產(chǎn)生相對論效應(yīng)的物理機制及相對論的適用條件

殷 業(yè)，胡素輝

(1.上海師范大學(xué) 信息與機電工程學(xué)院，上海 200234；2.中科院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

產(chǎn)生相對論效應(yīng)的物理機制及相對論的適用條件

殷 業(yè)1，胡素輝2

(1.上海師范大學(xué) 信息與機電工程學(xué)院，上海 200234；2.中科院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

相對論效應(yīng)是相對論中存在而牛頓力學(xué)中不存在的，但為什么會產(chǎn)生這種差異？兩種理論的什么不同導(dǎo)致了這種區(qū)別，它和牛頓力學(xué)的適用條件有何關(guān)系？已知牛頓力學(xué)有適用條件，那么相對論有適用條件嗎？如何研究相對論的適用條件？相對論的適用條件是什么？本文詳細(xì)討論了上述問題，通過分析和建模給出了產(chǎn)生相對論效應(yīng)的物理原因，提出了研究相對論適用條件的3種方法，并應(yīng)用這些方法得到了2個相對論的適用條件，解釋了一些歷史遺留的問題．

相對論效應(yīng)；相對論適用條件；愛因斯坦公理；物質(zhì)空間；相對論

0 引言

相對論效應(yīng)是相對論中存在而牛頓力學(xué)中不存在的，但為什么會產(chǎn)生這種差異？兩種理論的什么不同導(dǎo)致了這種區(qū)別，它和牛頓力學(xué)的適用條件有何關(guān)系？本文試圖回答這些問題．現(xiàn)在已知牛頓力學(xué)有適用條件，那么相對論有適用條件嗎？如何研究相對論的適用條件？相對論的適用條件是什么？當(dāng)需要研究一個前人沒有研究過的問題時，方法論的選擇是很重要的，沒有適當(dāng)?shù)姆椒ň蜔o從開始，本文給出的研究相對論適用條件的3種方法:(1)公理研究方法；(2)悖論研究方法；(3)模型研究方法，并分別加以分析，得到2個相對論的適用條件，這些研究方法和結(jié)果最終正確與否將由實驗檢驗．

1 數(shù)學(xué)與物理的關(guān)系

數(shù)學(xué)給物理學(xué)帶來了輝煌[1-5]，但同時也帶來了一個負(fù)面的影響，使物理學(xué)越來越抽象而遠(yuǎn)離直覺．人類思維的起因(也就是你是怎么會想起思考這個問題的)除了邏輯聯(lián)系引起的聯(lián)想外，主要是靠直覺和靈感，如果物理思維中缺乏了直覺和靈感，科學(xué)思維的起因也就缺乏了，所以我們看到愛因斯坦留下的關(guān)于統(tǒng)一場論的手稿[2]，全世界大概只有少數(shù)幾個人能接著他的思路繼續(xù)研究，高度的數(shù)學(xué)抽象帶來的后果是思維的枯竭．

讓物理學(xué)回歸直覺，是物理學(xué)未來的一項重要的任務(wù)，但現(xiàn)在只有少數(shù)人意識到這件事的重要性，而大多數(shù)人卻有藐視物理直覺的想法，有時甚至認(rèn)為依靠物理直覺進行的思維是不靠譜的．產(chǎn)生這樣思想的原因是直覺經(jīng)常欺騙我們，并且在宏觀和微觀兩個方向上物理直覺和真實圖像越來越不吻合，這使人們產(chǎn)生對直覺的不信任，這是可以理解的．但我們需要注意的是新的物理直覺不能是傳統(tǒng)的完全依賴于經(jīng)驗的物理直覺，也就是直覺本身也需要升華，這是一種螺旋式上升的進步關(guān)系，經(jīng)典物理依靠直接體驗的直覺，現(xiàn)代物理依靠數(shù)學(xué)邏輯，未來物理需依靠升級了的直覺，然后又回到邏輯，也許這是一種規(guī)律．

本文中將嘗試用升級了的物理直覺，來研究相對論效應(yīng)和相對論的適用條件，我們對每一個直覺的起因都給予了充分的物理事實，用非常小心的求證步驟來達(dá)到目的．

