狹義相對論的形而上學思考

摘 要：光速不變性原理和相對性原理的本質(zhì)是物體有選擇地只能感受相對其C速的各種基本相互作用。狹義相對論本質(zhì)上是研究不同慣性參考系間傳遞影響變形規(guī)律的理論。所謂高速運動物體的時鐘變慢、尺子縮短、質(zhì)量變大都是其影響在不同慣性參考系間傳遞變形的結(jié)果。甚至我們測量到的相對運動的速度也是變了形的結(jié)果。分析得出，感覺經(jīng)驗與本質(zhì)一樣也可以是一個自洽的體系，但感覺經(jīng)驗體系的根基是斷言式的，這有別于本質(zhì)體系的自明性根基。通過以上的嘗試，體現(xiàn)了對科學理論的形而上學思考的意義。

關(guān)鍵詞：狹義相對論；感覺經(jīng)驗；影響傳遞；變形；本質(zhì)；自明

中圖分類號：B01 文獻標志碼：A 文章編號：1002-2589（2014）02-0025-02

狹義相對論是現(xiàn)代物理學的基石之一，經(jīng)受了大量的實驗觀察證實，在科學上他無疑是正確的。然而，自狹義相對論發(fā)表以來，初學者迷惑，掠奇者興奮，一些物理專家研究蟲洞一類的事物以期實現(xiàn)時間旅行，而2011年意大利的一個“奧佩拉（OPERA）”實驗小組發(fā)現(xiàn)的中微子運行速度超過光速的觀察結(jié)果雖然后來被證實是失誤，但當時確實引起了很大反響，甚至有專家認為這動搖了愛因斯坦相對論的基石。難道狹義相對論真是掠奇者和期望回到過去者的天堂？難道他真的可能被一個實驗結(jié)果所動搖？

問題出在哪里？以時間論，無論是迷惑于雙胞胎佯謬，還是興奮于高速運動時間變慢，并且進一步時間旅行的玄想，其實質(zhì)都是起因于認為高速運動慣性系的時間比靜止慣性系走得慢。然而，這實在是個天大的誤會。狹義相對論從來就不提供不同慣性系間時間快慢的比較，它只提供不同慣性系間相互觀察的結(jié)果。即：狹義相對論并沒有得出高速運動慣性系的時間變慢了的結(jié)論，而只是認為靜止慣性系的觀察者觀察到的高速運動慣性系的時間變慢了。根據(jù)“物理學僅（直接）關(guān)注感覺經(jīng)驗以及對它們之間的聯(lián)系的理解”[1]，科學（或物理學）針對的是感覺經(jīng)驗。顯然后者是科學的范圍，而前者卻超越了科學的范圍。為了能探討那些超過科學范圍的命題，有必要用純粹感覺經(jīng)驗的眼光回看狹義相對論，在此基礎(chǔ)上在符合邏輯的前提下，做一點點超感覺經(jīng)驗的本質(zhì)探討，以期說明問題。

一、狹義相對論的本質(zhì)

（一）初探本質(zhì)

根據(jù)狹義相對論，相對運動的慣性系間對看，都可以觀察到對方時鐘變慢、尺子縮短了，對方物質(zhì)的質(zhì)量變大了。需要重視的是，時鐘變慢、尺子縮短、質(zhì)量變大等等這些都是指觀察的結(jié)果。那么，A慣性系中的P事件是如何成為B慣性系觀察者（或測量儀器）的觀察結(jié)果的？顯然，這是P事件傳遞影響的結(jié)果。傳遞影響離不開相互作用。B慣性系觀察者的觀察結(jié)果是A慣性系中P事件與B慣性系觀察者（或測量儀器）間在相互作用中傳遞的P事件的影響。例如，我們觀察某粒子在高速運動時的壽命，無任是測量一定時間后的數(shù)量變化，還是粒子經(jīng)過的距離，其實質(zhì)都是高速粒子與觀察者（或測量儀器）相互作用的結(jié)果。

可見，狹義相對論就是研究不同慣性參考系間傳遞影響的理論。

既然是傳遞，就有可能失真或變形。

根據(jù)狹義相對論，不同慣性系間觀察對方，都發(fā)現(xiàn)對方時鐘變慢、尺子縮短了，對方物質(zhì)的質(zhì)量變大了。而不同慣性系觀察同一個對象結(jié)果也不一樣。

