第七章  “相对性原理”符合事实吗？

 

根据前文的雄辩论证，除了与“相对性原理”的抵触，似乎没有其他理由能够否认——“引力场就是以太”。

既然“引力场”这个“特选参考系”与“相对性原理”有抵触，那么，我们是否也可以斗胆质疑一下这个“相对性原理”呢？

开什么玩笑？“相对性原理”—— 那可是狭义相对论赖以成立的第一条原理！  胆敢质疑“相对性原理”？ 这也太“浅薄”，太“荒唐”了吧！

不过，哈佛教科书《力学引论》评价：“在古典力学的发展过程中，相对性原理所起的作用不大；爱因斯坦却把它誉之为动力学的根本原理。”^[1]   而且，许多著名的理论物理学家也比较倾向于舍弃相对性原理；^[2]    更有德国实验物理学家菲利普·莱纳德（1905年的诺贝尔物理奖得主），坚决摈斥“相对性原理”。^[3]  可见，质疑“相对性原理”，也不见得就一定是“浅薄”或“荒唐”。

那就让我们壮着胆子质疑一下“相对性原理”吧！

质疑“相对性原理”，首先遭到的一个反诘就是：难道运动不是相对的吗？  其实，“相对性原理”与“运动的相对性”，根本就是两回事。

 

§7.1 “相对性原理”是指“运动的相对性”吗？

 

现在的中学生已经懂得了一个简单的道理：“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]

而“相对性原理”，并不是指这个简单的、没有争议的“运动的相对性”。

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。这三者不是并立的关系，而是逐层包含的关系。

1）力学相对性原理。（常称为伽利略相对性原理）

伽利略描述过封闭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] 后人把这个结论升格为“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”^[6] （伽利略的这艘作匀速直线运动的大船，常被简称为伽利略大船）

2）狭义相对性原理。（通常都省略“狭义”二字）

爱因斯坦为了创立狭义相对论的需要，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。”^[3]

（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。”^[7] ）

3）广义相对性原理。（通常都保留“广义”二字）

爱因斯坦为了创立广义相对论的需要，又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。”^[8]

注意！与“运动的相对性”不同，历史上对于“相对性原理”是存在很大争议的。

爱因斯坦告诉我们，“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] 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<</span>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。”^[3]

显然，质疑“相对性原理”，并不是质疑“运动的相对性”！两者不可混为一谈。

 

§7.2 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”提供了一定的依据。同时，麦克斯韦建立了一个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，普遍认为，真空中电磁波的传播速度c当然也是一个普适常量。

北大赵凯华教授主编的《电磁学》指出，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。”^[9]  这当然意味着，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？”

爱因斯坦接着指出了造成该困难的原因： 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]

北大赵凯华教授还指出，“在电磁学里无论速度多么低，伽利略变换都不适用”！^[9]

因此，十九世纪末的物理学家普遍认为，麦克斯韦方程组（包括光速的不变性）与相对性原理是严重抵触的，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？

普遍认为当然应该保留相对性原理——它非常符合大家“舟行而人不觉”的生活经验。

但是，对于思想周密的理论物理学家来说，他们不会轻易相信什么生活经验——鉴于伽利略大船上那些力学现象的精确度完全无法与大量的电磁学实验相比，因此，麦克斯韦方程组当然应该比伽利略相对性原理更可靠！

而且，哈佛教科书《力学引论》指出：“在古典力学的发展过程中，相对性原理所起的作用不大。”^[1] 麻省理工的教科书《力学概论》也断言：“相对性原理在牛顿力学中的作用不大”。^[10]

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。”

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？

 

§7.3 爱因斯坦精选出来的那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] 

爱因斯坦精选出来的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。 

那就让我们考证一下这两个“事实”。

 

7.3.1 “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！而只是根据力学相对性原理作出了两个斩钉截铁的断言，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。”^[11] 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。”^[11]

很不幸，笔者发现，这两个断言均不符合事实！

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。”^[11] 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。（赵凯华的《力学》（第二版）封面插图说明）

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。^[11]