現(xiàn)代物理學(xué)的建構(gòu)方法都采用數(shù)學(xué)公理化的建構(gòu)模式，這種方法的最大優(yōu)點是只依靠幾條根據(jù)實驗或事實猜測出來的公理，建構(gòu)起整個理論體系，以最小的代價，依靠邏輯的力量，得到廣泛的結(jié)果，再通過實驗的驗證，反證理論的合理性．不論是相對論還是量子力學(xué)都是這樣獲得的[2-3,6-7]；在建中的理論，如量子引力理論、統(tǒng)一場理論、超弦理論等也試圖用這樣的方法建構(gòu)．

相對論和量子力學(xué)的巨大成功使人們對理論的公理化模式產(chǎn)生了巨大的信任感，似乎到了這是唯一獲得真理的方法的地步．?dāng)?shù)學(xué)的重要性不言而喻，但數(shù)學(xué)是萬能的嗎？這是需要反思的問題．?dāng)?shù)學(xué)是科學(xué)的釣魚竿，通過它可以在未知的海洋里釣到科學(xué)大餐需要的大魚，人類的實踐已經(jīng)證明這是可行的．然而理論中的數(shù)學(xué)邏輯線越來越長，就好比釣魚竿越來越長，這條釣魚竿可以無限長嗎？人們發(fā)現(xiàn)邏輯的深入使想像越來越困難，離直覺越來越遠(yuǎn)，是否有一天釣魚竿會折斷？就像再也沒有人接著愛因斯坦留下的手稿中的思路往下思維了．

從科學(xué)哲學(xué)的角度講，不存在永遠(yuǎn)正確的人為理論，任何理論都是相對真理而非絕對真理，任何理論都有適用條件，我們現(xiàn)在沒有找到某種理論的適用條件，并不代表它不存在．具體到物理理論，任何物理理論都是對真實自然的近似描述，只有在適用范圍內(nèi)理論和實驗才能精確吻合，在適用范圍外，理論和實驗將不吻合，也就是無限長的邏輯線必然導(dǎo)致謬誤，這也可以從邏輯推理的角度闡述．

定義“邏輯線”是邏輯推理的過程；定義“邏輯線長度”是邏輯線中不能再分解的邏輯推理步驟的多少[8-9]．則有以下物理理論有限自洽命題：在任何物理理論中，如果不明確理論的適用范圍，從命題A可通過不同的推理路徑到達(dá)命題B，假設(shè)命題A距離命題B足夠遠(yuǎn)并沒有無限循環(huán)論證，則一定存在可同時證明B真和B假的悖論．這一思想也可表述為：如果不明確理論的適用范圍，不存在沒有悖論的物理理論體系．任何物理理論都是對真實的近似描述，因為任何物理理論只能在有限論域內(nèi)和真實精確吻合，在更大的論域內(nèi)近似地吻合，在理論適用范圍外則不吻合，所以邏輯線越長與真實的偏差就會越大，只要邏輯線足夠長，最后一定可以得到悖論．這樣就回答了為什么數(shù)學(xué)對物理來說不是萬能的，數(shù)學(xué)釣魚竿太長了一定會折斷．從相對論和量子力學(xué)不可能同時為真也可以證明，現(xiàn)在的主流理論相對論和量子力學(xué)也一定存在適用條件．

許多科學(xué)家反對時間機器，認(rèn)為時間機器違反因果律，是對科學(xué)的顛覆，兒子怎么能出生在爹媽之前呢？理論上之所以會得到這樣的結(jié)果可能就是因為邏輯線的無限延長導(dǎo)致的謬誤．

2 相對論效應(yīng)

相對論效應(yīng)是由相對論預(yù)言并被實驗發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)．其定義是：相對論中存在而牛頓力學(xué)中不存在的被實驗證實存在的物理效應(yīng)．這些效應(yīng)包括：鐘慢、尺縮、質(zhì)增、光速不變、光速極限、行星進動、光線彎曲、引力透鏡、引力紅移、存在反粒子等．

