狹義相對(duì)論面臨的問題及解決的途徑

毛逢銀， 陳順玲

(四川理工學(xué)院， 四川自貢643000)

《爭鳴論文》

狹義相對(duì)論面臨的問題及解決的途徑

毛逢銀， 陳順玲

(四川理工學(xué)院， 四川自貢643000)

狹義相對(duì)論面臨“孿生子佯謬”以及“慣性系”的定義存在邏輯循環(huán)等問題。在詳細(xì)分析狹義相對(duì)論產(chǎn)生一系列問題的根本原因之后，根據(jù)辯證法的“對(duì)立統(tǒng)一”規(guī)律和中國古代“陰陽學(xué)說”認(rèn)為狹義相對(duì)論的哲學(xué)基礎(chǔ)是不完備的。最后，提出“絕對(duì)相對(duì)統(tǒng)一論”時(shí)空觀才是解決狹義相對(duì)論面臨問題的根本之道。

狹義相對(duì)論；攣生佯謬；對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律；陰陽理論；絕對(duì)相對(duì)統(tǒng)一論

引言

二十世紀(jì)初，愛因斯坦等人以“相對(duì)性原則”和“光速不變原則”為基礎(chǔ)，建立了狹義相對(duì)論，它對(duì)近代物理學(xué)起到了巨大的推動(dòng)作用，但也引起了眾多的質(zhì)疑和爭論。直到已經(jīng)過去了一百多年的今天，對(duì)它的質(zhì)疑和爭論依然不休[1]。因此，厘清狹義相對(duì)論所面臨的困難及相關(guān)問題的本質(zhì)，尋求解決之道對(duì)推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展將有重要意義。

1狹義相對(duì)論內(nèi)面臨的問題

1.1孿生子佯謬的理解問題

對(duì)于這一問題的認(rèn)識(shí)具有代表性的有以下幾種觀點(diǎn)：

第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，“孿生佯謬”可以在狹義相對(duì)論范圍內(nèi)解決。認(rèn)為動(dòng)鐘的走時(shí)率并不真正變慢，而是堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)鐘的走時(shí)率，鐘慢效應(yīng)是因?yàn)椴煌瑧T性參考系對(duì)鐘和測量造成的。

第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，“孿生佯謬”可以在狹義相對(duì)論范圍內(nèi)解決。但與第一種觀點(diǎn)不同，認(rèn)為動(dòng)鐘的走時(shí)率變慢，并通過比較復(fù)雜的運(yùn)算得出外出旅行的雙生子比地球雙生子年輕[2]。

仔細(xì)分析不難發(fā)現(xiàn)其中存在問題，設(shè)想在回轉(zhuǎn)部分火箭的減速度和加速度以及所經(jīng)過的距離是一定的，那么在減速和加速階段地球鐘“越前”的時(shí)間就是一定的，但可以把勻速階段“設(shè)計(jì)”為任意長，即在勻速階段地球鐘落后的時(shí)間就可以是一個(gè)很大的數(shù)，那么在回轉(zhuǎn)部分“越前”的時(shí)間怎么一定會(huì)超過落后的時(shí)間。

第四種觀點(diǎn)認(rèn)為用狹義相對(duì)論解決“孿生子佯謬”是不可能的，用廣義相對(duì)論完滿解決這個(gè)問題也難以實(shí)現(xiàn)[4-5]。

1.2慣性系成了無法定義的概念問題

算理是計(jì)算數(shù)學(xué)的靈魂。計(jì)算法則的理解和掌握是小學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算教學(xué)的首要任務(wù)，通過觀察、操作、探究，讓學(xué)生理解算理。同時(shí)，教師也應(yīng)挑選出學(xué)生在練習(xí)過程中出現(xiàn)的典型錯(cuò)例，引導(dǎo)學(xué)生共同分析錯(cuò)誤原因，既能幫助學(xué)生把錯(cuò)誤消滅萌芽狀態(tài)，也能使學(xué)生知其然更知其所以然。

