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比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收

已有 174 次阅读2022-9-21 23:17 分享到微信

爱因斯坦相对论主要介绍了时空观,以及关于质能、电磁力、引力的观点。有很多人对相对论时空观似懂非懂,因此引发了100多年争论,产生了很多长期悬而未决的问题。

现在,我们给大家介绍一个新方法,学会这个新方法,大家可以取得如下收获:首先,面对实际宇宙,针对时空等问题,可以获得比爱因斯坦更多的认识;其次,在更大的知识背景下,看清爱因斯坦相对论是什么,搞清围绕爱因斯坦相对论发生100多年争论的原因;第三,提高学习能力和创新能力,走向更大丰收,解决更多问题。

在本文中,针对爱因斯坦相对论的四个基本点:同时的相对性、光速不变假设、动钟变慢假设、时空弯曲,我们要带领大家学习更多的知识,思考更多的问题,学会更多的方法,做到比爱因斯坦知道的更多,实现目标,一举多得。继续创新,还可以取得更多的丰收。

具体说,我们带领大家了解了光信号延迟;指出了t时刻看到光信号事件和t时刻发出光信号事件;指出物理现象包括起点事件、中间过程、终点事件;介绍了暂停态宇宙立体图像方法;指出了t时刻看到的同时事件和t时刻实际的同时事件等。

基于上述广泛深入认识,大家就可以看清:爱因斯坦在《狭义与广义相对论浅说》图书中使用“火车和雷击”案例介绍的同时的相对性,与光信号延迟存在密切关系。但是,爱因斯坦没说清光信号延迟;没说清该案例中路基观测者和火车观测者各自面对四个物理事件,总计可以研究八个物理事件的先后关系;没说清t时刻看到的同时事件和t时刻实际的同时事件,混淆了看到光信号事件和发出光信号事件。这是导致100多年争论的主要原因之一。

我们带领大家探究了使用时钟量尺测量速度值的方法,指出谈论速度值必须说清时钟、量尺、参照物、运动物体、测量方法五要素;指出光速值有两种,一是约定的光速值,二是测量的光速值;了解了特别设计的使用时钟量尺测量速度值实验,体验了测量光速值的10种情况,体验了测量不同参照系相对运动速度值的6种情况等。

基于上述广泛深入认识,大家就可以看清:爱因斯坦提出了相对运动参照系等速假设、光速不变第一假设、光速不变第二假设、光速不变第三假设等四个速度值假设,建立了假设推理的狭义相对论;爱因斯坦的相对运动参照系等速假设u1=u2=u,无条件继承了牛顿绝对时空观伽利略变换的u1=u2=u,缺乏实验证据;爱因斯坦的光速不变第一假设,符合约定的光速值和约定的电磁波速度值C=299792458/秒,有实验支持;爱因斯坦的光速不变第二假设和第三假设,一直没有直接的实验支持,没有可信的逻辑证明;基于动钟变慢假设和动尺变短假设为光速不变第二三假设所做的辩解,违反逻辑,没有实验证据;光速不变第二三假设,与球面光波的数学定义存在矛盾。这是导致有关争论延续100多年的主要原因之一。

我们带领大家了解了时钟时间值规律,量尺长度值规律,指出动钟变慢、动钟变快、静钟变慢、静钟变快等情况可以共同存在,介绍了北斗卫星的有关情况。

基于上述广泛深入认识,大家就可以看清:爱因斯坦狭义相对论只研究了动钟变慢,远离实际,存在逻辑矛盾,缺乏实验支持,曲解实验现象。这导致了100多年争论。

我们带领大家探究了开放的复杂巨系统的内部结构和对外关系问题,关于时间和空间的系统学观点,交叉学科的时空问题研究方法等。

基于上述广泛深入认识,大家就可以看清:爱因斯坦广义相对论所说的时空弯曲,更多是语言文字、名词术语、数学方程、几何图像的弯曲,缺乏原子内部结构、运动和作用等物理内容的弯曲,缺乏可观测物理现象和过程的弯曲。这是导致100多年争论的主要原因之一。

爱因斯坦相对论被称之为现代科学技术基础,涉及物理学的基础研究和应用基础研究,涉及有关的技术创新和产品创新。广大科技工作者、学术界人士、大学生、中学生,大家学习应用本文介绍的新方法,提高理解能力、思考能力、记忆能力和应用能力等四大学习能力,提高勇敢创新能力、综合集成能力、辨析判断能力和发明创造能力等四大创新能力,升级脑力,体验创新,比爱因斯坦知道更多,发现更多真相,看清争论原因,具有重要意义。

