圍繞相對論的爭議
——紀念廣義相對論發(fā)表一百周年

沈致遠

摘要 綜述圍繞相對論之爭議，將之分為三派：肯定派、否定派、發(fā)展派。列舉不容曲解的實驗證據(jù)，證明全面肯定派及全面否定派之錯誤。作者同意發(fā)展派的觀點，并提出一些發(fā)展相對論的想法。四川大學王順金教授及作者各自獨立提出發(fā)展廣義相對論的理論，詳見文后參考文獻。

圍繞相對論的爭議
——紀念廣義相對論發(fā)表一百周年

沈致遠?

摘要 綜述圍繞相對論之爭議，將之分為三派：肯定派、否定派、發(fā)展派。列舉不容曲解的實驗證據(jù)，證明全面肯定派及全面否定派之錯誤。作者同意發(fā)展派的觀點，并提出一些發(fā)展相對論的想法。四川大學王順金教授及作者各自獨立提出發(fā)展廣義相對論的理論，詳見文后參考文獻。

相對論；洛侖茲變換；質(zhì)-能相當原理；鐘慢效應；蟲洞；外祖父佯謬；輪回宇宙理論

縱觀科學史，有兩個理論引起極大爭議，首先是進化論，其次是相對論。反對進化論的主要是“神創(chuàng)論”者，其爭議不屬于學術范疇。就學術性而言，圍繞相對論的爭議最值得學術界關注。

其實，圍繞相對論的爭議也有一部分不屬于學術范疇。愛因斯坦相對論初創(chuàng)時，德國反猶太主義者群起而攻之，稱之為“猶太科學”并加以抵制，致使愛因斯坦長期未獲得諾貝爾獎。1921年終于得獎，也故意回避相對論。在早期蘇聯(lián)，有人將相對論作為資產(chǎn)階級思想加以批判。中國在“文化大革命”時，也有人借此機會批判相對論。但這些只是鬧劇，不值得學術界關注。

圍繞相對論的爭議主流屬于學術范疇，大致可分為三派：一、肯定派，二、否定派，三、發(fā)展派。

本文的目的在于對圍繞相對論的爭議作學術性探討，就事論理，不針對個人。為此，在列舉不同觀點時，一般不引用參考文獻，也不指名道姓。

1 肯定派

顧名思義，肯定派肯定相對論，其激進者全盤肯定。全盤肯定相對論者大多為物理學界主流人物，人數(shù)不多，影響甚大。他們對試圖修正、補充及發(fā)展相對論的論文不屑一顧，他們主編的物理學期刊對之一律禁刊。

2011年9月意大利國立核物理研究所宣布：根據(jù)他們的測量數(shù)據(jù)，中微子的飛行速度超過光速！在物理學界引起軒然大波，贊成者與反對者競相發(fā)表論文。數(shù)月后塵埃落定，原來是測量設備有漏洞所造成之假象，該研究所主任為此引咎辭職。事后，著名物理學期刊《物理學評論快訊》(Physics Review Letters)主編在《科學美國人》發(fā)表一篇短文說：“本刊就此事只發(fā)表兩篇論文，作者均認為中微子不可能超過光速?！碑斎贿@次他做對了，他接著宣稱：“本刊一貫拒絕刊登不符合洛侖茲變換的論文。”洛侖茲(Lorentz)變換是光速不變原理及協(xié)變原理之定量表示，這兩個原理是狹義相對論的基礎。在他看來，狹義相對論是絕對真理。果真如此嗎？舉一例可證其謬。瑞士物理學家薩拉特(D. Salart)等人[1]以實驗證明，兩個糾纏光子之間信號傳播速度超過光速至少一萬倍，這和光速不變原理直接抵觸，洛侖茲變換必須相應修正，由此可見狹義相對論并非絕對真理。其實，物理學家早就發(fā)現(xiàn)，對兩個糾纏粒子，測量其中一個粒子的自旋，另一個在遠處的粒子立即相應改變其自旋。對此愛因斯坦稱之為“鬼怪的超距作用”(spooky action at a distance)。但肯定派強辯說：“人不能利用糾纏粒子之間的瞬時相互作用傳遞信息，故不違反狹義相對論?！钡m纏粒子確實用來傳遞信息，物理學又不是“人理學”，為什么非得人傳遞信息才算數(shù)呢？

