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(2020-11-08 19:36:11)
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对钟法 |
分类： 理论物理 |
能找到比“爱因斯坦对钟法”更理想的对钟方法吗？
费邦镜
狭义相对论，是爱因斯坦在1905年创立起来的一个“神奇”的“相对时空理论”！之所以说它“神奇”，那是因为——根据牛顿力学，“同时性”是绝对的；然而，根据狭义相对论，“同时性”却是相对的！
北师大赵峥教授揭示：“理解狭义相对论的关键就在于理解‘同时的相对性’。”[1]
其实，这个“关键”不仅是我们众人理解狭义相对论的关键，也正是爱因斯坦本人，在建立狭义相对论的过程中被卡住的“难点”——“相对论诞生前夕，爱因斯坦的思路被卡住一年多，就是因为他长时间没有认识到‘同时’这个概念不是‘绝对’的，而是‘相对’的。”[1]
对于同一地点两个事件的“同时性”，那是不言而喻的；而对于“异地”两个事件的“同时性”，当然就需要先明确——如何定义“两个异地事件的同时性”？
北师大刘辽教授指出：“定义两个异地事件的同时性，就相当于调整两个异地时钟的同步。”[2]
问题在于，应该采用什么样的方法来调整两个异地时钟的“同步”呢？
根据生活经验，一种最简单的方法是——可以先把两个理想的“好钟”放在同一地点进行“对钟”（即调整“同步”），然后，再把它们分别移动到A、B两地就可以了。
但爱因斯坦“深刻”地指出，“这种做法是有缺陷的”！ （根据狭义相对论，时钟的“移动”一定会影响“时钟的走时快慢”）
于是，爱因斯坦在创立狭义相对论的第一篇论文《论动体的电动力学》中，提出了另一种 “对钟”的方法：
【【如果在空间的A点有一个钟，在A点的观察者只要在事件发生的同时记下指针的位置，就能确定A点最邻近处的事件的时间值。若在空间的B点也有一个钟，此钟在一切方面都与A钟类似，那么在B点的观察者就能测定B点最邻近处的事件的时间值。但是若无其它假设，就不能把B处的事件同A处的事件之间的时间关系进行比较。到此为止，我们只定义了‘A时间’和‘B时间’，还没有定义A和B的公共‘时间’。
除非我们用定义规定，光从A走到B所需的‘时间’等于它从B走到A所需的‘时间’，否则公共‘时间’就完全不能确定。
按照定义，两钟同步的条件是 tB- tA = t’A - tB 。
我们假定，同步性的这个定义是无矛盾的，能适用于任何数目的点，并且下列关系总是成立的：
1、假如B处的钟与A处的钟同步，则A处的钟与B处的钟也同步。2、假如A处的钟与B及C处的钟同步，则B、C两处的钟彼此也同步。
这样，借助于某些假想的物理实验，我们解决了如何理解位于不同地点的同步静止钟这个问题，并且显然得到了‘同时’或‘同步’的定义，以及‘时间’的定义。事件的‘时间’就是位于事件所处的静止钟在事件发生的同时给出的时间，这个静止钟是校准过的，它在一切时间测量上都与一个特定的静止钟同步。
根据经验，我们进一步假定，量 2AB/( t’A - tA ) = c 是个普适恒量，即在真空的光速。】】[3]
上述“对钟”方法，就是著名的“爱因斯坦对钟法”。尽管叙述得有些晦涩，但却明确地定义了“同时”！
“爱因斯坦对钟法”可简述如下—— 欲判断A地的事件A和B地的事件B是否“同时”发生，需要把两只理想的“好钟”分别安置在A地和B地，并事先将钟A和钟B进行“对钟”（即把异地时钟调整成“同步”）。这样，事件A发生时它邻近的钟A有一个读数tA，事件B发生时它邻近的钟B有一个读数tB，如果tA = tB ，那么就可以断定事件A和事件B是“同时”发生的。关键是，爱因斯坦对钟法的成立是有前提的：1）必须用光信号进行“对钟”；2）必须“用定义规定，光从A走到B所需的‘时间’等于它从B走到A所需的‘时间’”！[3]
（现今主流物理学家在叙述这个前提时，都把“用定义规定”这个词，改成了“约定”。）
然而，这个“爱因斯坦对钟法”，却是有毛病的！
§1
正是因为采用了这种“对钟法”，爱因斯坦才“得到了‘同时’或‘同步’的定义，以及‘时间’的定义”，[3] 从而，才成功地创立了狭义相对论。
然而，“爱因斯坦对钟法”必须以光速不变 ——各方向的单向光速都恒定为c ——“光从A走到B所需的‘时间’等于它从B走到A所需的‘时间’”——为前提！
遗憾的是，中科院理论物理所张元仲研究员指出：迄今为止，“各种检验光速不变性的实验都只证明了回路光速的不变性，并没有证明单向光速的不变性。” [4]
更遗憾的是，“以相对论为核心的时空理论，从原则上否定了测量单程光速的可能性。也就是说，相对论告诉我们，我们测量的只能是双程光速。”[5]