參考一個例子：相同大小的物體放在二個不同的地方，它們都觀察到對方比自己小。

綜合以上情況，有理由認為，所謂時鐘變慢、尺子縮短、質(zhì)量變大等等正是傳遞中變形的結(jié)果。物體并不因為處在不同慣性系其時空、質(zhì)量有任何變化。所以：狹義相對論是研究不同慣性參考系間傳遞影響變形規(guī)律的理論。

其實在傳遞中變形的情況是很常見的，例：一根垂直向上的旗桿，由于一天中太陽的位置不同，旗桿在地上的影子長度也在變長變短。那么，我們?yōu)槭裁床恢苯映姓J我們觀察到的時鐘變慢、尺子縮短、質(zhì)量變大等等只不過是“旗桿在地上的影子”？也許是我們難于正視這樣一個現(xiàn)實：自認為宇宙最偉大、最智慧的人操縱著極端精密的觀察設(shè)備，竟然是被“影子”完全覆蓋著。

（二）基礎(chǔ)原理的本質(zhì)探討

不同慣性參考系間傳遞影響的變形究竟是怎樣實現(xiàn)的？這要從分析狹義相對論的基礎(chǔ)說起。

光速不變性原理和相對性原理是狹義相對論的基礎(chǔ)。當然，愛因斯坦將其作為原理提出完全符合物理學對理論簡單性的要求。

既然狹義相對論完全建立在這二個原理基礎(chǔ)上，而物理學僅針對感覺經(jīng)驗，因此任何本質(zhì)的探討只要其在感覺經(jīng)驗上的結(jié)果滿足這二個原理，狹義相對論的所有結(jié)果都可保持不變。

當然，如果產(chǎn)生滿足這二個原理的背后原因有很多可能，將會陷入無休止的爭論而無實質(zhì)意義。令人欣慰的是，以下對這二個原理本質(zhì)探索的結(jié)果是唯一的，所以這里的探索就有了實際的意義。

相對性原理是說所有慣性系都等價，任何實驗都無法發(fā)現(xiàn)所在慣性系在速度上的特別之處。若以感覺經(jīng)驗論（其基礎(chǔ)是相互作用）就是，任何相互作用對任何慣性系中的物體在速度方面都一樣。即，物體無論其運行方式如何，其感受到各方傳遞來的作用在傳遞速度方面各向同性并且相等。相互作用都來自基本相互作用，光（或電磁）是基本相互作用中的一種。因此，結(jié)合光速不變原理，可以說，所有基本相互作用傳遞到任何物體的速度都為光速。

那么這是怎樣實現(xiàn)的？我們還是以光為例，為什么在觀察層面顯現(xiàn)似乎同一光線相對所有慣性系的速度都為C？如果我們超越斷言式的原理來探求其本質(zhì)，我們可以得到唯一的結(jié)論：不同慣性系觀測到的光不是同一個光線，物體只能觀察到相對其C速度的光。

對于不同慣性系觀測來自同一光源的光，這里認為：真空中光源發(fā)出的光相對光源同時包含了各種速度的光，而每個慣性運動中的物體只能感受相對他在真空中以光速運動的光，即物體有選擇光速的性質(zhì)。如此，對于任何慣性運動中的物體來說，測量到的光速相同。這是符合感覺經(jīng)驗化的光速不變性原理的唯一本質(zhì)解釋[2]。

光源發(fā)出的光同時包含了各種速度合理嗎？想想太陽發(fā)出的光包含各種顏色，同一光源向各個方向都發(fā)出光，那么這些光包含各種速度又有什么可驚異的！

物體有選擇光速的性質(zhì)合理嗎？濾光鏡有選擇地透過某種顏色的光；收音機調(diào)整選擇某頻率的信號；而打靶時只有當子彈相對靶某一速度到達靶時，子彈才會正好鑲嵌在靶上等等，可見選擇是自然界最普遍的現(xiàn)象之一。

綜上，將轉(zhuǎn)化成感覺經(jīng)驗后探求到的狹義相對論的二個基礎(chǔ)原理其本質(zhì)是：物體無論其運行方式如何，在感受各方傳遞來的各種基本相互作用時，有選擇地只能感受以相對速度為C傳遞的基本相互作用的影響。