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，有的是更复杂的运动关系，但确凿无疑的是，它们相互之间肯定“都”是在作“不等速运动”，然而，力学定律相对于它们，居然“都”非常有效！

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？

这些证据足以证明，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？

笔者特别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。”^[12]

有人则强调：相对性原理的成立，必是有其边界条件和适用范畴的。言下之意，上述这些与相对性原理相抵触的事实，只是因为超越了相对性原理的边界条件或适用范畴。遗憾的是，他们谁也没能指出，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：难道你能合理解释为什么“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，力学定律都非常有效”吗？

这很简单——笔者在第四章已有力地论证了“牛顿力学的特选参考系就是运动物体所处的引力场”，那么，处在这五个坐标系中，也就是处在各自的引力场中，力学定律怎么可能会无效呢？

还有人诘问：那应该如何解释，为什么人们普遍都信奉“伽利略相对性原理”呢？

其实，“伽利略相对性原理”非常类似于“地心说”，它们都只是“生活经验”——在精度要求不高的局部范围内，采信一下这些“生活经验”，确实能带来一些方便。若单凭这些生活经验，就把伽利略大船上的那些力学现象，提升为动力学的根本原理，那么，其命运必将与地心说一样！

（ 柏拉图的学生欧多克斯根据人类的生活经验—— 太阳每天从东方升起西边落下——提出了地球静止不动的地心说。 这个错误的地心说，竟然统治了人类将近2000年之久！直至哥白尼的“日心说”取而代之。 ）

现在让我们再来考证一下爱因斯坦精选出来的第二个“事实”。（没想到，这第二个“事实”，居然也不是事实！）

 

7.3.2 爱因斯坦迷信的那个十分强有力的论据——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！

然而，很不幸！ 笔者居然找到了两个地球物理空间各向异性的铁证：

 

 

1） 布拉德雷周年光行差现象，证实了地球的物理空间是各向异性的

 

1728年，布拉德雷发现了恒星的“周年光行差”现象：为了能看到天顶的恒星，我们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，且向前倾斜20.5’’ 角度，望远镜的轴线在一年中将描画出一光行差圆锥。^[13]

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，与其他方向的物理性质是相异的。

 

2） 原子钟环球航行实验， 也证实了地球的物理空间是各向异性的

 

中科院理论物理所张元仲研究员在《狭义相对论实验基础》中告诉我们：“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。”^[14]

这个著名的实验证明—— 向东飞行的原子钟会变慢，而向西飞行的原子钟会变快。 这直接证实了：地球的东、西两个方向的物理性质是相异的！

显然，上述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迷信的那个“支持相对性原理的十分强有力的论据”！

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”，居然统统都“违背事实”！

因此可以断言，爱因斯坦的那个观点——相对性原理“不曾被任何一个实验事实所否定”，^[2]  一定是错误的。

那么，能不能找到其它可以直接否定相对性原理的实验事实呢？ 值得庆幸，我们中国人早就做出了这样的实验！

 

§7.4 朱永强的“带电体运动产生磁场的跟踪观察”实验，证明了什么？

 

2007年，复旦大学朱永强副教授、上海东方电磁波研究所季灏所长、郝建宇研究员等人，在复旦大学实验室，进行了一个“带电体运动产生磁场的跟踪观察”实验。 ^[15]

该实验用高灵敏度的“磁场检测仪”，来检测地球上带电体运动产生磁场的“运动”，究竟以什么为参考系？

实验中，把该“磁场检测仪”与一个带有大量电荷的“带电体”，固定在同一辆联合小车上，让该联合小车在实验室内，以缓慢的速度作匀速直线运动。

因为“磁场检测仪”与“带电体”始终保持相对静止，那么，根据“相对性原理”，联合小车作匀速直线运动时，该“磁场检测仪”应该不会检测到“带电体”产生磁场。但是在实际的实验中，联合小车作匀速直线运动时，“磁场检测仪”居然检测到“带电体”产生了磁场！

该实验的结论是：“在地球上带电体运动产生磁场的‘运动’，……必须以地球为参考系。” ^[15]