如何解釋這些相對論效應(yīng)，為什么相對論效應(yīng)在牛頓力學(xué)中不存在，而在相對論中存在，并且在真實自然中也存在．顯然牛頓力學(xué)中一定忽略了某種關(guān)鍵因素，而這種關(guān)鍵因素導(dǎo)致了牛頓力學(xué)中不出現(xiàn)相對論效應(yīng)，當(dāng)考慮了這種因素后相對論效應(yīng)會立刻出現(xiàn)．后面的分析將會看到這一關(guān)鍵因素是：一無所有的空間不存在？牛頓在建立牛頓力學(xué)開始時就假設(shè)，空間是提供物體運動的場所，其中一無所有，運動物體不會和空間發(fā)生相互作用，這一假設(shè)是導(dǎo)致牛頓力學(xué)中不存在相對論效應(yīng)的根本原因．

解釋客觀存在的物理效應(yīng)產(chǎn)生的原因的方法有2種：(1)先數(shù)學(xué)后物理方法；(2)先物理后數(shù)學(xué)方法．先數(shù)學(xué)方法是首先根據(jù)實際情況列出初始條件，利用理論中的數(shù)學(xué)方程，解方程，用方程的數(shù)學(xué)解來解釋物理現(xiàn)象，其缺點是只知其然而不知其所以然．先物理方法是根據(jù)動因公理，從現(xiàn)象追溯原因，然后再用數(shù)學(xué)分析計算得到結(jié)果．其中所謂動因公理是指：任何客觀存在的真實物理效應(yīng)都是物質(zhì)間相互作用的結(jié)果．也就是不存在沒有原因的結(jié)果，一種真實存在的物理效應(yīng)的產(chǎn)生至少有一個物理原因，并且這種原因一定是物質(zhì)間的相互作用引起的．牛頓本人雖然引入了超距的引力作用，但他始終不相信引力是超距的，所以牛頓也是相信動因公理的．

用公理化建構(gòu)的物理理論，往往忽略追溯現(xiàn)象的物理原因，也就是不從物質(zhì)相互作用的角度去分析物理效應(yīng)產(chǎn)生的原因，而只從數(shù)學(xué)邏輯的角度推演出存在這些物理效應(yīng)，這是一種唯像方法，這種預(yù)言物理效應(yīng)的方法非常的神奇，有時達(dá)到讓人驚訝的程度，歷史上發(fā)生過許多次，使人們確信了數(shù)學(xué)的力量．例如：狄拉克僅從數(shù)學(xué)方程中預(yù)言了第一個反粒子正電子的存在，結(jié)果在宇宙射線的實驗中被發(fā)現(xiàn)．愛因斯坦用廣義相對論預(yù)言了光線經(jīng)過太陽時會彎曲，結(jié)果也被實驗證實了．所有這些純理論預(yù)言，并不分析產(chǎn)生物理效應(yīng)的物質(zhì)相互作用機制，但如果動因公理是正確的，那么這種產(chǎn)生物理效應(yīng)的物質(zhì)相互作用機制一定存在，只是暫時沒有被發(fā)現(xiàn)而已，如果我們能找到這種由因至果的物質(zhì)相互作用機制，將可加深對物理效應(yīng)的理解．本文將給出相對論效應(yīng)的物質(zhì)相互作用機制，并用這種相互作用機制解釋相對論效應(yīng)．

3 愛因斯坦公理與物質(zhì)空間

亞里士多德、笛卡爾和愛因斯坦都認(rèn)為：一無所有的空間不存在．為了今后討論問題方便，我們將其稱為愛因斯坦公理．

牛頓在牛頓力學(xué)中定義的空間是物體運動的場所，并且其中一無所有．所以牛頓的空間又稱為虛空．如果愛因斯坦公理成立，那么存在的空間中一定存在物質(zhì)，這樣空間和物質(zhì)就不可分割，可稱這種空間為物質(zhì)空間．定義理想物質(zhì)空間為：充滿無限小連續(xù)物質(zhì)的空間．

真實的物質(zhì)空間是：連續(xù)的物質(zhì)占據(jù)的空間，如：空氣、水、真空等，它們是理想物質(zhì)空間的近似，任何物體都在物質(zhì)空間中運動，沒有例外[5,10]．