由于其與狹義相對論的二個基礎(chǔ)原理在感覺經(jīng)驗上等價，而物理學又是針對感覺經(jīng)驗的，所以可以由此在感覺經(jīng)驗上得出相同的結(jié)果。

但本文需要選擇另一路徑：以這里對狹義相對論的二個基礎(chǔ)原理的本質(zhì)解釋為基礎(chǔ)，選擇幾個典型內(nèi)容做直接推演，由此在適當超感覺經(jīng)驗的范圍內(nèi)回看狹義相對論結(jié)果的本質(zhì)。

（三）速度在測量中變形

為了本質(zhì)探討的需要，下面的對時、空、速度、質(zhì)量等等都有觀察量與實際量的區(qū)別。觀察量是否就是實際量，或者他們間的關(guān)系怎樣都需要證明來確認。

■

如圖1：一列車以速率V0運動（此速率大小不作限制，是相對地面的實際運動速率。另設(shè)V為我們測量到的該列車運行速率。簡單的考慮可以認為V與V0方向一致。）。列車地板上放置一只愛因斯坦光子鐘，鐘上發(fā)出一束豎直向上的光，被車頂?shù)溺R子反射回來，一個來回的走時為T0（另設(shè)T為地面參照系觀察到的該事件的走時。）。

鐘上發(fā)出的光包含各種速度，列車上看到的光是該光中相對列車為光速的那部分光，此部分光相對地面的實際運動速率為。

U0 =■ （1）

然而由于在地面參考系中的觀察者只能感受到該光中另一部分：在地面參考系中傳遞的相對地面速度為C的光。正如地面上觀察到的列車運動與列車實際相對地面的運動在方向上相同，同理，列車上看到的光子鐘發(fā)出的光相對地面的實際運動方向與地面觀察到的該光的運動方向一致。

由此可以計算地面上觀察到的此列車的速率V。

■=■ V=■

將（1）式代入，得：

V=■ （2）

變換（2）式得：

V0=■ （3）

說明：從（2）式可見我們測量到的相對運動的速度并非實際的速度，而是相對運動實際速度的變形。實際速率V0并無任何限制，但測量到的速率V卻上限于C。實際速率V0越大，測量到的結(jié)果變形也越大。對于希望超過光速以便回到過去的人們，在這里找不到任何支持。你可以以任意大的速度運動，但在別人的眼里你永遠無法超過光速。就如一張紙可以畫一個家的平面圖，也可以畫一個國家的地圖，更可以將整個銀河系全部畫上。如果我們選擇適當?shù)淖冃畏桨福ň腿鐚嶋H速度到測量速度的變形），我們可以在一張有限的地圖上表現(xiàn)無限寬廣的地域。有一種上海市地圖就很有此靈氣，離市中心越遠變形比例越大。

（四）時間膨脹

繼續(xù)（三）中的案例。根據(jù)以下二點：一是以列車與列車運動方向上地面的某點相遇為參考事件；二是觀察者測量所在慣性系的時空為實際的未變形的時空，可以計算走時與地面參照系感受到的時間之間的關(guān)系。

V0*T0=V*T T=■

將（3）式代入，得：

T=■ （4）

說明：（4）式正是愛因斯坦的時間膨脹公式。但這里的含義是：雖然相互運動的倆物體的時間流逝的速度相同，但相互觀察卻發(fā)現(xiàn)對方的時間流逝變慢了。

（五）動量與動能

若一質(zhì)量為m的粒子，實際運動速度為V0，測量到的運動速度為V，根據(jù)（3）式得到其動量。

p=mV0=■ （5）

可以看出（5）式的結(jié)論就是狹義相對論的結(jié)論。這正是狹義相對論力學的基礎(chǔ)。而（5）式的前半部分p=mV0說明了即便在高速運動中牛頓力學——至少在動量上也能適合。也說明了動量的基礎(chǔ)地位。

定義粒子所受力：F=dp/dt （6）

粒子動能的增加速度：dEK/dt=F·V （7）

將（5）、（6）代入（7），通過推演可以得：

EK=■-mC2=γ·mC2-mC2 （8）

其中：γ=■

看（8）式，愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式已呼之欲出。說明：從上面的討論可知，高速運動物體的質(zhì)量其實沒有改變，我們觀察到的質(zhì)量變大確實是傳遞影響中的變形結(jié)果。造成這個變形的直接原因就是相對運動速度在觀察中的變形。

