有关《相对论》的本质、误解、发展（2）

 

2．运动的相对性并非《相对论》的本质特性

 通常在解释《相对论》时，总是只强调其相对运动的特性，似乎这就是《相对论》的特征。其实，在牛顿力学中，也已考虑到了运动的相对性，也是要选定适当的轴矢坐标系才能相对确定物体的位置及其运动。

但是，经典力学只是选定3维空间轴矢坐标系，而把时间仅当作3维空间位置矢量各分量坐标的一个参变量。而且认为：在不同的轴矢坐标系中，时间是相同的，与轴矢系无关（即所谓“绝对时间”），3维空间位置矢量各分量的“模长”也都是时间的函数；不同牵引运动轴矢坐标系间的变换是“伽利略变换”。这就已使经典力学能符合从苹果落地到天体运行的广泛相对运动规律。

然而，著名的迈克尔逊实验，表明：“在任何惯性牵引运动参考系，真空中3维空间光速不随参考系的运动而改变”，进而对光子和高速（其速度与光速相比不可忽略）粒子的大量实验，也都表明：对于高速运动粒子“伽利略变换”已不适用。对此，经典力学已无法解释。才导致狭义相对论的诞生。

因此，如果一定要说《相对论》与“运动的相对性”的关系的话，那就只能是：《相对论》把经典力学3维空间的运动的相对性，扩展到了具有“时轴”分量的4维时空的运动相对性。而其本质的关键应在于：把经典力学的3维空间扩展到了具有“时轴”分量的4维时空。

3．狭义相对论最本质的创新

 狭义相对论最本质的创新是：以4维时空轴矢系取代经典力学的3维空间轴矢系，以4维时空的“洛仑兹变换” 取代经典力学3维空间的“伽利略变换”

 对这个 (实验表明：对于高速运动粒子“伽利略变换”已不适用) 经典力学已无法解释的问题，狭义相对论打破经典力学“绝对时间” 的错误观点，采用欧基里得4维时空的闵可夫斯基矢量表达客体的时空位置，即由4个彼此线性无关的 (对于正交系，为彼此正交的) 轴矢组成的轴矢系，表达时空位置矢量，其中，“时间”不仅是3维空间位置矢量各分量坐标的一个重要参变量，而且是与3个空间轴彼此线性无关的 (对于正交系，为彼此正交的)另一轴矢（时轴矢）的主角，“时轴”分量的模长由ic(3)t表达 (i是虚数符，即-1的平方根，c(3)是相应牵引运动参考系中的3维空间光速，t是时间)。不同的牵引运动轴矢坐标系间的变换是“洛仑兹变换”，才圆满地解决了这个问题。

因而，以4维时空的闵可夫斯基矢量取代经典力学的3维空间位置矢量；以4维时空的“洛仑兹变换” 取代经典力学3维空间的“伽利略变换”，才是狭义相对论最本质的创新。

4．广义相对论最本质的创新

广义相对论最本质的创新是指出：对于非惯性（即有力作用的）牵引运动系，时空有弯曲特性。研究非惯性牵引运动，就必需计及时空的弯曲特性

广义相对论进而指出：对于非惯性（即有力作用的）牵引运动系，由于时空的弯曲特性，通常欧基里得平直时空的闵可夫斯基矢量已不适用于时空中的各点，通常就不得不放弃使用矢量，而采用曲线坐标直接表达时空各点的位置，再利用黎曼时空的度规张量各“元”作为参量，类比由库伦静电定律转变到马克斯威尔方程组的变换规律，而由牛顿引力定律转变为爱因斯坦引力场方程，建立相应的运动方程, 用以处理一些按牛顿引力理论与实测结果显著偏离而长期未能解决的；或者分别按 两种理论，其结果有显著差异且可提出实测检验比较的，精细天体运动引力问题，后经实测检验，都是广义相对论的结果与实测很好地相符，从而证实了它的正确性。