物質(zhì)空間具有層次結(jié)構(gòu)，設(shè)想一個玻璃圍成的正方體，如果將里面的所有有質(zhì)物質(zhì)抽去，就獲得了真空，根據(jù)愛因斯坦公理，一無所有的空間不存在，所以真空中也一定存在物質(zhì)，如引力場，電磁場．假設(shè)將所有真空中的場物質(zhì)抽去，就得到真空的真空，以此類推，就得到了一個像俄羅斯套娃式的嵌套的物質(zhì)空間層次結(jié)構(gòu)[9，11-14]．

在物質(zhì)空間層次結(jié)構(gòu)中，一般稀薄的空間物質(zhì)包圍稠密的空間物質(zhì)，最稀薄的物質(zhì)空間是一無所有的空間，即無空間或稱虛空，最稠密的物質(zhì)空間是宇宙大爆炸時或黑洞內(nèi)的奇點空間．稠密物質(zhì)空間相對稀薄物質(zhì)空間的存在形式是量子化的，如：氣態(tài)的恒星是一顆一顆地存在于真空之中．

馬赫原理認(rèn)為物質(zhì)的慣性是宇宙中物質(zhì)之間的引力相互作用的總效應(yīng)[11]，假設(shè)虛空中一無所有，則虛空中引力場也沒有，物質(zhì)在虛空中將沒有慣性，任何外力都將使粒子運動速度加速到無限快，在存在四周約束的虛空中，粒子的數(shù)學(xué)描述只能是幾率波．因為粒子運動無限快，我們無法判定一個粒子到底會出現(xiàn)在何處．微觀粒子的圖像之所以像云，是因為它們運動得太快了．如對粒子的環(huán)境約束是對稱均勻的，則粒子在空間中的幾率分布也是均勻的，如果約束是非均勻的，則幾率波將呈現(xiàn)非均勻分布，如果環(huán)境約束有周期規(guī)律，則幾率波將呈現(xiàn)量子化分布．這種圖像符合量子力學(xué)揭示的微觀圖像．

宇宙中虛空體積無限大，奇點空間體積無限小，一般物質(zhì)空間體積有限大，我們所在的真空宇宙有限大[15]，它來之于一次大爆炸，以上是關(guān)于物質(zhì)空間的一些基本性質(zhì)．

使用物質(zhì)空間層次概念可以解釋為什么相對論和量子力學(xué)不能同時為真？以及解釋愛因斯坦的EPR問題．相對論以物質(zhì)在真空空間中的運動為前提討論問題，愛因斯坦明確指出引力是空間的幾何性質(zhì)，也就是空間和引力場不可分割，廣義相對論不討論一無所有的虛空中物質(zhì)的運動，粒子和真空空間的相互作用會產(chǎn)生各種相對論效應(yīng)，其中包括粒子不能超光速；而量子力學(xué)以虛空為物質(zhì)的運動背景空間，它沒有要求粒子運動不能超光速，正因為兩種理論對空間的要求不同所以導(dǎo)致了兩種理論存在深刻的內(nèi)在矛盾．EPR問題中的量子糾纏態(tài)，可以在比真空跟高層次的空間中進行，所以沒有光速限制，這樣就解釋了量子糾纏態(tài)為什么能超光速傳遞的難題，而相對論是不允許出現(xiàn)這種情況的．另一個有說服力的例子是，非相對論量子力學(xué)中不能預(yù)言反粒子的存在，但認(rèn)為真空不空(狄拉克假設(shè)真空是負(fù)能電子海)的相對論量子力學(xué)可以預(yù)言反粒子的存在．從中可以看出，非相對論量子力學(xué)是隱含假設(shè)空間為虛空，量子力學(xué)的速度分布是概率分布，并不要求速度上限為光速，所以才會有量子隧道效應(yīng)，相對論則不能脫離引力的存在，相對論要求的背景空間是含引力場的真空空間，兩種理論要求的背景空間不同，我們不能說愛因斯坦錯了，只能認(rèn)為愛因斯坦是在他所設(shè)定的含引力的真空空間前提下討論問題，但這個前提是可以打破的．