慣性系是慣性定律在其中成立的參考系。慣性定律的實(shí)質(zhì)是一個(gè)不受外力的物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，而不受外力是指一個(gè)物體能在慣性系中靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)。這樣，慣性系的定義就陷入了邏輯循環(huán)。

2狹義相對(duì)論面臨問題的原因分析

上述討論可知，由于缺乏對(duì)狹義相對(duì)論“本質(zhì)”的研究，這也是近代理論物理研究方法所欠缺的，即過分注重利用數(shù)學(xué)方法。因此，出現(xiàn)了多種對(duì)狹義相對(duì)論的理解，無論是哪一種理解，對(duì)解決“孿生子佯謬”之爭都不能令人滿意，也就是要在狹義相對(duì)論的框架內(nèi)解決這一問題是不可能的，而超出該范圍也未見很好的解決方案。

那為什么在狹義相對(duì)論體系里兩個(gè)參考系的觀察者都認(rèn)為對(duì)方的鐘比自己的鐘走得更慢，這是因?yàn)楠M義相對(duì)論沒有給出“時(shí)間”的本質(zhì)的定義，只把它理解為“事件”發(fā)生之間的間隔，然后把這種間隔通過不同參考系測量聯(lián)系起來。因此，在同一參考系，無論你處于什么位置(只要是同一地點(diǎn))，測量事件發(fā)生的間隔是不變的。但由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了空間距離的變化，這樣使得在不同參考系測量同一地點(diǎn)事件發(fā)生的時(shí)間時(shí)，信號(hào)傳輸需要時(shí)間，從而產(chǎn)生延時(shí)，所以都認(rèn)為對(duì)方的鐘走得更慢(且因?yàn)橄喔舻木嚯x是一樣的，所以慢的量都是一樣的)，這是一種表觀的變化，而不是本質(zhì)的周期性節(jié)律的變化。假想實(shí)驗(yàn)：設(shè)孿生子甲、乙，分別以相對(duì)地球速度u沿相反方向運(yùn)動(dòng)，由于他們處于完全對(duì)稱的運(yùn)動(dòng)狀況，不難得出，他們在任何時(shí)刻都一樣年輕，但是，去掉地球參照系后，根據(jù)狹義相對(duì)論則得出，他們都會(huì)認(rèn)為對(duì)方比自己年輕，因此，雙方所看到的只是“虛假”的現(xiàn)象。此外，根據(jù)圖1實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，光速不變與相對(duì)性原理是互不支持的。甲乙兩個(gè)觀測者處于對(duì)稱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即是平權(quán)的，但他們兩者各自測量的光速肯定是不一樣的。

圖1光速與測量參考系運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

相對(duì)論中慣性系成了無法定義的概念，是由于拋棄了時(shí)空的絕對(duì)屬性，這樣，慣性系的定義就必然陷入邏輯循環(huán)。

綜上所述，相對(duì)論的效應(yīng)是存在的，但拋棄了絕對(duì)性的狹義相對(duì)論在自己體系內(nèi)的邏輯是不自洽的。

3狹義相對(duì)論面臨問題的解決辦法

根據(jù)辯證法對(duì)立統(tǒng)一的觀點(diǎn)認(rèn)為，“相對(duì)”與“絕對(duì)”是對(duì)立統(tǒng)一的矛盾雙方，雙方互為存在的前提，既互相對(duì)立又互相統(tǒng)一，失去一方，對(duì)方也將失去存在的條件。而不是目前人們認(rèn)為的相對(duì)論包含絕對(duì)論。另外，根據(jù)我國先哲的“陰陽學(xué)說”可知，世間一切事物或現(xiàn)象都存在著相互對(duì)立的陰陽兩個(gè)方面，萬物陰陽相對(duì)，陰中有陽，陽中有陰；孤陰不長，獨(dú)陽不生。這也說明在談“相對(duì)性”時(shí)，其實(shí)它是針對(duì)的是絕對(duì)性，或已經(jīng)隱含了“絕對(duì)性”；在談“絕對(duì)性”時(shí)，也是針對(duì)相對(duì)性，或已經(jīng)隱含了“相對(duì)性”，二者是不能割裂的。即，無論是絕對(duì)論還是相對(duì)論，它們依據(jù)的哲學(xué)基礎(chǔ)是不完備的。因此，要解決狹義相對(duì)論面臨的問題就必須拋棄不完備的時(shí)空觀，遵循絕對(duì)與相對(duì)性統(tǒng)一的完備的時(shí)空觀，它會(huì)為解決時(shí)空及相關(guān)問題提供新的思路。