2004年10月，由各国科学家和大学研究人员组成的研究小组，观察了绕地球旋转的两颗卫星（LAGEOS 1和2）后发现，它们的确随着地球拖曵空间发生了偏转，首次发现了地球自转时拖曵周围时空的直接证据。说明：“地球在旋转时确实在拖曵时空，离地球越近，扭曲的幅度就越大” 、“时空的这种扭曲也称框架拖曵，以前从未直接观测到过”、“这是首次找到真实、有力和直接的证据，说明旋转天体能拖曵时空”

因而，广义相对论最本质的创新就在于：考虑到非惯性（即有力作用的）牵引运动系时空的弯曲特性，把仅适用于惯性牵引运动系、平直时空的狭义相对论推广应用于非惯性牵引运动系的弯曲时空。

5．《相对论》引起对各种物理概念的根本改变

《相对论》由于对时空认识的根本改变，而引起对各种物理概念的根本改变。

举例如下：

（5．1）时空速度1-线矢

速度1-线矢是位置1-线矢的时间导数。经典力学的3维空间位置1-线矢被 《相

对论》的4维空间位置1-线矢，闵可夫斯基矢量，所取代，因而，经典力学的3维空间速度1-线矢就被《相对论》的时空速度1-线矢，闵可夫斯基矢量的时间导数(其时轴分量的模长：i c(3)，其3维空间分量的模长：v(3))，所取代。时空速度1-线矢的模长：v = i c(3)(1-(v(3)/c(3))的平方)的平方根。

（5．2）质量、动量、惯性力，等等概念的发展、变化：

经典力学，认为物体的质量是常量，并与其运动状态无关。但是，《狭义

相对论》，认为不同牵引运动轴矢坐标系间的变换是按与物体的速度有关的“洛仑兹变换”，而不同牵引运动轴矢坐标系也都应遵从时空动量守恒律。这就要求质量也应满足如下变换： m= m(0)/v = m(0)/(1-(v(3)/c(3))的平方)的平方根，其中：m(0) 是该物体的静止质量（对于给定的物体，m(0)才是常量），v(3)和c(3)分别是相应牵引运动参考系3维空间该物体的运动速度和相应的光速，而m是该物体的运动质量，它还是该物体的速度v(3)的函数。只是当v(3)远小于c(3)的低速运动物体，才可近似地认为：m = m(0)。

这样动量1-线矢(运动质量乘速度1-线矢)、惯性力1-线矢(动量1-线矢的时

间导数)，等等概念就也有相应的改变。由此还会导出所谓：“纵的”、“横的” 力和相应的质量。

6．实物粒子和光子的根本差异，

（6．1）所谓：光子的静止质量为0。

一切粒子的运动质量都应是有限的、正值的。

对于光子，其运动速度的3维空间分量的模长，v(3)，就是光速的3维空间

分量的模长，c(3)，因其运动质量有限，而其静止质量，m(0)，就必须等于0，

其运动质量m(光)就只能由大量这种光子形成的波的频率或波长表达为：

m(光)=(h/(2派))[频率]/ c(3)平方=h/ ((2派) [波长] c(3) )，其中h是普朗克(Plank) 常量，“派”是圆周率。

 （6．2）光速是一切实物粒子速度的极限

对于一切实物粒子，其静止质量，m(0)，都不为0，因其运动质量有限且必

为正值，而其运动速度的3维空间分量的模长，v(3)，就不能等于或大于光速的

3维空间分量的模长，c(3)，这就是所谓：“光速是极限速度”的原因。

7．声子与光子特性的同、异

与光子相似，声子的4维时空位置1-线矢在时轴的分量模长应为：i a(3) t，

其静止质量，也必须等于0，其运动质量m(声)也只能由大量这种声子形成的波的频率或波长表达为：m(声)=(h/(2派))[ 声频率]/ a(3)平方=h/ ((2派) [声波长] a(3) )，其中a(3) 是声子运动速度的3维空间分量的模长。