4 產(chǎn)生相對論效應(yīng)的物理原因

根據(jù)愛因斯坦公理，所有空間中都存在物質(zhì)，物體在物質(zhì)空間中運動必會發(fā)生和物質(zhì)空間中的空間彌散基質(zhì)相互作用，這種相互作用必然會導(dǎo)致某種物理效應(yīng)，這種物理效應(yīng)就是相對論效應(yīng)，這樣就解釋了相對論效應(yīng)產(chǎn)生的物理原因，即：物體和空間的相互作用．因為牛頓力學(xué)假定運動物體所在的空間是一無所有的虛空，所以不會發(fā)生運動物體和空間的相互作用，也就不存在相對論效應(yīng)．

牛頓力學(xué)的適用條件是低速運動，因為當(dāng)物體的運動速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光速時，物體和真空空間的相互作用可以忽略，所以在低速條件下，相對論效應(yīng)可以忽略．這樣相對論效應(yīng)和牛頓力學(xué)適用條件的關(guān)系也得到了解釋，

從愛因斯坦公理和物質(zhì)空間概念出發(fā)可以解釋所有的相對論效應(yīng)．

例1：首先解釋鐘慢效應(yīng)．如果一個人手中拿著兩只標(biāo)準(zhǔn)鐘，將它們放在一起對準(zhǔn)，然后讓一只鐘不動，另一只在空中迅速劃一圈，假設(shè)劃動的最快速率接近光速，然后比較兩鐘的時間，相對論的結(jié)論是動鐘變慢[16-17]．

在實驗所設(shè)定的環(huán)境中，只存在靜鐘、動鐘和空間三個要素，根據(jù)動因公理，動鐘變慢的物理原因唯一的可能性是：動鐘和空間發(fā)生了相互作用．牛頓力學(xué)認(rèn)為空間是虛空，也就是空間中一無所有，自然不會發(fā)生鐘和空間的相互作用，所以牛頓力學(xué)得出兩鐘快慢一樣的結(jié)論．而相對論認(rèn)為空間中并非一無所有，根據(jù)廣義相對論，繞圈的動鐘有加速度，又根據(jù)等效原理必存在等效引力場，動鐘會和空間場物質(zhì)發(fā)生相互作用，自然這種相互作用可以導(dǎo)致動鐘變慢．結(jié)論是：動鐘和空間發(fā)生的相互作用大于靜鐘和空間的相互作用，所以動鐘變慢了．

例2：行星沿橢圓軌道運動，因為引力的作用，空間是非歐的，所以在近日點和遠(yuǎn)日點上，行星與空間物質(zhì)的作用大小也不同，近日點相互作用大，遠(yuǎn)日點相互的作用小，這種不對稱會導(dǎo)致行星在橢圓軌道上沿旋轉(zhuǎn)方向的長軸進動．歷史上水星進動是被愛因斯坦廣義相對論第一個解釋的現(xiàn)象[18]，這里用行星和空間的相互作用定性地解釋了現(xiàn)象．其他的相對論效應(yīng)也可以得到類似的解釋，關(guān)鍵是這些解釋使相對論從抽象回歸直覺，這是一種更高層次上的回歸．

運動物體和空間相互作用的強弱決定了相對論效應(yīng)的大小，真空物質(zhì)極其稀薄，所以只有在物體運動接近光速時，相對論效應(yīng)才顯現(xiàn)；在低速情況時無需考慮運動物體與真空空間的相互作用，故牛頓力學(xué)成立．這和蝸牛運動無需考慮空氣的存在一樣．在越稀薄的物質(zhì)空間中越需要高速運動才能產(chǎn)生運動物體和空間的相互作用．如果存在比真空更稀薄的物質(zhì)空間，那么就需要物體以大于光速運動才能產(chǎn)生物體和空間的相互作用．

5 相對論適用條件的研究方法

在理論的形成階段是不可能一開始就去討論它的適用范圍的，但隨著理論研究的深入，反例實驗事實的積累，理論中悖論的出現(xiàn)，漸漸地人們會考慮理論的適用范圍問題．

如何研究相對論的適用條件？有一些可以設(shè)想到的方法，這些方法并不一定都能奏效，但作為嘗試是可以試驗的．方法1：公理方法，就是討論相對論邏輯起點集中公理的適用范圍；方法2：悖論方法，是從理論的悖論開始研究，因為悖論的出現(xiàn)往往是理論適用條件的破壞造成的，所以研究悖論是尋找理論適用條件的有效途徑；方法3：模型方法，是從已有的事實出發(fā)，建立新的客觀世界模型，從模型分析理論的適用條件，這里主要指“物質(zhì)空間”模型．