4結(jié)論

(1)牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀和愛因斯坦的相對(duì)時(shí)空觀都只看到了時(shí)空本質(zhì)的一個(gè)方面，都是局部或相對(duì)真理。真正的時(shí)空本質(zhì)應(yīng)該是“絕對(duì)”與“相對(duì)”的統(tǒng)一。

(2)根據(jù)本文提出的絕對(duì)相對(duì)統(tǒng)一論，必然存在絕對(duì)靜止參考系(以下簡稱“靜止參考系”，現(xiàn)代物理研究表明“真空不空”已經(jīng)證明了這一點(diǎn)[7]。可能有學(xué)者會(huì)提出“邁克遜-莫雷”實(shí)驗(yàn)否定了“以太”的存在，但筆者通過分析認(rèn)為，雖然該實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)“零”結(jié)果，但并不表示對(duì)真空存在物質(zhì)的否定。因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)是根據(jù)絕對(duì)時(shí)空觀理論和傳統(tǒng)“以太”概念進(jìn)行設(shè)計(jì)的，實(shí)驗(yàn)沒有出現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果，只能證明絕對(duì)論時(shí)空觀是不完備的，但不能反證相對(duì)論時(shí)空觀是完備的，因?yàn)檫€有第三種情況。同時(shí)，真空中有物質(zhì)的存在這一點(diǎn)非常重要，根據(jù)筆者的研究，它是組成物質(zhì)粒子的基礎(chǔ)，也是萬物相互作用的基礎(chǔ))。

(3)根據(jù)絕對(duì)相對(duì)統(tǒng)一論，相對(duì)于絕對(duì)參考系運(yùn)動(dòng)的參考系之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，它們之間的變換關(guān)系應(yīng)該是速度的函數(shù)。

(4)光速不變的本質(zhì)。狹義相對(duì)論認(rèn)為的光速不變是指所有慣性參考系測量光速是不變的。但根據(jù)真空存在物質(zhì)和光的波動(dòng)性，把光理解為在其中傳播的一種波，那么光速不變應(yīng)該是指所有慣性參考系發(fā)出的光，相對(duì)于絕對(duì)靜止參考系的速度是不變的，且恒等于C；即光速與光源是否運(yùn)動(dòng)無關(guān)，與測量的參考系有關(guān)。因此，相對(duì)于絕對(duì)靜止參考系運(yùn)動(dòng)的物體存在最高速度限制，即不能超過光速(極端情況除外，如“黑洞”附近等)，而相對(duì)運(yùn)動(dòng)則可以超過光速。