再來看廣義相對論。量子論與廣義相對論是20世紀物理學兩大支柱，在此基礎上，物理學成果累累。但這兩大支柱不相容，廣義相對論不包含幾率，屬于絕對決定論；量子論包含幾率，違反絕對決定論。再者，廣義相對論是宏觀理論，不適用于微觀。個別絕對肯定論者罔顧事實，認定廣義相對論是絕對真理。舉一例可證其謬：根據(jù)廣義相對論，黑洞中心徑向距離趨向于零時，萬有引力趨向于無窮大，物理定律全部失效！是為廣義相對論之“奇點”(singularity)困難，在廣義相對論現(xiàn)有框架內(nèi)無法解決。由此可見，廣義相對論并非絕對真理。

任何科學理論都有一定的適用范圍，越出其適用范圍，真理就變?yōu)橹囌`。絕對真理可望而不可及。所有科學皆然，相對論豈能例外。明乎此理，全盤肯定論可以休矣。

2 否定派

全盤肯定派錯了，否定派是否就對了呢？不一定。這里要說的是全盤否定派，他們對相對論全盤否定。這就從一個極端跳到另一個極端，以錯易錯，其錯更甚。

全盤否定派試圖從根本上全盤否定相對論，回歸到牛頓力學。他們提出聳人聽聞的口號：“回到1905年！”(1905年愛因斯坦發(fā)表狹義相對論)在他們看來，20世紀物理學家做出的劃時代貢獻——量子論和相對論，至少有一個全盤皆錯，幾千位理論和實驗物理學家百年來所做的工作大半作廢！茲事體大，不能掉以輕心。

全盤否定論者多數(shù)是“民科”(民間科學家之簡稱)。民科中許多人缺乏物理學基本訓練及數(shù)學基礎，他們認為相對論的一些重要結(jié)論如運動物體長度沿運動方向收縮、運動時鐘變慢、同時性是相對的、質(zhì)量能量相當、時空彎曲、引力場中時鐘變慢等等，不合常理，無法理解而加以反對。不知者不責，情有可原。

這里要說的是有些受過正規(guī)物理學教育，具有博士學位和教授職稱者，也對相對論全盤否定。為此，他們發(fā)表論文、撰文著書、發(fā)表演說進行宣傳，力求擴大影響。

全盤否定論者反對狹義相對論，首先集中于否定邁克爾孫(A. Michelson)所做的測定光速實驗。限于當時的實驗條件，其實驗結(jié)果確有可議之處。全盤否定論者也知道，證實狹義相對論的實驗并不只限于邁克爾孫實驗，他們一不做二不休，轉(zhuǎn)而試圖否定有關質(zhì)能相當原理的實驗。眾所周知，放射性原子核分裂釋放出能量基于質(zhì)能相當原理。但全盤否定論者試圖狡辯，他們認為釋放的能量來源于原子核內(nèi)能。這當然是有意曲解，但核分裂反應前后之靜質(zhì)量相差較少，此狡辯容易迷惑人。這里舉出一個不容曲解的確證。繆(μ)輕子靜質(zhì)量為105.66 MeV，其主要衰變通道(分支比接近100%)：衰變?yōu)橐粋€電子、一個電子反中微子和一個繆中微子。電子靜質(zhì)量為0.51 MeV，電子反中微子和繆子中微子的靜質(zhì)量均小于千分之一電子質(zhì)量?？娸p子衰變后所產(chǎn)生的三個粒子靜質(zhì)量之總和只占繆輕子靜質(zhì)量的0.5%，繆輕子衰變后99.5%的靜質(zhì)量損失了，轉(zhuǎn)化為衰變所產(chǎn)生的三個粒子之動能。此乃質(zhì)能相當原理之確證。請問全盤否定論者：如無質(zhì)能相當原理，這99.5%的靜質(zhì)量到哪里去了？

全盤否定論者還試圖否定運動時鐘變慢。對此通俗讀物中所舉例子是，以接近光速作宇宙飛行的人壽命延長，返回地球后發(fā)現(xiàn)，他的兒子和孫子都早已逝世！由于宇宙航行必須轉(zhuǎn)向才能返回地球，此例涉及加速度，越出狹義相對論適用范圍，易為狡辯者所利用。這里舉出一個不容曲解的確證：靜止的繆輕子平均壽命約為百萬分之二秒，以接近光速飛行之繆輕子平均壽命比靜止時的可增加幾百到幾千倍。實驗物理學家早就建成“繆輕子工廠”，每秒鐘可產(chǎn)生許多以接近光速飛行的繆輕子?？娸p子工廠已運行了若干年，所記錄到的上述繆輕子壽命延長現(xiàn)象不計其數(shù)，而且測得的壽命延長與根據(jù)狹義相對論計算值符合。此外，實驗物理學家正在考慮，利用延長壽命的繆輕子代替電子制造繆輕子直線加速器以提高其能量。鐵證如山！全盤否定論者縱有如簧之舌、生花妙筆，也無法為否定運動時鐘變慢狡辯。