相對論是公理化理論，公理化理論建立在邏輯起點集的基礎(chǔ)上，邏輯起點集包含初始概念集和公理集，邏輯起點集決定了理論的全部推論集，邏輯起點集加推論集構(gòu)成了整個理論體系，推論集中存在一些可以通過實驗驗證的推論，如果實驗真的證實了推論集中的結(jié)果，則理論就被證明是正確的，人們就可用這樣的理論去進一步預(yù)測未知．相對論的公理涉及4條，光速不變公理、狹義相對性原理、等效原理和廣義相對性原理，它們的適用條件也就是相對論的適用條件．

相對論中存在眾多悖論，如孿生子悖論、滑輪悖論、潛水艇悖論等，悖論的出現(xiàn)并不是無緣無故的，悖論往往暴露出理論具有適用條件，從對悖論的分析中可以得到關(guān)于相對論的適用條件，它和從其它方法中獲得的適用條件必需是一致的，如果用不同的方法可以得到同一結(jié)論，說明這一結(jié)論不是偶然的，就增加了結(jié)論的可信度．

從物質(zhì)空間模型可以清晰地分析相對論和牛頓力學(xué)的不同，也可以獲得相對論的適用條件，并可以通過物質(zhì)空間力學(xué)加相對論適用條件重構(gòu)相對論．一種理論如果可以從不同的途徑重構(gòu)，就說明這種理論的存在不是偶然的，以下公式表示了物質(zhì)空間力學(xué)和相對論的關(guān)系：

相對論=物質(zhì)空間力學(xué)+相對論適用條件

考慮由宇宙中的廣大星系形成的引力場，假設(shè)該物質(zhì)空間由度規(guī)張量gμv表示，則一般的描述物質(zhì)空間力學(xué)的場方程為：

G(gμv)=KTμv

(1)

其中Tμv是引起空間度規(guī)變化的源，K是比例系數(shù)，G是物質(zhì)空間受自然規(guī)律支配的約束函數(shù)，(1)式可以是非參照系協(xié)變的，在任意真實參照系之間變換時，由于參照系的非對稱性(或非全同性)會產(chǎn)生非協(xié)變項，非協(xié)變項表征了真實參照系之間的差異，當(dāng)(1)滿足相對論適用條件時，非協(xié)變項為零，方程轉(zhuǎn)化為協(xié)變方程，即愛因斯坦引力場方程．從這里可以看到，宏觀力學(xué)是如何進步的？在低速時，愛因斯坦引力場方程退化為牛頓引力場方程，當(dāng)滿足相對論適用條件時，物質(zhì)空間場方程退化為愛因斯坦引力場方程．

由于物質(zhì)空間沒有限定空間背景物質(zhì)一定是引力場，這就給宇宙學(xué)的發(fā)展留下了余地．最近的普朗克望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了宇宙背景輻射存在宏觀非對稱結(jié)構(gòu)，這種宏觀非對稱結(jié)構(gòu)不可能用對稱的相對論理論從內(nèi)部獲得解釋，如果宇宙大爆炸是唯一的，那只能解釋成上帝是左撇子或右撇子，這和牛頓的上帝第一次推動解釋是一樣的，因此，最大的可能性是大爆炸不是唯一的！非對稱結(jié)構(gòu)是大爆炸外的其它宇宙對本宇宙的影響造成的，物質(zhì)空間層次思想允許這種情況的出現(xiàn)．如果是這樣，根據(jù)動因公理，外宇宙的物質(zhì)和能量已經(jīng)影響了本宇宙，那么它們一定已經(jīng)到達(dá)了本宇宙，并可能被我們的望遠(yuǎn)鏡或探測器探測到，假設(shè)我們具有區(qū)分外宇宙和本宇宙物質(zhì)和能量的方法，我們就能看見外宇宙，文獻[9]中給出了一種觀測實驗方法．

