狹義相對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。在詳細分析狹義相對論產(chǎn)生一系列問題的根本原因之后，根據(jù)辯證法的“對立統(tǒng)一”規(guī)律和中國古代“陰陽學(xué)說”認為狹義相對論的哲學(xué)基礎(chǔ)是不完備的。最后，提出“絕對相對統(tǒng)一論”時空觀才是解決狹義相對論面臨問題的根本之道。

狹義相對論；攣生佯謬；對立統(tǒng)一規(guī)律；陰陽理論；絕對相對統(tǒng)一論

引言

二十世紀初，愛因斯坦等人以“相對性原則”和“光速不變原則”為基礎(chǔ)，建立了狹義相對論，它對近代物理學(xué)起到了巨大的推動作用，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，對它的質(zhì)疑和爭論依然不休[1]。因此，厘清狹義相對論所面臨的困難及相關(guān)問題的本質(zhì)，尋求解決之道對推動物理學(xué)的發(fā)展將有重要意義。

1狹義相對論內(nèi)面臨的問題

1.1孿生子佯謬的理解問題

對于這一問題的認識具有代表性的有以下幾種觀點：

第一種觀點認為，“孿生佯謬”可以在狹義相對論范圍內(nèi)解決。認為動鐘的走時率并不真正變慢，而是堅持標(biāo)準(zhǔn)鐘的走時率，鐘慢效應(yīng)是因為不同慣性參考系對鐘和測量造成的。

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

仔細分析不難發(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”的時間就是一定的，但可以把勻速階段“設(shè)計”為任意長，即在勻速階段地球鐘落后的時間就可以是一個很大的數(shù)，那么在回轉(zhuǎn)部分“越前”的時間怎么一定會超過落后的時間。

第四種觀點認為用狹義相對論解決“孿生子佯謬”是不可能的，用廣義相對論完滿解決這個問題也難以實現(xiàn)[4-5]。

1.2慣性系成了無法定義的概念問題

算理是計算數(shù)學(xué)的靈魂。計算法則的理解和掌握是小學(xué)數(shù)學(xué)計算教學(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，教師也應(yīng)挑選出學(xué)生在練習(xí)過程中出現(xiàn)的典型錯例，引導(dǎo)學(xué)生共同分析錯誤原因，既能幫助學(xué)生把錯誤消滅萌芽狀態(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。慣性定律的實質(zhì)是一個不受外力的物體保持靜止或勻速直線運動的狀態(tài)，而不受外力是指一個物體能在慣性系中靜止或勻速直線運動。這樣，慣性系的定義就陷入了邏輯循環(huán)。

2狹義相對論面臨問題的原因分析

上述討論可知，由于缺乏對狹義相對論“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)了多種對狹義相對論的理解，無論是哪一種理解，對解決“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論體系里兩個參考系的觀察者都認為對方的鐘比自己的鐘走得更慢，這是因為狹義相對論沒有給出“時間”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)，測量事件發(fā)生的間隔是不變的。但由于相對運動產(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事件發(fā)生的時間時，信號傳輸需要時間，從而產(chǎn)生延時，所以都認為對方的鐘走得更慢(且因為相隔的距離是一樣的，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。假想實驗：設(shè)孿生子甲、乙，分別以相對地球速度u沿相反方向運動，由于他們處于完全對稱的運動狀況，不難得出，他們在任何時刻都一樣年輕，但是，去掉地球參照系后，根據(jù)狹義相對論則得出，他們都會認為對方比自己年輕，因此，雙方所看到的只是“虛假”的現(xiàn)象。此外，根據(jù)圖1實驗可以發(fā)現(xiàn)，光速不變與相對性原理是互不支持的。甲乙兩個觀測者處于對稱運動狀態(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動的關(guān)系

