評阮曉鋼教授的“觀測相對論”

王令雋

(田納西大學查塔努加分校物理天文系, 田納西 查塔努加 37403)

《北京工業(yè)大學學報》2019年9月10日網(wǎng)絡(luò)版(JournalofBeijingUniversityofTechnology, ISSN 0254-0037, CN 11-2286/T)發(fā)表了該校阮曉鋼教授的論文《觀測與相對論：光速在愛因斯坦狹義相對論中為什么不變？》，提出了他的“觀測相對論”，并附有該刊評論員的文章. 我非常贊賞阮教授和評論員敢于挑戰(zhàn)權(quán)威、敢于批判相對論的精神. 科學不同于宗教，沒有任何人是上帝，沒有任何理論是不可以討論不可以挑戰(zhàn)的. 只有物理學界重新樹立了文藝復興時期建立起來的科學批判精神，才能客觀地梳理20世紀理論物理學的諸多問題，走出困境. 《北京工業(yè)大學學報》敢于發(fā)表阮曉鋼教授對相對論的批判文章，真是難能可貴. 所以我想籍對阮教授論文的評論談幾個相對論研究中一般性的觀念問題，希望對學術(shù)界研究相對論的朋友提點參考意見.

1 觀測與客觀物理量的關(guān)系

我們知道，物理學的研究對象是客觀的物理世界. 物理學不同于神學，其根本就是一切理論都必須建立在對客觀世界的觀測上，而不是建立在神學家的空想和神話傳說上. 只有這樣，物理學才成其為科學. 當然，任何觀察和測量不可能絕對精確，都是有誤差的. 測量誤差越小，由此得出的理論就越精確. 如果測量數(shù)值與實際的物理量不符合，就應(yīng)該改進測量工具和方法，使得誤差越來越小. 如果對觀測數(shù)據(jù)進行處理的理論得出的結(jié)果和實際物理量不符，那或者是實驗測量有問題，或者是理論有問題. 此時物理學家應(yīng)該做的，是改進測量儀器，改正理論，而不能因為觀察和物理現(xiàn)實有差別，就確立另一個理論，把觀測誤差當作理論的立論基礎(chǔ)，就據(jù)以改變經(jīng)過無數(shù)科學與工程實踐確立的時空結(jié)構(gòu)，就據(jù)以否定經(jīng)過無數(shù)科學與工程實踐確立的科學定律諸如質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，就據(jù)以否定基本的科學邏輯比如因果律.

可是歷史上有些不理解相對論的人們，卻把相對論中一些不可思議的結(jié)果歸結(jié)為觀測與物理現(xiàn)象的差別. 阮教授顯然也持這種觀點. 他認為，“所有相對論性現(xiàn)象都是觀測效應(yīng)，源于觀測相對性，而非真實的自然現(xiàn)象或物理現(xiàn)實”. 這種“觀察數(shù)值”和“實際數(shù)值”到底差別有多大呢？不妨舉物體的質(zhì)量為例. 經(jīng)典物理中的物體質(zhì)量是不變的，有限的；但是相對論質(zhì)量則可以趨于無窮大. 質(zhì)子的經(jīng)典質(zhì)量為1.67×10-27kg，可是它的相對論質(zhì)量理論上可以趨于無窮大. 有窮大和無窮大之間的差別只是觀察效應(yīng)沒有實質(zhì)意義嗎？如果一個實際上是有限的物理量，經(jīng)過 “觀察”變成了無窮大，那 “觀察”和理論還有意義嗎？把相對論的結(jié)論歸結(jié)于“觀察效應(yīng)”，是掩蓋或抹煞相對論的本質(zhì). 愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式是20世紀理論物理尤其是粒子物理和宇宙學的根基，揚言是核能的根源，這僅僅是“觀測效應(yīng)”嗎？人們根據(jù)質(zhì)能關(guān)系式認定愛因斯坦為原子彈之父，必須對扔在廣島長崎的原子彈負責. 難道僅僅“觀察”一下，就能把廣島長崎毀滅？難道廣島長崎的毀滅僅僅是“觀測效應(yīng)”而不是物理真實？粒子物理學家們根據(jù)質(zhì)能關(guān)系式認定幾百個共振態(tài)和激發(fā)態(tài)粒子，宇宙大爆炸學家們根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式創(chuàng)造宇宙. 這些，難道都只是“觀測效應(yīng)”？難道觀測一下就可以創(chuàng)造出宇宙？(對愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式的批判，請參看拙作ACritiqueonEinstein’sMass-energyRelationshipandHeisenberg’sUncertaintyPrinciple,PhysicsEssays, Vol. 30，No. 1, 2017. 此文的中文版《論質(zhì)能關(guān)系》收集在拙著《物理哲學文集》第十七章，215頁，香港國際文化圖書，2014，ISBN 978-988-16298-0-7.)