歷史上當(dāng)人類否定地球是宇宙的中心時，就為和地球有相同地位的行星留下了位置，當(dāng)人類認(rèn)識到太陽不是宇宙的中心時，就為和太陽有同等地位的恒星留下了位置，當(dāng)人類發(fā)現(xiàn)銀河系不是宇宙的中心時，就為河外星系留下了位置，同樣當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)大爆炸是不對稱的，就為外宇宙的存在留下了位置．

6 相對論的適用條件

在物理學(xué)的研究方法中，線性近似和對稱近似是兩種常用方法，線性近似就是用一次方程描述變量之間的關(guān)系，如：電阻上電流和電壓之間的關(guān)系．如果自然界所有變量之間的關(guān)系本質(zhì)上都是非線性的，那么用線性關(guān)系描述就是對真實自然的一種近似描述，這一點現(xiàn)在幾乎所有科學(xué)家都認(rèn)可了．對稱近似是指：在得到對事物1的精確描述后，用對稱變換的方法求得對事物2的描述，假設(shè)事物1與事物2是完全對稱的，那么通過對稱變換就可以得到對事物2的精確描述，如果事物1與事物2是非完全對稱的，但具有近似對稱性，那么通過對稱變換得到對事物2的描述就是近似描述，即對稱近似．

例3：如果我們獲得了關(guān)于右手外形和紋理的數(shù)學(xué)描述方程，就可以通過對這些方程的鏡像對稱變換獲得關(guān)于左手的外形和紋理的數(shù)學(xué)描述方程．假設(shè)人的左右手是絕對鏡像對稱的，那么對稱變換獲得的對左手的數(shù)學(xué)描述方程就是精確的，否則就是近似的．

自然規(guī)律的描述需要參照系，在一個參照系中總結(jié)出來的自然規(guī)律是否適用于另一個參照系？這就是相對性原理需要揭示的問題．如果已知一個參照系中的自然規(guī)律，并且兩個參照系是完全對稱的，那么就可以通過對稱變換獲得在另一個參照系中適用的自然規(guī)律．這樣問題就轉(zhuǎn)化為在真實的自然界中，是否存在兩個參照系是完全對稱的？假如我們堅信世界上不存在兩片完全相同的樹葉，那么我們同樣也應(yīng)該相信世界上不存在兩個完全對稱的參照系，僅存在近似對稱性．所以在一個參照系中總結(jié)出的自然規(guī)律(通常用數(shù)學(xué)方程表示)，通過對稱變換到另一個參照系中，所得到的數(shù)學(xué)方程只能是對真實自然的近似描述，屬于對稱近似．對稱近似本質(zhì)上揭示了相對性原理，包括伽利略相對性原理、狹義相對性原理、廣義相對性原理都是對真實自然的近似描述．

從對稱近似可以得到相對論的第一個適用條件：參照系的絕對對稱條件．實現(xiàn)對稱變換的兩個參照系必須是絕對對稱的．例如：在狹義相對論中要求變換的兩個參照系都是慣性系．在廣義相對論中要求變換的兩個參照系中必須有一個是慣性參照系．因為真實的參照系都不可能是慣性系，只可能是近似的慣性系，它們與慣性系的近似程度不同，所以不可能是絕對對稱的，故相對論只是對真實自然的一種近似描述，在對稱條件可以忽略時，相對論成立．

例4：研究微觀基本粒子的運動時，是用地球還是用太陽做參照系，近似于慣性系的程度都足夠好，所以在地球上做基本粒子的相對論實驗有很好是近似度．

從孿生子悖論問題的分析中也可以得到相對論的第一個適用條件，相對論是一個絕對對稱理論，A鐘看B鐘慢，B鐘看A鐘慢，在相對論中是允許的，因為相對論否認(rèn)絕對慣性系的存在，認(rèn)為所有的運動都是相對的．但如果地球圍繞太陽轉(zhuǎn)和太陽圍繞地球轉(zhuǎn)是等價的，那么哥白尼提出日心說就不偉大了！所以真實的自然不是絕對相對的，每個真實的參照系都不同，而相對論成立的條件是需忽略這些不對稱性，即認(rèn)為參照系都是絕對對稱的．這一條件只有在一定情況下才能滿足，如例4中是選地球還是選太陽做慣性參照系，產(chǎn)生的誤差很小，這時相對論成立．