證實狹義相對論的實驗并不限于以上兩例。描述基本粒子及其相互作用之量子場論標準模型基于量子論及狹義相對論，這是一個非常成功的理論。據(jù)此可算出有關基本粒子的許多物理參量，幾十年來驗證其理論計算結(jié)果的實驗成千上萬，有的實驗與理論符合之誤差小于百億分之一，被稱為有史以來最精確的理論。這些都是狹義相對論的間接實驗證據(jù)。請問全盤否定論者：面對如此之多的證據(jù)，你們?nèi)绾我灰挥枰苑穸ǎ?/p>

再來看廣義相對論。全盤否定論者反對廣義相對論，首先集中于否定廣義相對論的第一個天文觀測證據(jù)。英國天文學家愛丁頓爵士(Sir. A. Eddington)于1919年率隊在東非日全食時所做的星光為太陽引力場彎曲的觀測，限于日食時的不利氣象，以及攝影所用底片之分辨率，其結(jié)果確有可議之處。隨后已有更精確的天文觀測，證實了廣義相對論關于星光為引力場所彎曲之定量結(jié)果。星光在引力場中彎曲可形成“引力透鏡效應”，已用來驗證暗物質(zhì)。面對這些事實，全盤否定論者并不認輸，他們強辯說：牛頓引力理論也能解釋星光為引力場所彎曲。但牛頓引力理論只對有質(zhì)量的粒子產(chǎn)生引力，而光子靜質(zhì)量為零。他們還要狡辯：光子具有動質(zhì)量。他們忘記了，動質(zhì)量是相對論引入的。他們兜了一個圈子回到原點，白費功夫。

個別全盤否定論者甚至否定廣義相對論計算水星近日點進動之定量符合，試圖翻百年舊案。水星近日點進動與牛頓理論不符，這是逾百年精確天文觀測以及反復核算得出的結(jié)論，豈是狡辯所能推翻。

全盤否定論者并不善罷甘休，他們挖空心思試圖否定廣義相對論之基本概念——時空彎曲。他們舉例說：一維的曲線只有在二維平面中才能實現(xiàn)，二維的曲面只有在三維空間中才能實現(xiàn)。以此類推，三維的彎曲空間只有在四維空間中才能實現(xiàn)，一維的彎曲時間只有在二維時間中才能實現(xiàn)；但四維空間和二維時間并不存在，所以時空彎曲不能成立。乍聽，此言似乎有道理；細思量，只是巧加偽裝的狡辯?？破兆x物將二維空間彎曲以球面(正曲率)或馬鞍面(負曲率)表示，是為了直觀形象使讀者容易理解，并不能由此斷言二維彎曲空間只存在于三維空間。實際上，愛因斯坦廣義相對論彎曲時空是以黎曼(G. Riemann)幾何之度規(guī)張量(gauge tensor)表示。三維空間及一維時間之度規(guī)張量由4×4 矩陣表示，彎曲時空之度規(guī)張量有16個分量，一般均為時空變量，由于對稱性其中10個分量是獨立的。明乎此理，上述狡辯就原形畢露。例如：具有正曲率之彎曲二維空間中圓周率小于π，在三維空間形象化表示中，是以球面上之圓周除以直徑表示；如以度規(guī)張量表示，以二維面上圓周方向之度規(guī)分量計算圓周長度，將之除以直徑方向之度規(guī)分量計算之直徑長度算出圓周率小于π。由此可見，彎曲二維空間并非必須在三維空間才能實現(xiàn)，余可類推。全盤否定論者弄巧成拙。