一、关于光信号延迟,比爱因斯坦知道更多内容

物理学的认识方法,包括观察、实验、数学、逻辑、推理、假设等具体方法,物理学的所有认识成果,都应该符合观察、实验、数学、逻辑、推理、假设的基本原则。

在物理学中,很多物理概念、名词术语,都描述了人眼睛观察到的现象,实验测量的事实。作为描述工具的语言文字,作为描述对象的物理事实,它们存在具体对应关系。

例如“运动”这个名词术语,描述了一切物质都具有的变化发展这种可观测性质,例如一个人从小到大的变化,一个小汽车在道路上的位置变化。“运动”这个语言文字,与人眼睛看到的具体现象,一个人的从小到老变化,小汽车在道路上的位置变化等,存在对应关系。

——时间描述可观测时间性质,时钟提供的时间值

我们能看到别人,是因为别人有很多可观测性质,例如人的身高、体型、五官、举止、声音、体温等,都是可观测性质。

一切物质都有变化过程这种可观测性质,例如人的出生、长大、衰老和死亡,可称之为可观测时间性质。

“时间”这个物理学名词,描述的就是一切物质都具有的变化过程、先后顺序等可观测时间性质。

例如一个人从家里出发,走到超市,经历了10分钟时间值,这就是过程。从家里出发,先发生,到达超市,后发生,这就是先后顺序。

为了定量描述一切物质都具有的可观测时间性质,确定时间的量值,也就是确定时间值,在以往,人们曾经选定太阳光影的移动,沙漏的漏沙过程,单摆的摆动周期,石英晶体的振动周期等过程,作为时间的量值基准。

目前物理学和计量学约定的时间量值基准是国际单位制秒:1967年国际计量大会规定,铯133原子振动9192631770次所需的时间定义为1秒。

换个说法,秒是铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁对应辐射的 9192631770个周期所持续的时间。

根据上述秒约定,人们制造了各种各样的代表物,也就是时钟。

时钟显示的时间值,一方面是根据秒约定,对自身的可观测时间性质所做的定量描述;与此同时,时钟显示的时间值,也可以用来定量描述,测量描述其他事物的可观测时间性质。因此,时钟是定量描述可观测时间性质的测量工具、观测仪器。

严格地说,不同时钟显示的秒,会略有不同,有快有慢,不同时钟是非同步时钟。对于同一种时间现象,根据不同时钟显示的时间值,进行对比性测量、对比性描述,结果是不一样的。因此,人说道具体时间值时,应该说明来自哪个时钟,或者相对哪个时钟所说。

在以往,对于物质的可观测时间性质,来自时钟的时间值,人们经常都使用时间这个名词术语一词多义地进行描述,因此造成了混淆和麻烦。建议大家在今后明确区分时间和时间值,搞清各有所指,避免混淆。

时间,指一切物质都具有的可观测时间性质;时间值,指来自时钟的时间量值。

——空间描述可观测空间性质,量尺提供长度值

一切物质都有大小、形状、体积、所处位置等可观测性质,例如人的外观、形态、体积、位置等,可称之为可观测空间性质。

“空间:这个物理学名词术语,描述一切物质都具有的大小、形状、体积、所处位置等可观测空间性质。

例如小汽车具有一定的外观、形状、内部空间、具体结构等;小汽车相对其他物体,还有相对距离,这都是可观测空间性质。

在可观测空间性质中,在直线上两点的距离,可称之为可观测长度性质。例如人头顶到脚底的距离,小汽车的车头到车库墙壁的距离等,都是可观测长度性质。可观测长度性质,是可观测空间性质的一部分内容,也被称之为一维空间。

为了定量描述一切物质都具有的可观测长度性质和可观测空间性质,在以往,人们曾经选定木杆长度、金属杆长度等,作为长度的量值基准。

目前物理学和计量学约定的空间量值基准是国际单位制米:1983年国际计量大会做出决定,光在真空中1/299792458秒内所经过路程的长度定义为1米。

换个说法,米是光在真空中299792458分之一秒的时间间隔内所经路径的长度。

根据上述米约定,人们制造了各种各样的代表物,也就是量尺。

量尺显示的长度值,一方面是根据米约定,对自身的可观测长度性质所做的定量描述;另一方面,量尺显示的长度值,还可以被用来定量描述,测量描述其他事物的可观测长度性质和可观测空间性质。因此,量尺是定量描述可观测长度性质和可观测空间性质的测量工具、观测仪器。