“相對論觀測效應(yīng)”論歷史上早已有之，阮教授并不是首倡者. 相對論中的許多結(jié)論難以理解，許多人無法從其本質(zhì)上進行徹底批判，又不敢冒犯權(quán)威，于是就歸結(jié)為觀測問題，算是在自己的物理理念與現(xiàn)實的體制權(quán)威中找到了一個心理平衡和中庸的處置. 但是，如果僅僅停留在表面的觀測現(xiàn)象，就不可能抓住問題的本質(zhì). 這樣的“批判”不僅不能解釋相對論的謬誤，反而可能誤入相對論的巢臼而犯同樣的錯誤. 科學上講不得外交辭令. 不能足將進而踟躇，口將言而囁嚅. 科學爭論中，觀點必須坦率，理論必須徹底.

阮教授認為：“大自然所能呈現(xiàn)給我們的，只能是觀測時空，而非客觀時空. ”又說：“所有相對論效應(yīng)，本質(zhì)上都只是一類觀測效應(yīng)，并非真實的自然現(xiàn)象或物理現(xiàn)實，其根源在于觀測局域性. 沒有觀測局域性，時空將呈現(xiàn)其真實的面貌. 可見，真實的物理世界，應(yīng)該是伽利略和牛頓為我們描述的時空：時間和空間獨立速度疊加服從伽利略法則，而物質(zhì)運動則遵循牛頓定律；同時性是絕對的，時間不會膨脹，空間不會收縮，時空更不會彎曲. ”阮教授的這2段議論存在一個邏輯背反. 既然大自然所能呈現(xiàn)給我們的只是觀測時空而非真實時空，那您怎么知道伽利略和牛頓為我們描述的時空是真實的？他們是如何得到真實的物理世界的？如果伽利略和牛頓能夠觀測并描述真實的物理世界，為什么我們就不能？您能夠給出一個“真實時空”和“觀測時空”的精確定義以確定這二者的區(qū)別嗎？

質(zhì)言之，“觀察”與“真實”之間的差別，就是實驗誤差而已. 過分強調(diào)實驗誤差，強調(diào)觀測對物理量的影響，為謬論辯護，是哥本哈根學派的基本特征，誤導了物理學界整整一個世紀. 他們堅持“如果你不觀察，月亮就不存在”. 他們認為關(guān)在籠子里的薛定諤貓的生死是由觀測造成的. 其荒謬不言自明.

總而言之，相對論的理論及其結(jié)論是完全不同于經(jīng)典物理的革命性理論，不能僅僅歸結(jié)為觀測效應(yīng).

2 關(guān)于光速不變原理

阮教授說：“正是基于光速不變性假設(shè)，愛因斯坦成功地從理論上推導出洛倫茲變換，建立狹義相對論，揭示了時空和物質(zhì)運動的相對性現(xiàn)象. 光速不變性假設(shè)不僅是愛因斯坦SR的基石，同時，也是愛因斯坦廣義相對論的前提之一. ” 這段議論言過其實.

首先，僅僅基于光速不變性假設(shè)，是不能推導出洛倫茲變換的，還必須加上一些其他的假定，比如要求變換必須是線性的. 線性假定并不是不言自明的公理，因為沒有任何理由限制坐標變換的線性. 事實上，克魯斯科坐標變換就是非線性的，而且是非一一對應(yīng)的變換. 所以坐標變換的線性是一條必不可少的假定. 另外，必須假定時間的相對性. 這點也非常重要. 就是說，必須假定伽利略的經(jīng)典變換不成立. 這個假定就更加不是不證自明了. 所以，僅從光速不變假定是推導不出洛倫茲變換的. 相反，如果將洛倫茲變換作為大前提，就可以直接得到光速極限原理和光速不變原理. 其他的許多重要概念，比如相對論動量、質(zhì)量和能量的定義以及質(zhì)能關(guān)系式等等都是根據(jù)洛倫茲變換建立的. 所以，邏輯上洛倫茲變換才是狹義相對論的基石. 光速不變原理只不過是洛倫茲變換的結(jié)果之一.