廣義相對論基本方程有所謂“蟲洞”(wormhole)解，在極度彎曲時空中，通過蟲洞可從一個三維空間進入另一個三維空間。有人將之解釋為可通過蟲洞返回歷史，據(jù)此提出所謂“外祖父佯謬”(grandfather paradox)：有人鉆進蟲洞到達另一個三維空間的世界，發(fā)現(xiàn)自己返回到百年前，他將幼年的外祖父殺死，尚未結(jié)婚的外祖父死了，母親當然不可能誕生，沒有母親他自己從何而來？如此事真的發(fā)生，顯然違反因果律——后果不可能改變前因。因果律是一切事物必須遵守的基本規(guī)律，任何科學理論都不能違反。全盤否定論者如獲至寶，大喜過望，根據(jù)外祖父佯謬斷言：廣義相對論違反因果律，必須全盤否定。廣義相對論基本方程確實有蟲洞解，但并不能將之解釋為可通過蟲洞返回歷史，外祖父佯謬乃天方夜譚，根本不可能存在。這里的關鍵問題是：通過蟲洞是否能返回歷史？如能返回歷史，時間就可以倒流，必然違反因果律。但蟲洞解之解釋并非返回歷史，而是宇宙歷史輪回。宇宙學家提出“輪回宇宙理論”(cyclic universe theory)：我們所處的宇宙由于暗能量產(chǎn)生斥力正處于加速膨脹時期，使物質(zhì)密度逐漸降低，宇宙膨脹速度相應變慢，致使宇宙停止膨脹而轉(zhuǎn)為收縮，收縮速度越來越快，最終導致與宇宙“大爆炸”(big bang)相反的宇宙“大壓縮”(big crunch)。大壓縮使得宇宙物質(zhì)密度急劇增加，時空極度彎曲而產(chǎn)生蟲洞，宇宙通過蟲洞進入新的三維空間，完成一個宇宙輪回。在新宇宙的三維空間中時間重新開始，如此輪回往復，無窮無盡。由此可見，廣義相對論蟲洞解并不導致時間倒流，并不違反因果律。全盤否定論者一場空歡喜。

實際上，廣義相對論已經(jīng)過上百次實驗及天文觀測檢驗，從未發(fā)現(xiàn)一例違反。更有甚者，廣義相對論還有實際應用，利用全球定位系統(tǒng)(簡稱GPS)測定位置已精確到小于厘米，為達到如此之高的精確度，必須根據(jù)廣義相對論對時鐘在引力場變慢所引起的微小誤差進行校正。面對事實，全盤否定論可以休矣。

平心而論，全盤否定論者也有貢獻。他們對相對論進行全方位批評，迫使人們對相對論各個環(huán)節(jié)深入思考以進行答辯，從而加深了對相對論的理解。全盤否定論者在這場論戰(zhàn)中失敗了，其經(jīng)驗教訓使我們知所趨避，這也是一種貢獻。

關于民科有必要再說幾句。我一貫同情民科，曾幾次撰文贊揚民科自發(fā)投入科學研究的可貴精神，呼吁有關部門予以適當支持。前面對民科的批評是恨鐵不成鋼。研究如相對論這樣的前沿科學，必須具備必要的物理基礎知識及數(shù)學功底，最好能懂一門外文，才能提出獨立見解進行批評。語重心長，希望民科們理解。

3 發(fā)展派

近代物理學發(fā)展史可劃分為兩個時期：第一時期是以牛頓力學理論和麥克斯韋電磁理論為主體的經(jīng)典物理學，這兩個理論并不相容，由此孕育出一個新時期；第二時期是以廣義相對論和量子論為主體的現(xiàn)代物理學，這兩個理論也不相容，隨著人類認識的不斷深入，將孕育出物理學第三時期，廣義相對論必將隨之發(fā)展。

發(fā)展派既不全盤肯定也不全盤否定相對論，而是試圖在新的基礎上將之發(fā)展。這種工作一直有人在做，廣義相對論就是愛因斯坦本人對狹義相對論的一次重要擴展，使其適用范圍從等速參照系擴展到包括加速參照系，并因此引入時空彎曲以代表引力。發(fā)展廣義相對論的工作也一直有人在嘗試，有的引入“繞度”試圖解決奇點困難，許多人試圖將廣義相對論量子化，為此有一個學派稱為“量子化引力理論”，其中最著名的是由阿許特卡(A. Ashtekar)于1986年創(chuàng)立的“圈論”(loop theory)。

迄今為止，所有試圖發(fā)展廣義相對論的理論都失敗了，如何發(fā)展相對論仍然是未解之謎。實際上，對科學前沿的探索本來就是猜謎，見仁見智因人而異，謎底由實驗揭曉。