在不同介质中，光速、声速都可有多种方法实际测得，也可由所在介质（包

括真空中作用力场范围内）中的波动方程导出。真空中的光速可由在空气测得的

值，按空气的已知折射系数求得；也可以让光在抽去了空气的管子中运动，而直

接测得。

介质有不同的特性和状态。因而，光速、声速也是所处介质特性和状态的函

数。但是，与光子不同的是：声子只能在实物粒子组成的介质及其作用力(引力、

弹性力或粒子团的状态变化)场中运动，发出声子的振子间有效作用力场的范围不

大，在真空中，超过这个范围，声子就只能反射或被吸收。而大量光子在真空中也形

成电磁波，也可由电磁场在真空中传播。

8．《狭义相对论》已使电动力学方程的形式更美化，认识更全面、更深刻

人们最初认为“电”与“磁”是两种不同的物质，但从大量实验中才逐渐积累、认识到它们都是带电粒子运动表现的两种特性，并得到能确切反映电磁场，电磁波一切的特性的马克斯威尔方程组等电动力学方程及其解。

而当将4维时空的电磁势矢量，及其梯度、散度、旋量等概念，用于表达电动力学的各方程，就对它们给出了更全面、更深刻、更美化的统一描述。

由此形成的相对论力学就能符合，并能用于研讨包括实物粒子、声子、光

子、电磁场，等等各种物质形态，各种速度(包括光速)，在内的，运动物体的运动规律。而经典力学只是其在3维空间的低速(其v(3)/c(3)小到可以忽略)近似，不能用于研讨光子、电磁场。

9．对相对论的一些误解

9．1．不同坐标系间，位置1-线矢的不同变换。“推广的”洛仑兹变换。

设两个不同的3维空间直角坐标系，o(3)，o’(3)，间的3维空间牵引位置

1-线矢(按在o(3)观测) 的“模长”是：L (3)，相应的方向余弦矩阵是P(3)，则同一3维空间位置1-线矢分别在两系的坐标就是按伽利略变换的。这容易由2维空间直角坐标系，画图按几何学直接证明。

但若是两个不同的4维时空直角坐标系，o(4)，o’(4)，间的4维时空牵引

位置1-线矢(按在o(4)观测)是：L (4)(其时轴分量的“模长”是：i c(3)T；3维空间分量的“模长”是：L (3))，相应的方向余弦矩阵是P(4)，则按同样的几何关系，同一4维时空位置1-线矢，闵可夫斯基矢量，分别在两系的坐标就是按“推广的”洛仑兹变换(即以L( j )/T取代u( j ),j=1,2,3)。当取L( j )/T的时间导数，有：d(L( j )/T)/dT=(d L( j )/ dT - L( j )/ T)/ T=( u( j ) - L( j )/ T)/ T。对于惯性牵引运动系，d(L( j )/T)/dT=( u( j ) - L( j )/ T)/ T =0，可取：L( j )/T=u( j ), j=1,2,3，它才就是通常的洛仑兹变换。

可见，不同坐标系间，由伽利略变换改变为“推广的”洛仑兹变换，只是因

为位置1-线矢由3维空间矢量，改变为4维时空闵可夫斯基矢量的结果。而通常

的洛仑兹变换，实际上，只适用于惯性牵引运动系。

9．2．不同坐标系间，不同变换的速度合成公式。相向运动光子的合成速度也不会超光速

 分别对位置1-线矢的不同变换取 时间导数，即分别得到相应的、不同变换

的、速度合成公式。只是对于惯性牵引运动系，可取： L( j )/T=u( j ); j=1,2,3， 又

有：d u( j )/dT=0 , j=1,2,3，3维空间的速度合成公式才也是伽利略变换的形式；4维

时空的速度合成公式才也是通常的洛仑兹变换的形式。

 因此，即使在惯性牵引运动条件下，把低速运动粒子合成速度的伽利略变换

用于高速运动光子，而认为相向运动光子的合成速度会超光速也是显然错误的。

因为，对于高速运动的光子，即使在惯性牵引运动条件下，其合成速度也应按洛

仑兹变换，而不会出现超光速。

9．3．所谓“时间减慢”、“长度缩短”、“孪生子徉谬”。

在介绍“相对论”时，通常会引用“洛仑兹变换”，而说：运动着的“时

间减慢” 、“长度沿运动方向缩短”。

因为，这是由洛仑兹提出后，被爱因斯坦写进了“相对论”的观点，而由此引出许多悖论。

实际上，在各不同4维时空轴矢系中，同一个4维时空矢量的各个分量，都并无改变，时间和空间的大小都无变化。4维时空的“洛仑兹变换”只是表达同一个4维时空位置矢量，在各不同4维时空轴矢系中各个分量间不同的变换关系。 