二、經(jīng)驗體系與本質(zhì)體系

狹義相對論說明感覺經(jīng)驗與本質(zhì)一樣也可以是一個自洽的體系。這是因為感覺經(jīng)驗都來自相互作用。一個感覺經(jīng)驗通過相互作用產(chǎn)生另一個感覺經(jīng)驗，由此可以產(chǎn)生環(huán)環(huán)相扣的自洽體系。這正是以感覺經(jīng)驗為對象的科學體系得以建立和發(fā)展的前提。

然而感覺經(jīng)驗體系的根基是斷言式的，而本質(zhì)體系的基礎(chǔ)是自明的。這是二者的區(qū)別所在。

感覺經(jīng)驗體系由于其對象僅限于感覺經(jīng)驗，其基礎(chǔ)必然也是感覺經(jīng)驗，必然沒有自明的本質(zhì)特征。尤其當作為感覺經(jīng)驗體系基礎(chǔ)的感覺經(jīng)驗范圍涉及存在的存在時，由于它們間直接的沖突，這個基礎(chǔ)尤其顯得突兀而令人迷惑。很多人認為正是時空使存在得以存在，而狹義相對論研究的感覺經(jīng)驗主要對象正是時空，這使狹義相對論令人迷惑和帶給掠奇者以興奮。

那么，自明何以本質(zhì)？

自明是人的意識對意識內(nèi)容的一種體驗。它與意識內(nèi)容有關(guān)，更取決于意識結(jié)構(gòu)。何以我們體驗到的自明性意識內(nèi)容必然是引起該意識內(nèi)容的對象確實擁有的本質(zhì)。

意識與客體世界因相互作用而關(guān)聯(lián)。根據(jù)分析，任何相互作用的二者一定擁有相同的基本屬性組合（即存在得以存在的存在）。所以意識內(nèi)容與客體世界擁有相同的基本屬性組合。根據(jù)基本屬性不被影響和掩蓋的特性，意識對基本屬性的體驗正是基本屬性自身[3]。由此，意識體驗到的自明正是客體世界的本質(zhì)。

可見，本質(zhì)體系的基礎(chǔ)確實是自明的。

如果將意識體驗到的自明也作為感覺經(jīng)驗，并且作為最高級別的感覺經(jīng)驗來看待，科學也許最終能實現(xiàn)與形而上學的統(tǒng)一。

三、結(jié)語

本文以純粹感覺經(jīng)驗的眼光審視整個狹義相對論為基礎(chǔ)，在符合邏輯的指引下作適當?shù)某杏X經(jīng)驗的本質(zhì)探求。得出。狹義相對論的二個基礎(chǔ)原理，光速不變性原理和相對性原理的本質(zhì)是物體無論其運行方式如何，在感受各方傳遞來的各種基本相互作用時，有選擇地只能感受以相對速度為C速傳遞的基本相互作用的影響。

狹義相對論本質(zhì)上是研究不同慣性參考系間傳遞影響變形規(guī)律的理論。

甚至，我們測量到的相對運動的速度也是變了形的結(jié)果。實際相對運動的速度并無光速上限的限制，但其變形后的觀察測量結(jié)果卻因為受限于相互作用傳遞的速度而上限于光速。正如米級精度的工具在測量中無法得出毫米級的精度一樣。

高速運動物體的時間流逝的速度、運動方向的尺子、物體的質(zhì)量等等并沒有變化，我們觀察到其時鐘變慢、尺子縮短、質(zhì)量變大都是其影響在不同慣性參考系間傳遞影響變形的結(jié)果。而這個變形在很大程度上直接來源于觀察中相對運動速度的變形。

本文也比較了感覺經(jīng)驗體系與本質(zhì)體系的同異。

對狹義相對論的形而上學的探討的意義何在？

若純粹以實用來考量，我們生活在感覺經(jīng)驗中，作為感覺經(jīng)驗體系的狹義相對論已經(jīng)完全滿足要求。形而上學的探討不會在感覺經(jīng)驗領(lǐng)域獲得不一樣的結(jié)果。但這并不能掩蓋形而上學探討的價值。僅從本文的嘗試看，形而上學探討幫助我們更清楚地認識理解科學理論；也更清楚地對科學理論定位；甚至在科學陷入自己建造的八卦陣時能協(xié)助指引正確的方向。

參考文獻：

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