馬赫原理的名字是愛因斯坦提出的，愛因斯坦認(rèn)為物體的慣性來源于宇宙中所有物質(zhì)之間的相互作用[8]．

圖1 馬赫原理示意圖

如圖1，如果沒有遙遠(yuǎn)星系的存在，本地物體m就沒有慣性，所以在一無所有的虛空中物體是沒有慣性的，只要有一個微弱的力作用于物體，物體將立刻被加速到無限大的速度，也就是虛空中不存在光速極限．這樣就得到了相對論成立的第二個條件：空間中需存在背景引力場(或者遙遠(yuǎn)宇宙物質(zhì)存在)．從微觀角度討論，假設(shè)真空是引力場的存在空間，真空有量子漲落，說明真空有結(jié)構(gòu)，如果真空介質(zhì)中有空隙，有一種粒子足夠小，其在真空中的運動可以在真空物質(zhì)的空隙中進行，那么在一定自由程上，就可以超光速，這時相對論不成立，所以為了不超光速，必須滿足粒子相對真空微結(jié)構(gòu)是宏觀粒子，故又稱這個條件是運動粒子相對真空微結(jié)構(gòu)的宏觀條件或不超光速條件．從這個條件可知，基本粒子超光速的條件有兩點：(1)足夠小；(2)不受長程引力作用．有許多科學(xué)家猜測中微子是超光速粒子，但相對真空結(jié)構(gòu)中微子是否足夠小現(xiàn)在并不知道，如果中微子有質(zhì)量則不可能是超光速粒子．

至此我們總結(jié)出了2條相對論的適用條件：(1)參照系絕對對稱條件；(2)不超光速條件．從物質(zhì)空間模型看，對稱條件保證了物質(zhì)空間中力學(xué)具有最簡數(shù)學(xué)形式(協(xié)變)；不超光速條件說明相對論只在存在引力的真空空間中成立，并要求微觀粒子相對真空微結(jié)構(gòu)是宏觀的．

7 結(jié)語

本文中僅使用了一個數(shù)學(xué)公式，其目的是為了實踐物理學(xué)回歸直覺的嘗試．當(dāng)然這種直覺是建立在大量的實驗事實和已有理論結(jié)果的基礎(chǔ)上．文中用動因公理分析得到了產(chǎn)生相對論效應(yīng)的物理原因是：運動物體和空間的相互作用，這種作用的大小決定了相對論效應(yīng)的大小，用它可以說明所有的相對論效應(yīng)．任何理論都有適用條件，相對論也不例外，本文用了3種不同的研究方法，得到了2條相對論適用條件：(1)參照系絕對對稱條件；(2)不超光速條件．當(dāng)這兩個條件滿足時，物質(zhì)空間力學(xué)轉(zhuǎn)化為相對論．

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ThePhysicalMechanismofRelativisticEffectsandApplicableConditionsofRelativity

YINYe1,HUSu-hui2

(1.College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China；2.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)

Relativistic effects exist in the theory of relativity,but not in Newtonian mechanics.What’s leading to this distinction of the two theories?What’s the relationship between this distinction and the applicable conditions of Newtonian mechanics?Does Relativity have applicable conditions?How to research the applicable conditions of relativity?What’s the applicable condition of relativity?This paper discusses these issues through analysis and modeling,gets the physical causes of forming relativistic effects,and proposes three researching methods of relativistic applicable conditions.Two applicable conditions of relativity have been obtained by these methods and explain some difficult problems handed down in physics.

relativistic effects;applicable conditions of relativity;Einstein’s axiom;substance space;relativity

郎集會)

2014-04-22

國家自然科學(xué)基金項目(60971004)；上海師范大學(xué)重點學(xué)科建設(shè)項目(A7001-12-002006)

殷 業(yè)(1961-)，男，江蘇省無錫市人，現(xiàn)為上海師范大學(xué)信息與機電工程學(xué)院副教授，博士.研究方向：信息理論、粒計算、智能控制、語音信號處理、基礎(chǔ)物理理論等.

O412

A

1674-3873-(2014)03-0096-06