科学技术出版社，邹振隆 主译， 2009：320
[4] 人民教育出版社 等，物理(1)必修（第3版）[M]，人民教育出版社，2010：10
[5] 伽利略，关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话[M]，上海人民出版社，1974：242
[6] 郑永令、贾起民、方小敏，力学[M]，第二版，高等教育出版社，2002： 78～79
[7] A.爱因斯坦，爱因斯坦全集（第七卷）[M]，湖南科学技术出版社，邹振隆 主译， 2009：6、
序21
[8] R.P.费恩曼，费恩曼物理学讲义（第2卷）[M]，上海科学技术出版社，郑永令 等译,2013：157
[9] 赵峥、刘文彪，广义相对论基础[M]，清华大学出版社，2012：10～13
[10] 赵凯华、陈熙谋，电磁学[M]，第三版，高等教育出版社，2011：571～572、301
[11] D.KLEPPNER 等，力学引论[M]，人民教育出版社，宁远源 等译，1980：541
[12] A.爱因斯坦、L.英费尔德，物理学的进化[M]，上海科学技术出版社，周肇威 译， 1979：
113～114、154～156、159
[13] 秦荣先、阎永廉，广义相对论与引力理论实验检验[M]，上海科学技术文献出版社，1987：3
[14] R.瑞思尼克，相对论和早期量子论中的基本概念[M]，上海科学技术出版社，1978：26
[15] 张元仲，狭义相对论实验基础[M]，科学出版社，1994：64
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