其次，光速不變原理并不是廣義相對論的前提之一，和愛因斯坦引力場方程的建立了無關(guān)系. 事實上，廣義相對論和光速不變原理直接相悖. 這非常容易證明. 愛因斯坦引力場方程在靜止球?qū)ΨQ場中的精確解由希瓦茲查爾德給出

(1)

考慮各向同性的情形：dθ=0,dφ=0,我們有

(2)

愛因斯坦要求光在引力場中服從短程線方程ds=0,于是我們由式(2)得到光的速度

(3)

式中：c是光速；rs=2GM/c2是希瓦茲查爾德半徑. 式(3)中的正號表示沿半徑方向射出的光，負號表示沿半徑射入的光. 式(3)清楚地表明，廣義相對論中的光速和半徑有關(guān)，不是常數(shù). 當半徑等于希瓦茲查爾德半徑時，光速為零. 當半徑趨于零時，光速趨于無窮大. 可見光速不變原理不但不是廣義相對論的大前提，而且是大麻煩. 它和愛因斯坦要求光線在引力場中服從短程線方程的要求直接相悖. 如果在廣義相對論中堅持光速不變原理，就得拋棄光線沿短程線傳播的假定，這可就要影響到所謂引力使光線彎曲以及引力透鏡等等概念的合法性.

光速極限的另一個問題是它使得愛因斯坦的時空不存在轉(zhuǎn)動相對性，因而失去各向同性，這顯然違背相對論的基本精神. 因為根據(jù)物理上的相對性原理和空間的各向同性，人們可以選擇任意方向的坐標系來描述物理世界. 不同方向坐標系之間的物理量可以通過轉(zhuǎn)動變換互相轉(zhuǎn)換. 所以轉(zhuǎn)動變換是任何理論必須具備的. 可是因為光速極限，愛因斯坦的相對論不存在一個全域的轉(zhuǎn)換. 這個問題，我2000年在《意大利物理學報》上發(fā)表的一篇文章中有詳細的證明(見Ling Jun Wang,RotationalBehaviorofEinsteinianSpace，ILNuovoCimento，Vol. 115B, No.6, pp615-624, 2000.). 愛因斯坦的引力場方程有2個精確解，一個是希瓦茲查爾德解，適用于靜止球?qū)ΨQ引力場，另一個是科爾解，適用于旋轉(zhuǎn)的球?qū)ΨQ引力場. 這2個解都適用于地球的引力場，就看你選擇的坐標系是地球坐標系還是恒星坐標系. 理論的自洽性和相對性原理要求在希瓦茲查爾德解與科爾解之間必須有一個轉(zhuǎn)動變換. 但是，當半徑與角速度的乘積超過光速時，物體的線速度就將超過光速. 于是我們就發(fā)現(xiàn)一個驚人的結(jié)果：由于地球的轉(zhuǎn)動，所有恒星相對于地球上觀測者的線速度都超過光速！所以，相對論的光速極限原理是站不住腳的.

有的議者可能會說，實際上恒星并沒有運動啊. 恒星的線速度是由于地球的轉(zhuǎn)動而形成的視在速度，不能算數(shù)的. 這些朋友其實并不理解“相對性”的真諦. 即使在相對論中，相對速度也必須服從光速極限，因為相對論壓根就不承認有絕對速度. 所有的相對論教科書上都有許多例子來說明運動的相對性. 比如說，一列火車以80 km的時速行進，相對于車上的乘客而言，恒星的速度是多少呢？是反方向的80 km的時速. 沒有任何人挑戰(zhàn)這個結(jié)論. 那是不是意味這火車司機推動了恒星和整個宇宙以80 km的時速向相反的方向運動呢？當然不是. 恒星和宇宙的速度只是相對速度而已. 如果連這個概念都不懂，那一定是他的中學物理老師不稱職. 平動速度可以是相對的，轉(zhuǎn)動速度同樣可以是相對的，同樣必須服從力學定律. 如果有的朋友還不理解光速極限與轉(zhuǎn)動相對性和空間各向同性的矛盾，不妨試圖提出一個符合相對論的轉(zhuǎn)動變換，就知道問題的嚴重性了.