 它与3维空间的“转动变换”，只是类似地表达同一个3维空间位置矢量在各不同3维空间轴矢系中各个分量间不同的变换关系，在本质上并无任何差别。经过变换，位置矢量并无任何变化。对3维空间位置矢量，不能因为各个分量的变换关系发生了变化，就认为是3维空间位置矢量发生了“伸缩”；同样，对4维时空位置矢量，也不能因为“时空”各分量的变换关系发生了变化，就认为是4维时空位置矢量，甚至时间和空间都发生了“增减”，实际上，即：时间既不减慢；长度也无缩短。

因此，所谓“孪生子徉谬”，实际上，也是并不存在的。

9．4．时间不会倒流

 

“时轴”是与3个空间轴彼此线性无关的另外一个轴，

4维时空位置矢量沿时轴的分量是与时间成正比的，它反映了时间的特性。

 

时间可认为是沿时轴的，

在任何过程中，时间的数值只能增大，不会减小。

 

倒放电影，影像可以倒退。但是，时间仍是增大。

 

只有当把时轴的原点取在某事件发生之后，该事件发生的时间才会是负值。

但时间的数值仍然只能增大，不会减小，时间不可能倒流。

9．5．E=mc^2公式的正确理解

 

 爱因斯坦给出的重要公式，E=m c^2，常被误解或歪曲为 能量和质量相互转变的公式，甚至妄图以此说明：“物质消灭或产生了”。

其实，这公式是按相对论计算沿具有运动质量为m的物体所具有的惯性力方向运动一段距离而在时轴所增加的位能或结合能和3维空间所增加的动能是大小相等、符号相反，而绝对数值都是等于m c^2的增加。

显然，这只是表明：当相互作用物质间距离发生改变而作功之后，系统内的能量和运动质量都发生了改变，E=m c^2 公式只是表明能量和质量间的等价关系；并非能量和质量可以相互转变，物质既不消灭；也不产生。

9．6．所谓“光速不变”

 

 其实，一般而言，光速并非不变，

 

在不同的介质中，光速就各不相同，因而有不同的折射率；

 

在各向异性的介质中，不同方向的光速也不相同，因而才有所谓“双折射”。

 

“光速不变”也不是假设，

 

而是实验（著名的迈克尔逊实验）具体表明：

 

真空中光速的3维空间分量不随参考系的运动改变，

 

正因如此，对于高速运动物体的位置须用4维时空的闵可夫斯基矢量表达，

 

不同参考系间的变换应是洛仑兹变换。

10．现有理论的主要缺点

 

10．1．迄今尚无确切，整体，矢量的方法表达各种高次、线 (包括2-线) 的

物理量多线矢和矢量场

从4维时空位置1-线矢出发，可以推断各种物理量都是相应的，不同“维数”的，4维时空多线矢和矢量场，它们分别都是相应的，不可替代的，整体矢量，都有各自不同的整体运动变化规律和矢量结构特性。

但是，对各种高次、线 (包括2-线) 的物理量多线矢和矢量场，迄今尚无确切，整体，矢量的表达方法。

而通常采用的张量，P-形式，Vierbein，或由“点集符号”，“纤维丛”等表达相应的流形等也都仅是形式地表达各相应多线矢各相应分量的模长，狄拉克 (P.A.M.Dirac) 的基矢量 (左、右矢) 也只相当于某种多线矢和相应的倒易矢， 都没能表达它们各分量与各相应1-线轴矢间的矢量结构和方向关系，都未能确切, 整体，矢量地表达它们。