严格地说,不同量尺显示的米,会略有不同,有长有短,不同的量尺是非同长量尺。对于同一种空间现象,根据不同量尺显示的长度值,进行对比性测量、对比性描述,结果是不一样的。因此,说道具体长度值时,应该说明来自哪个量尺,或者相对哪个量尺测量所得。

在以往,对于物质的可观测长度性质,来自量尺的长度值,人们经常都使用“长度”这个名词术语一词多义地进行描述,因此造成了混淆和麻烦。建议大家在今后明确区分长度和长度值,搞清各有所指,避免混淆。对于空间和空间值,也应如此。

长度和空间,指一切物质都具有的可观测性质;长度值和空间值,指来自量尺的长度值和测量值。

——光信号延迟

太阳发出的光,从太阳运动到地球,需要经历8分钟时间值,走过1.5亿公里路程,这就是光信号延迟。在宇航科技、军事科技、天文观测、信息技术的实验和实践中,光信号延迟普遍存在。参见图一。比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-1

——t时刻看到光信号事件和t-t时刻发出光信号事件

举例说,观测者所用时钟显示t时刻,观测者的眼睛看到了一个来自太阳的光信号,这就是t时刻看到光信号事件。上述光信号,是观测者所用时钟显示t-8分钟时刻,由太阳发出的,这就是t-8分钟时刻发出光信号事件。

显然,t时刻看到光信号事件,t-t时刻发出光信号事件,是有关系的两件事,但是不能混为一谈。

——t时刻发出光信号事件和t+t时刻看到光信号事件

举例说,观测者所用时钟显示t时刻,太阳发出了一个光信号,这就是t时刻发出光信号事件。上述光信号,将在观测者所用时钟显示t+8分钟时刻,到达观测者的眼睛,被看到,这就是t+8分钟时刻看到光信号事件。

显然,t时刻发出光信号事件,t+t时刻看到光信号事件,是有关系的两件事,但是不能混为一谈。

——暂停态宇宙立体图像、t时刻看到的同时事件和t时刻实际的同时事件

在观看手机、电脑视频时,给播放中的视频按下暂停键,就可以得到暂停的视频平面图像。在暂停态视频平面图像中,图像中的每个具体内容都有确定的图像、形状、相对位置、相互关系等。

与上相似,针对物理学理论研究,可以做出如下假设:假设一个观测者所持时钟显示t时刻值时,给全宇宙按下“暂停键”,这就类似于给电脑、手机播放的视频图像按下暂停键。由此,运动变化的宇宙就静止不动了,宇宙中所有的事物就全都凝固不变了,这就构成了一幅t时刻暂停的宇宙立体图像,可简称为t时刻暂停态宇宙立体图像。

t时刻暂停的、静止不动、凝固不变的宇宙立体图像中,所有事物都具有确定的结构、形状、相对位置、相互关系等。所有的光信号全都停在了路上,其中有些光信号停在了发出地,有些光信号停在了传播路上,有些光信号停在了观测者眼睛前面。

具体说,在t时刻暂停态宇宙立体图像中,人说话,五官表情,身体活动的情况,在t时刻暂停的一瞬间,凝固成雕塑,静止不变了;枪打出的子弹,在t时刻暂停态宇宙立体图像中,停在了枪口处;天上飞行的卫星、飞机、导弹,地面上奔驰的汽车、火车、轮船,在t时刻暂停的一瞬间,全都静止在原地了;地球上所有的事物,全都在t时刻暂停的一瞬间,立刻凝固,立刻静止,成为不变的立体图像了;太阳在t时刻暂停的一瞬间,停止了运动变化,太阳发出的光线,全都停在路上,静止凝固,停止运动变化了;宇宙的万事万物,全都在t时刻暂停的一瞬间,静止不动,凝固不变了……

t时刻暂停态宇宙立体图像中,对于手持时钟、处在特定位置的观测者而言,在t时刻暂停态宇宙立体图像中,有大量无先后、同时到达观测者眼睛前面的光信号,停在观测者眼前。在这种情况中,基于t时刻同时到达眼睛的光信号,观测者的眼睛可以看到许多事件共同存在的情况,对此,可以简称为t时刻看到的同时事件

t时刻暂停态宇宙立体图像中,一瞬间静止凝固住的所有事物,都是“无先后、同时刻”发生的事件。对这种t时刻暂停态宇宙立体图像中,共同存在的万事万物,可以简称为t时刻实际的同时事件t时刻实际的同时事件,都发出了光信号,这样的光信号会经过不同距离和时间,有先有后地到达观测者的眼睛,有先有后地被看到。