3 光在相對論中的特殊作用

相對論問世以后，一開始就遭到了物理學界的嚴厲批判，其中一個非常重要但是被后人忽略了的批判就是愛因斯坦把光置于一個特別的絕對的位置. 光其實就是電磁波，是大自然中諸多現(xiàn)象之一，對于時空結(jié)構(gòu)沒有也不應(yīng)該有決定理論架構(gòu)的作用. 可是，在愛因斯坦的相對論中，光(電磁波)卻被賦予了決定時空結(jié)構(gòu)的永久性的特殊位置. 這個特殊位置的最重要的表現(xiàn)就是光速極限原理. 光速成了一切物體速度的上限，不管是絕對速度還是相對速度. 即使光速和光速疊加得出來的還是光速. 其荒謬是顯而易見的.

光在相對論中的特殊位置的另一個表現(xiàn)是光線的傳播成了量度時間和空間的唯一合法手段. 這個觀點也在某種程度上被阮曉鋼教授接受了. 我說“在某種程度上”，是因為阮教授只接受任何物理量的量度必須通過媒介，但他認為不僅僅是光，其他媒介如聲波也可以. 阮教授說：“被觀測的對象的信息必須借助于一定的媒介，以一定的方式，傳遞至我們的感官或觀測儀器，方能被我們感知或觀測. ”這里強調(diào)了媒介在測量中的必要性.

物理量的測量必須通過媒介嗎？當我們用米尺測量桌子的長度時，我們直接比較桌子與米尺的刻度. 當我們數(shù)著白天黑夜測量時間的流逝時，我們用的是地球自傳的穩(wěn)定周期. 當我們測量物體的質(zhì)量時，我們把物體和砝碼以及秤的刻度相比；當我們測量溫度時，我們看水銀柱的高度；當我們測量電壓、電流、電容、電阻時，我們讀儀表上的數(shù)字；當我們用壓電晶體測量壓力，用蓋革計數(shù)器測量輻射劑量，用14C的豐度測量長沙馬王堆死尸的年代，用云室多絲室和計數(shù)器測量粒子碰撞的散射界面時，用的是什么媒介？當將軍們用三角測地法測量河對岸的敵人目標時，用的是什么媒介？在所有這些測量中，都不需要媒介.

也許人們會說，所有這些測量都用到了媒介. 比如用米尺測量桌子的長度，沒有光，你就沒有辦法對刻度. 如果數(shù)字儀表上顯示器的光線不能到達你的眼睛，你就得不到結(jié)果. 三角測地法也必須用光線將三點對成一條線. 這難道不是用光做媒介嗎？

不是. 這里，光只是用作測量設(shè)備的一部分，就像儀表和眼睛一樣，沒有儀表和眼睛，同樣不能測量. 沒有任何人把眼睛包括在他的時空理論之中. 那么，要滿足什么條件才能被稱為“媒介”呢？它的傳播速度必須被定量地包括在理論的公式之中. 特別地，媒介的速度必須成為阮教授文章的幾個附圖之中的一部分，成為相對論因子的一部分. 如果媒介的速度和理論之間不存在這種定量的聯(lián)系，就不是相對論意義下的“媒介”，相對論理論家們也就沒有必要堅持測量媒介的必要性. 上面所說的米尺和砝碼、水銀和壓電晶體、電表和蓋革計數(shù)器、放射性元素和云室多絲室等等，都和相對論因子沒有任何定量的關(guān)系，不能為相對論提供任何邏輯支持，所以不是阮教授意義下的“媒介”. 因此，“被觀測的對象的信息必須借助于一定的媒介，以一定的方式，傳遞至我們的感官或觀測儀器，方能被我們感知或觀測”這一論斷不能成立.