物理學是實證科學，實驗及觀測結(jié)果是驗證理論的判據(jù)。從實驗及觀測與現(xiàn)有理論抵觸之處可發(fā)現(xiàn)發(fā)展的線索。

天文觀測發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹，在廣義相對論方程中增加一個宇宙常數(shù)項可能解釋宇宙加速膨脹，不料理論算出的宇宙常數(shù)值比天文觀測值大120個數(shù)量級！被認為是物理學理論最大的誤差。物理學家為此提出各種方案試圖消除此誤差，均未成功。我認為，這是一個值得注意的線索，可為如何發(fā)展廣義相對論提供啟迪。

另一個實驗線索是薩拉特等人發(fā)現(xiàn)兩個糾纏光子之間信號傳播速度至少大于光速一萬倍[1]，證明狹義相對論之光速不變原理必須加以修正。在廣義相對論現(xiàn)有框架內(nèi)也不允許信號傳播速度超過光速，這也可對如何發(fā)展廣義相對論提供啟迪。

再來看理論方面，廣義相對論與量子論是現(xiàn)代物理學兩大支柱，但兩者不相容。物理學家一般認為，不相容是由于廣義相對論未能量子化。試圖發(fā)展廣義相對論者致力于將之量子化，至今無一成功，是進行反思的時候了，應另找發(fā)展廣義相對論之切入點。我認為，愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論最大的貢獻是將空間物質(zhì)化。根據(jù)牛頓理論，空間空無一物，只是為物體運動提供場所。愛因斯坦將引力歸結(jié)為時空彎曲，引力具有能量，能量與物質(zhì)等價，據(jù)此空間并非空無一物，空間是物質(zhì)。隨后，量子力學提出空間具有量子起伏代表真空具有能量，也證明空間并非空無一物。這是現(xiàn)代物理學在基本觀念上的一大突破，具有劃時代重大意義。我在想，對空間作進一步的深入發(fā)掘，是發(fā)展廣義相對論的切入點。廣義相對論的空間是完全確定的，“天有不測風云，人有旦夕禍?！?，宇宙萬物充滿了不確定性，這種不確定性必然源于空間之屬性。對空間引入以幾率代表的不確定性，可能是發(fā)展廣義相對論的切入點。四川大學王順金教授和我各自獨立沿此思路做了一些工作，不謀而合，兩人所見略同。有興趣的讀者可參閱文獻[2-5]。

4 結(jié)束語

本文只是我千慮一得之管見，歡迎讀者提出批評指正。我會認真聽取，堅持真理，修正錯誤，有則改之，無則加勉。如發(fā)現(xiàn)錯誤，我一定虛心接受，認真改正?？茖W就是在不斷接受挑戰(zhàn)及改正錯誤中發(fā)展的。

(2014年12月24日收稿)■

[1] SALART D, BASS A, BRANCIARD C, et al. Testing the speed of‘spooky action at a distance’[J]. Nature, 2008, 454(7206): 861-864.

[2] WANG S J. Microscopic quantum structure of black hole and vacuum versus quantum statistical origin of gravity [EB/OL]. arXiv.1212.5862v3[grqc].(2014-09-26). http://arxiv.org/abs/1212.5862v3.

[3] WANG S J. Vacuum quantum fluctuation energy in expanding universe and dark energy [EB/OL]. arXiv.1301.1291v3[physics.gen-ph]. (2014-09-26). http://arxiv.org/abs/1301.1291v3.

[4] 沈致遠. 統(tǒng)一場論源流及新版本[J]. 自然雜志, 2014, 36(3): 157-164.

[5] SHEN Z Y. A New version of unified field theory——Stochastic quantum space theory on particle physics and cosmology [J]. Journal of Modern Physics, 2013, 4(10): 1213-1380.

The controversy around relativity theory

SHEN Zhi-yuan

This paper provides an overview of the controversy around relativity theory. The different opinions are classified into three schools: the accept school, the reject school, the develop school. In this paper, the author listed unarguable experimental facts to disapprove the totally accept school and the totally reject school. The author agrees with the develop school, and provides some ideas for developing relativity theory. Professor Shun-Jin Wang at Sichuan University and the author independently established theories for developing general relativity theory as shown in the references.

relativity, Lorentz transformation, mass-energy equivalent principle, clock slow effect, wormhole, grandfather paradox, cyclic universe theory

(編輯：沈美芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.02.008

?通信作者，E-mail: zyshen@comcast.net