这显然意味着，“爱因斯坦对钟法”的“前提”是靠不住的——为了验证“光速不变”，就必须先测定单向光速，而测定单向光速又必须先“对钟”，而“对钟”又必须以“光速不变”为前提——这岂不是典型的“循环论证”吗？
面对“循环论证”这个致命的逻辑毛病，爱因斯坦的对策是借用法国大数学家、大哲学家庞加莱的“约定论”！
“庞加莱认为时间的测量分为两个问题，一是‘异地时钟’如何同步，另一个是如何决定‘相继时间段’的相等。 他认为这两个问题的解决不能靠‘直觉’，而应该靠‘约定’。……1905年，他在《科学的价值》一书中再一次强调了他对‘约定’光的传播性质的观点：‘光具有不变的速度，尤其是，光速在所有方向都是相同的’。”[6]
北师大赵峥教授揭示：“爱因斯坦在他创立狭义相对论的第一篇论文《论动体的电动力学》中，就沿着庞加莱的思路，‘约定’真空中的光速各向同性而且是一个常数，从而校准了位于不同地点的两个时钟。” [5]
那么，这“约定”究竟是什么意思呢？查了一下词典：所谓“约定”，就是“事先商量并确定”的意思。
问题在于，“光速不变”是“光”的物理性质，难道物理性质是可以“事先商量并确定”的吗？
如果物理性质也可以“约定”，那我们为什么不去直接约定“钟的缓慢移动不会对‘钟的走时快慢’产生影响”呢？这样岂不是能让“对钟”更简单吗？
而且，如果物理性质也可以“约定”，那是否可以“约定”向东的光速比向西的光速快30% 呢？
显然，一切关于物理性质的“约定”（或者说成“用定义规定”）都是无法接受的。
对爱因斯坦这个带有 “循环论证”毛病的“对钟法”，理应是放弃。但是，苦于找不到速度无限大的瞬时传播信号，于是，大多数物理学家都无奈地容忍了“爱因斯坦对钟法”的这个“循环论证”毛病。
中科院理论物理所张元仲研究员指出：“除非我们发现瞬时传播的信号，否则，用于校准时钟的那种信号的单向速度的问题，总是一个无法检验的问题”[4]
那么，在找不到瞬时传播信号的情况下，是否有可能找到不带有“循环论证”毛病，而又“切实可行”的对钟方法呢？
§2
请看笔者设计的“中垂线对钟法”：如图一，在一坐标系中，A、B为两只相距不太远的理想的“好钟”，M为线段AB的中点，KM是AB的中垂线，且K距离M“足够远”，在K处放置一个闪光信号发射器，那么就可以近似认为光线KA和KB是“同向”的，无论光速是否各向同性，几乎“同向”的光线KA和KB的速度当然可被认为是近似相等的，又因线段KA=KB，则从K发出的闪光信号都一定会几乎“同时”到达钟A和钟B，依此，我们就可以把钟A和钟B校准“同步”了。[7]
当然，这个“中垂线对钟法”并不意味着能把两个异地时钟校准到“绝对同步”，也并不意味着其本质上等同于用速度无限大的瞬时传播信号来“对钟”，而是可以“足够精确”地使异地两钟同步。
保证“足够精确”的手段很简单——可以采用“让K离M更远”，或“缩小A、B的间距”等方法，来不断提高光线KA和KB的“同向”程度，也就等于提高了“对钟”的精度，直到满足实际需求为止。
只要能满足人们在不同的实际测量中的精度需求，我们就可以认为这个测量是“足够精确”的、切实可行的！
（其实，真正绝对精确的实际测量，根本上也是不存在的）
我们当然也可以用“中垂线对钟法”，把钟B和异地的钟C校准同步。且因为A、B同步，B、C同步，所以A、C亦同步！如法炮制，我们就可以把此坐标系每一空间点上的钟全部校准同步。
“中垂线对钟法”较之“爱因斯坦对钟法”，可以省去一个无法验证的前提——“光速不变”！ 根据奥卡姆剃刀原则，“中垂线对钟法”当然比“爱因斯坦对钟法”，更合理、更科学、更理想。
“中垂线对钟法”的重大意义还在于：避免了“循环论证”；“单向光速”从此不再是不可测的；“光速不变”从此才有可能得到验证！
找到了这个没有毛病的、切实可行的“中垂线对钟法”，当然意味着：根据有毛病的“爱因斯坦对钟法”而得到的结论——“同时性是相对的”——也是有毛病的！
参考文献
[1] 赵峥、刘文彪，广义相对论基础[M]，清华大学出版社，2012：6、40
[2] 刘辽 等，狭义相对论[M]，第二版，科学出版社，2008：25
[3] 爱因斯坦 等，相对论原理[M]，科学出版社，1980：33～34
[4] 张元仲，狭义相对论实验基础[M]，科学出版社，1994：20、
[5] 赵峥，相对论百问[M]，北京师范大学出版社，2010：39～40
[6] 刘辽 等，黑洞与时间的性质[M]，北京大学出版社，2008：227
[7] 费邦镜，对狭义相对论发起新一轮全方位进攻[OL]，新浪博客，2013：
http://blog.sina.com.cn/s/blog_940c9bd40101e3fh.html
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