以光線傳播速度有限(阮教授稱之為觀測局域原理POL)作為理由為相對論辯護，起于20世紀50年代. 當時許多物理學家不接受時間的相對性，圍繞著鐘佯謬問題展開了白熱化的爭論. 有一位C.G. 達爾文教授(不是那位提出進化論的達爾文)為了維護愛因斯坦的時間相對性，為鐘佯謬問題開脫，提出時間的測量必須通過發(fā)射和接收光子才能進行(參看C. G. Darwin,TheClockParadoxinRelativity,Nature, 180, 1957.). 他假設(shè)哥哥駕駛宇宙飛船飛到一個距離我們10光年的星球，然后返回地球. 每年圣誕節(jié)哥哥給地球上的弟弟發(fā)回一個光脈沖信號，弟弟每到圣誕節(jié)也給飛船上的哥哥發(fā)一個光脈沖信號. 結(jié)果是哥哥與弟弟接受到的光脈沖數(shù)不一樣多，說明2個人經(jīng)歷的時間不一樣長. 達爾文這個例子的致命漏洞在于他只畫出以弟弟為參考系的圖像，而不畫以哥哥為參考系的圖像，因此違背了運動的相對性. 達爾文的說教還有一個大問題，就是他設(shè)計的計時方法根本就不是現(xiàn)實的方法，只能是假想實驗. 而假想實驗只是邏輯推理，不是實際的測量.

為了進一步說明這種以光線的發(fā)送和接收為硬性要求的測量沒有道理，我們特別談?wù)勯L度(距離)的測量. 長度測量直接關(guān)系到時空結(jié)構(gòu). 我們測量距離最直接的方法就是與標準長度比較(這其實是長度的定義). 其次是三角測量法(triangulation). 軍事指揮官可以隔河測量敵軍目標與我軍炮口之間的距離. 古埃及天文學家測量地球的半徑，用的也是三角測量法. 這個方法也用于測量恒星與我們的距離，并因此定義了一個長度單位Parsec(pc). 如果某個恒星對于地球軌道直徑的張角為1弧秒，這個恒星離我們的距離就定義為一個pc. 三角測地法是最為可靠的距離測量法，可以測量遠達30～40 pc 的距離. 比這更遠的天文距離要依靠比較恒星的相對亮度來測量，根據(jù)的是同類恒星的絕對星等基本一樣的假定和平方反比定律. 這個方法可以將測量距離延伸到我們的整個銀河系，大約10萬pc的數(shù)量級. 超出我們銀河系的天文距離的測量，要依靠Cepheids 變星亮度變化周期與亮度變化的線性關(guān)系. 這個方法可以將測量距離延伸到約100萬pc，達于我們的銀河系團(Local Group)的邊界. 超過100萬pc的距離得依靠最亮的球狀星團作為標準光源，使觀測距離再增加一個數(shù)量級. 比這更遠的距離則要借助于整個銀河系作為標準光源. 前進每一步所用的測量方法必須由較短距離的測量方法來校準，所以，越遠的距離的測量越不準確. 至于宇宙邊際的天體距離的測量，則是依據(jù)宇宙紅移來決定，根據(jù)是哈勃經(jīng)驗定律：星體上光譜的紅移與星體的距離大致成正比.

我們不厭其煩地羅列天文距離的測量方法，是為了說明所有可行的距離測量方法都不是依靠測量光線的發(fā)送和接收之間的時間間隔來進行的. 所以，達爾文的光子收發(fā)機制并不是實際的測量方法，只不過是一種假想方法或者假想實驗而已. 不妨舉個實際數(shù)值來說明達爾文測量法之不可行. 假設(shè)我們需要測量一個離我們幾萬光年的星體的距離，依照達爾文測量法，我們從地球上發(fā)送光子到那個星球. 該星球上的合作者收到我們的光線以后，再發(fā)回一個光信號. 等我們收到信號以后，計算光線往返的時間，乘以光速，除以2，就得到該星球離我們的距離. 這里我們得解決幾個難題. 首先，誰能夠活幾萬年以完成測量？其次，誰能跑到幾萬光年以外的某個行星上去活上幾萬年以接收并發(fā)回信號？其三，光線傳到幾萬光年以外的地方，將因為平方反比發(fā)散和沿途被宇宙媒質(zhì)吸收而弱得無法被合作者接收. 技術(shù)性的問題還不止這些，但是這已經(jīng)足夠說明達爾文的光線收發(fā)機制是一個根本不現(xiàn)實的測量方法. 長度和時間的測量如此，其他物理量如質(zhì)量和能量的測量就更加和光線的收發(fā)扯不上任何關(guān)系.