其实，把“磁场检测仪”与“带电体”一起固定在同一辆“联合小车”上，就相当于把它们一起固定在“伽利略大船”内。该“联合小车”与“伽利略大船”是完全等价的！

这意味着，尽管无法用“跳远”、“滴水”等粗糙的力学实验来判断“伽利略大船”是静止还是做匀速直线运动，但是，却可以用“带电体运动产生磁场的跟踪观察”实验，来判断“伽利略大船”是静止还是做匀速直线运动！

笔者相信，“带电体运动产生磁场的跟踪观察”实验，直接否定了“相对性原理”！

 

§7.5 小结：“相对性原理”违背事实的证据确凿无疑

 

至此，我们已拥有了应该舍弃相对性原理两个证据！

第一个证据：相对性原理的前提——惯性系——根本就不可能成立！ 因为“惯性系”只不过是马赫误解的产物；爱因斯坦早已雄辩地论证了“惯性系”概念是一个循环定义的“虚构”；教科书把地球、地心-恒星坐标系、日心-恒星坐标系归纳为“相当精确的惯性系”是无法自洽的，这三者其实是“相当精确的引力场参考系”！（详见第三、四章）

第二个证据：爱因斯坦用洪荒之力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”——

1）爱因斯坦根据相对性原理断言：“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。”  然而，在关联于地球、太阳、月球、自由飞行的航天器、自由落体的电梯这五个相互作不等速运动的坐标系中，力学定律却都是相当有效的；

2）爱因斯坦更迷信一个支持相对性原理的“十分强有力的论据”——地球的物理空间是各向同性的！ 然而，“布拉德雷光行差现象”和“原子钟环球航行实验”都无可置疑地证实了——地球的物理空间是各向异性的！

按理说，既然“相对性原理”的前提——惯性系——不可能成立，且“相对性原理”违背事实的证据确凿无疑，那么，我们当然应该理直气壮地舍弃“相对性原理”！

一旦舍弃了“相对性原理”，那么，爱因斯坦“复活以太”的巨大障碍，自然也就被清除了！ （详见第六章）

 

然而，事情远没有如此简单，因为相对性原理早已成为主流学界的一个信仰！即便它的前提不成立，即便它如此明显地违背事实，仍有许多人愿意把它供在“神坛”上！

这是因为还有一个更深层次的观念笼罩着大家 —— 南京大学林德宏教授指出：“惯性定律说明静止与匀速直线运动都是物体在不受外力作用下，能不断维持下去的状态； 相对性原理则说明在静止与匀速直线运动这两种状态中，力学定律是相同的。这就揭示了力学中的静止状态与匀速直线运动状态的等价性。” ^[16]

因此主流学界普遍认为，“相对性原理”与“惯性定律”的本质是一致的；它们是配合得天衣无缝、相互支持的！

若舍弃“相对性原理”，岂不是会引起“惯性定律”的垮塌吗？

所幸，经过笔者多年“长考”，竟然发现—— 真正的“惯性定律”并不支持“相对性原理”！力学中的静止状态与匀速直线运动状态并不等价！

这怎么可能呢？

请特别关注： 第八章—— “惯性定律”支持“相对性原理”吗？

 

第七章参考文献

 

[1] D.KLEPPNER 等，力学引论[M]，人民教育出版社，宁远源 等译，1980：541

[2] 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] 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、6、序21

[4] 物理课程教材研究开发中心 等，（高中）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] 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

[8] 赵峥、刘文彪，广义相对论基础[M]，清华大学出版社，2012：10～13

[9] 赵凯华、陈熙谋，电磁学[M]，第三版，高等教育出版社，2011：571～572、301

[10] 丹尼尔·克莱普纳，力学概论[M]，机械工业出版社，刘树新 译，2018：344

[11] 爱因斯坦、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

[12] 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

[13] 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

[14] 张元仲，狭义相对论实验基础[M]，科学出版社，1994：64

[15] 朱永强、季灏、郝建宇，带电体运动产生磁场的跟踪观察[J]，前沿科学，2009年第1期：81

[16] 林德宏，科学思想史[M]，江苏科学技术出版社，2004：87