(5)把時(shí)間定義為周期性事件節(jié)律的快慢，以及前述幾點(diǎn)即可推出與狹義相對(duì)論基本一致的結(jié)果(推導(dǎo)過程及可能的相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證另文敘述)。但其本質(zhì)意義與狹義相對(duì)論完全不同，也不存在任何悖論。如：處于絕對(duì)靜止參照系中的鐘按照“標(biāo)準(zhǔn)”走時(shí)率運(yùn)動(dòng)，處于相對(duì)于絕對(duì)靜止參考系運(yùn)動(dòng)的慣性參考系的鐘的走時(shí)率變慢。它們的關(guān)系可以通過實(shí)驗(yàn)說明，設(shè)三生子甲、乙、丙，丙留在地球上，甲、乙分別以相對(duì)地球以速度u沿相反方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)“絕對(duì)相對(duì)性原則”，并把地球作為近似靜止參考系，由于甲、乙相對(duì)靜止參考系的運(yùn)動(dòng)速度是一樣的，則甲、乙的年齡一樣，并都比丙年輕。運(yùn)動(dòng)參考系的“時(shí)鐘”變慢的原因是因?yàn)榻^對(duì)運(yùn)動(dòng)使能量的傳輸速度相對(duì)變慢，因而使周期運(yùn)動(dòng)的節(jié)律變慢，這種變慢是實(shí)實(shí)在在發(fā)生的，而不是因?yàn)闇y量信號(hào)傳輸需要時(shí)間引起的。同時(shí)，處于“運(yùn)動(dòng)”狀態(tài)下的物體長度會(huì)縮短，這是由于物體從絕對(duì)靜止下被加速到恒速過程中，物質(zhì)粒子之間的距離被“壓縮”，這個(gè)縮短也是實(shí)實(shí)在在發(fā)生的，不是由于測量引起的。

5結(jié)束語

綜上所述，狹義相對(duì)論所面臨的一系列問題，究其根本原因，還是該理論本身存在不完備性，當(dāng)然，這是時(shí)代的局限(對(duì)于狹義相對(duì)論的劃時(shí)代意義是不能忽視的)。因此在狹義相對(duì)論產(chǎn)生已過去100多年的今天，要解決這些問題，必須改變思路，通過對(duì)時(shí)空的本質(zhì)進(jìn)行深入探索研究，從哲學(xué)的高度出發(fā)，認(rèn)為建立新的絕對(duì)相對(duì)統(tǒng)一時(shí)空觀，拋棄不完備的時(shí)空觀，這才是解決該問題的根本之道，這一方法也將對(duì)理論物理前沿研究產(chǎn)生重要影響。

[1] 黃志洵.對(duì)狹義相對(duì)論的討論和研究[J].中國傳媒大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,16(1):1-15.

[2] 羅蔚茵,鄭慶璋.孿生子效應(yīng)析疑[J].大學(xué)物理,1999(6):1-5.

[3] 吳大猷.理論物理(第四冊).相對(duì)論[M].北京:科學(xué)出版社,1983.

[4] 瑞云,等.狹義相對(duì)論解決雙生子佯謬之不可能[J].大學(xué)物理,1997,16(4):22.

[5] 譚暑生.關(guān)于時(shí)空性質(zhì)的新假設(shè)和推廣的伽利略變換[J].大自然探索,1985,5(3):51-58.

[6] 程守洙,江之永.普通物理學(xué)[M].上海:人民教育出版社,1978.

[7] 薛曉舟,張會(huì).粒子物理學(xué)和哲學(xué)物質(zhì)觀[J].自然辯證法研究,1992(10):1-9.

The Problem and Solution About the Special Theory of Relativity

MAOFengyin,CHENShunling

(Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

The argument of "twin paradox" and the logic cycle in definition of inertial reference system of special relativity are described. After the causes of a series of problems in the special relativity are analyzed, according to the law of the unity of opposites and the theory of “yin-yang” in ancient China, the basis of special relativity is not complete. Finally, it is put forward that "absolute-relativity theory" is the fundamental way to solve the problem of special relativity.

special relativity; twin paradox; law of the unity of opposites; theory of “yin-yang”; absolute-relativity theory

2017-01-13

毛逢銀(1966-)，男，重慶開縣人，教授，主要從事表面活性劑及助劑的合成與應(yīng)用方面的研究，長期堅(jiān)持探索基本粒子結(jié)構(gòu)之謎，(E-mail)806631564@qq.com

1673-1549(2017)03-0097-04

10.11863/j.suse.2017.03.20

O412.1

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