不幸的是，學界許多朋友把達爾文的光線收發(fā)機制當作不證自明的必要的測量機制. 對于維護相對論的人們，這是一個常用的詭辯. 如果相對論的批判者也被達爾文誤導，承認這種光線的發(fā)送和接收是測量時空的唯一合法方法，則無意中承認了相對論維護者制定的游戲規(guī)則，因而陷入邏輯循環(huán)的迷宮. 阮教授和許多對相對論持批判態(tài)度或部分批判態(tài)度的學者一樣，顯然也接受了相對論者的游戲規(guī)則，認為“被觀測的對象的信息必須借助于一定的媒介，以一定的方式，傳遞至我們的感官或觀測儀器，方能被我們感知或觀測”，中了相對論教義維護者的圈套. 這是相對論批判中的又一個比較普遍的誤區(qū).

4 觀測相對論與愛因斯坦相對論之異同

阮教授提出了一個“廣義洛倫茲變換”和“觀測相對論”，其思路、邏輯和結(jié)構(gòu)與愛因斯坦的狹義相對論基本相同，結(jié)論也差不多. 所不同的是，“觀測相對論”中的相對論因子中的光速c被媒介的速度η所取代. 阮教授說：“在廣義洛倫茲變換中，光并非唯一可能的觀測媒介. 任意物質(zhì)運動或物質(zhì)波，如聲波、電子流、脈沖磁場、引力波，甚至，被觀測對象自身，都能成為觀測媒介. ”阮教授的“觀測相對論”出產(chǎn)了愛因斯坦相對論的幾乎全部系列產(chǎn)品. 用他自己的話說，“廣義洛倫茲變換具有與洛倫茲變換完全相同的形式；用觀測媒介(M)之速度(η)替代光速(c)，愛因斯坦SR中所有的運動學和動力學關(guān)系都能被自然而符合邏輯地推廣至觀測相對論，其中，最基本的關(guān)系式當屬速度疊加公式，質(zhì)速關(guān)系，相對性動量定義，以及最為著名的愛因斯坦質(zhì)能公式E=mc2”.

這里我們注意到的第一個問題是，既然阮教授的“觀測相對論”的速度疊加公式和愛因斯坦的一樣，也就同樣會導致光速不變，甚至更甚. 不僅光速不變，如果用別的媒介觀測，其速度疊加公式也會導致聲速不變、電子流速度不變等等. 而這，是比光速不變還要荒唐，并且很容易實驗證偽的結(jié)論. 既然“觀測相對論”也邏輯地導致光速不變，就與阮教授的主題“光速并非真地不變”直接相悖. 阮教授的“觀測相對論”中的相對性現(xiàn)象，到底是“觀測效應(yīng)”還是物理真實？您不妨以聲波為觀測媒介，作為例子，得出相應(yīng)的速度疊加公式、質(zhì)速關(guān)系、相對性動量定義，以及質(zhì)能公式E=mη2. 這里η是聲速. 您對這些結(jié)論有解釋嗎？對這些結(jié)論的證偽，應(yīng)該比對基于光速的相對論的結(jié)果證偽要容易得多.

5 關(guān)于文風的一點建議

阮教授用了許多英文字頭縮寫(acronym)，多達十幾個(ILS、POL、HOL、IOMS、GLT、OR、LT、GT、LPW、OI、STI、WPD、OPW、PPL、TD、LC等). 文章讀起來像讀密碼，非常吃力. 我引用阮教授的文章時，差不多把所有的縮寫詞都還原為中文，以方便讀者. 大量自創(chuàng)英文縮寫字似乎成了近年學界的時尚文風. 中文的表達力非常強，還是應(yīng)該盡量用中文詞語. 如果中文無法表達，也要盡量把英文單詞拼寫出來. 等到學術(shù)界普遍接受了您的理論，某些縮寫詞也就會自然流通起來. 相對論已經(jīng)行時一百年了，差不多成了主流物理學界的圣經(jīng). 許多相對論中的術(shù)語現(xiàn)在都還沒有通用的縮寫. 學術(shù)交流，最要緊的是用最有效最清晰的語言表達您的思想. 在提出新的理論的時候尤其如此.