——爱因斯坦同时的相对性与光信号延迟

爱因斯坦在1916年写了一本《狭义与广义相对论浅说》,在该书里,爱因斯坦使用“火车和雷击”案例,解释了他的同时的相对性观点。原文如下:

如图二所示,假设有一列很长的火车,以恒速 v 沿着如图标明的方向在轨道上行驶。在这列火车上旅行的人们可以很方便地把火车当作刚性参考物体(坐标系);他们参照火车来观察一切事件。因而,在铁路线上发生的每一个事件也在火车上某一特定地点发生。而且完全和相对路基所作的同时性定义一样,我们也能相对火车作出同时性的定义。但是,作为一个自然的推论,下述问题就自然产生:

对于铁路路基来说同时的两个事件(例如AB两处雷击),对于火车来说是否也是同时的呢?我们将直接证明,回答必然是否定的。

当我们说AB两处雷击相对于路基而言是同时的,我们的意思是:在发生闪电的A处和B处所发出的光,在路基AB这段距离的中点m相遇。但是事件AB也对应于火车上的A点和B点。令M为在行驶中的火车上AB这段距离的中点。正当雷电闪光发生的时候(从路基上判断),点M自然与点m重合,但是点M以火车的速度v向图中的右方移动。如果坐在火车上M处的一个观测者并不具有这个速度,那么他就总是停留在m点,雷电闪光AB所发出的光就同时到达他这里,也就是说正好在他所在的地方相遇。可是实际上(相对于铁路路基来考虑)这个观测者正在朝着来自B的光线急速前进,同时他又在来自A的光线前方向前行进。因此这个观测者将先看见自B发出的光线,后看见自A发出的光线。所以,把列车当作参考物体的观测者就必然得出这样的结论,即雷电闪光B先于雷电闪光A发生。这样我们就得出以下的重要结果:对于路基是同时的若干事件,对于火车并不是同时的,反之亦然(同时的相对性)。每一个参考物体(坐标系)都有他本身的特殊的时间;除非我们讲出关于时间的陈述是相对于哪一个参考物体的,否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义。(以上内容为爱因斯坦《狭义与广义相对论浅说》原文)

爱因斯坦所说的同时的相对性,与光信号延迟,发出光信号事件,看到光信号事件等,存在有密切关系。

——对一个物理现象,要区分起点事件、中间过程和终点事件

假设有一个观测者,手持时钟和量尺,在一个直角坐标系oxyz的原点o处静止。另设距离观测者的眼睛一定距离处,有一个物体向观测者发出了光信号。

对于物体“发出光信号”这个物理事件,观测者可以使用时钟量尺进行测量和计算,获得时间值和坐标值(t1x1y1z1),对这个物理事件的时间特征和位置特征给出描述。

然后,经历一定的运动时间值△t和飞行距离值△s后,上述光信号运动到观测者的眼睛,被看见了。对于“看到光信号”这个物理事件,观测者可以使用时钟量尺测量和计算,得到的时间值和坐标值(t1+t000),对“看到光信号”这个物理事件给出描述。

在“发出光信号”这个物理事件和“看到光信号”这个物理事件之间,存在中间过程,是光信号传播过程。对于中间过程的任意物理事件,观测者可以使用时钟量尺测量和计算,得到的时间值和坐标值(txyz),并进行描述。

可以说,一个物体发出光信号,经历传播过程,光信号传播到观测者的眼睛被看见,这是一个物理现象。这个物理现象包括:起点物理事件,也就是发出光信号事件,其时间值和坐标值为(t1x1y1z1);作为中间过程的一系列物理事件,其时间值和坐标值为(txyz);终点物理事件,也就是看到光信号事件,其时间值和坐标值为(t2x2y2z2)。

——对爱因斯坦“火车和雷击”案例做出详细准确的描述

在爱因斯坦所举的“火车和雷击”案例中,因为存在光信号延迟,所以,路基上的观测者和火车上的观测者,都应该明确区分“发出光信号事件”和“看到光信号事件”,并给出严格准确的描述。

在路基上建立一个直角坐标系oxyz,在该坐标系原点o设置一个持时钟和量尺的观测者,该观测者所持时钟显示的时间值使用小写字母t来表示,该观测者使用量尺测到的坐标值使用小写字母xyz来表示,这也就是路基上m处的观测者。参见图三。比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-2