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

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

3狹義相對論面臨問題的解決辦法

根據(jù)辯證法對立統(tǒng)一的觀點認為，“相對”與“絕對”是對立統(tǒng)一的矛盾雙方，雙方互為存在的前提，既互相對立又互相統(tǒng)一，失去一方，對方也將失去存在的條件。而不是目前人們認為的相對論包含絕對論。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)象都存在著相互對立的陰陽兩個方面，萬物陰陽相對，陰中有陽，陽中有陰；孤陰不長，獨陽不生。這也說明在談“相對性”時，其實它是針對的是絕對性，或已經(jīng)隱含了“絕對性”；在談“絕對性”時，也是針對相對性，或已經(jīng)隱含了“相對性”，二者是不能割裂的。即，無論是絕對論還是相對論，它們依據(jù)的哲學(xué)基礎(chǔ)是不完備的。因此，要解決狹義相對論面臨的問題就必須拋棄不完備的時空觀，遵循絕對與相對性統(tǒng)一的完備的時空觀，它會為解決時空及相關(guān)問題提供新的思路。

4結(jié)論

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

(2)根據(jù)本文提出的絕對相對統(tǒng)一論，必然存在絕對靜止參考系(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[7]?？赡苡袑W(xué)者會提出“邁克遜-莫雷”實驗否定了“以太”的存在，但筆者通過分析認為，雖然該實驗出現(xiàn)“零”結(jié)果，但并不表示對真空存在物質(zhì)的否定。因為該實驗是根據(jù)絕對時空觀理論和傳統(tǒng)“以太”概念進行設(shè)計的，實驗沒有出現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果，只能證明絕對論時空觀是不完備的，但不能反證相對論時空觀是完備的，因為還有第三種情況。同時，真空中有物質(zhì)的存在這一點非常重要，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)絕對相對統(tǒng)一論，相對于絕對參考系運動的參考系之間存在相對運動效應(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)。狹義相對論認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，相對于絕對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動無關(guān)，與測量的參考系有關(guān)。因此，相對于絕對靜止參考系運動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)，而相對運動則可以超過光速。

(5)把時間定義為周期性事件節(jié)律的快慢，以及前述幾點即可推出與狹義相對論基本一致的結(jié)果(推導(dǎo)過程及可能的相關(guān)實驗驗證另文敘述)。但其本質(zhì)意義與狹義相對論完全不同，也不存在任何悖論。如：處于絕對靜止參照系中的鐘按照“標(biāo)準(zhǔn)”走時率運動，處于相對于絕對靜止參考系運動的慣性參考系的鐘的走時率變慢。它們的關(guān)系可以通過實驗說明，設(shè)三生子甲、乙、丙，丙留在地球上，甲、乙分別以相對地球以速度u沿相反方向運動。根據(jù)“絕對相對性原則”，并把地球作為近似靜止參考系，由于甲、乙相對靜止參考系的運動速度是一樣的，則甲、乙的年齡一樣，并都比丙年輕。運動參考系的“時鐘”變慢的原因是因為絕對運動使能量的傳輸速度相對變慢，因而使周期運動的節(jié)律變慢，這種變慢是實實在在發(fā)生的，而不是因為測量信號傳輸需要時間引起的。同時，處于“運動”狀態(tài)下的物體長度會縮短，這是由于物體從絕對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”，這個縮短也是實實在在發(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，這是時代的局限(對于狹義相對論的劃時代意義是不能忽視的)。因此在狹義相對論產(chǎn)生已過去100多年的今天，要解決這些問題，必須改變思路，通過對時空的本質(zhì)進行深入探索研究，從哲學(xué)的高度出發(fā)，認為建立新的絕對相對統(tǒng)一時空觀，拋棄不完備的時空觀，這才是解決該問題的根本之道，這一方法也將對理論物理前沿研究產(chǎn)生重要影響。

[1] 黃志洵.對狹義相對論的討論和研究[J].中國傳媒大學(xué)學(xué)報: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).相對論[M].北京:科學(xué)出版社,1983.

[4] 瑞云,等.狹義相對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.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

A