在火车上也建立一个直角坐标系OXYZ,在该坐标系原点O设置一个持时钟和量尺的观测者,该观测者所持时钟显示的时间值使用大写字母T来表示,该观测者使用量尺测到的坐标值使用大写字母XYZ来表示,这也就是火车上M处的观测者。参见图三。

对于爱因斯坦所说的“火车和雷击”案例,路基观测者和火车观测者应该给出如下全面准确的描述:

根据爱因斯坦讨论“火车和雷击”案例的条件,设当“雷击路基A处”和“雷击路基B处”无先后发生的一瞬间,给宇宙按下暂停键,那么在暂停态宇宙立体图像中,路基观测者所持时钟显示着时间值t1,火车观测者所持时钟显示的时间值是T1;参见图四。

此刻,“雷击路基A处”事件已经发生,“雷击路基A处”的光信号也已经产生,但是却尚未离开A处,就像枪打出的子弹还在枪口处;此刻,“雷击路基B处”事件也已经发生,“雷击路基B处”的光信号也已经产生,但是也尚未离开B处,就像枪打出的子弹还在枪口处。

对于“雷击路基A处”并发出光信号这个事件,路基上m处的观测者可以使用自己的时钟量尺进行测量和计算,获得时间值和坐标值(t1x1y1z1),并进行描述;对于“雷击路基B处”并发出光信号这个事件,路基上m处的观测者可以使用自己的时钟量尺进行测量和计算,获得时间值和坐标值(t1x2y2z2),并给出描述。在这里,有两个发出光信号事件。参见图四。

对于“雷击路基A处”并发出光信号这个事件,火车上M处的观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,获得时间值和坐标值(T1X1Y1Z1),并给出描述;对于“雷击路基B处”并发出光信号这个事件,火车上M处的观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,获得时间值和坐标值(T1X2Y2Z2),并进行描述。在这里,有两个发出光信号事件。参见图四。

然后,暂停取消,运动继续。根据爱因斯坦讨论“火车和雷击”案例的条件,在“雷击路基B处”的光信号向火车后方传播,与火车观测者相遇被看见的一瞬间,给宇宙按下暂停键,那么在暂停态宇宙立体图像中,火车观测者所持时钟显示的时间值是T2。参见图四。

对于“雷击路基B处”发出的光信号被看到这个事件,火车上M处的观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,得到时间值和坐标值(T2000),并给出描述。在这里,有一个看到光信号事件。参见图四。

暂停取消,运动继续。根据爱因斯坦讨论“火车和雷击”案例的条件,在“雷击路基A处”的光信号,“雷击路基B处”的光信号,无先后到达路基观测者的一瞬间,给宇宙按下暂停键,那么在暂停态宇宙立体图像中,路基观测者所持时钟显示的时间值是t2。参见图四。

对于“雷击路基A处”发出的光信号被看到这个事件,路基上m处观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,得到时间值和坐标值(t2000),并给出描述;对于“雷击路基B处”发出的光信号被看到这个事件,路基上m处观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,到时间值和坐标值(t2000),并进行描述。在这里,有两个看到光信号事件。参见图四。

暂停取消,运动继续。根据爱因斯坦讨论“火车和雷击”案例的条件,在“雷击路基A处”的光信号向火车前方传播,追上火车观测者的一瞬间,给宇宙按下暂停键,那么在暂停的宇宙立体图像中,火车观测者所持时钟显示的时间值是T3。参见图四。

对于“雷击路基A处”发出的光信号被看到这个事件,火车上M处的观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,得到时间值和坐标值(T3000),并给出描述。在这里,有一个看到光信号事件。参见图四。

基于上述情况可以说,在“火车和雷击”案例中,相对路基观测者的时钟时间值说:“雷击路基A处”并发出光信号,“雷击路基B处”并发出光信号,这两个发出光信号事件,无先后、同时发生于t1时间值。“雷击路基A处”的光信号到达路基观测者,“雷击路基B处”的光信号到达路基观测者,这两个看到光信号事件,无先后、同时发生于t2时间值。参见图四。

对于路基观测者来说,有两个同时的“发出光信号”事件,有两个同时的“看到光信号”事件,共计有四个物理事件。

相对于火车观测者的时钟时间值说:“雷击路基A处”并发出光信号,“雷击路基B处”并发出光信号,这两个发出光信号事件,无先后、同时发生于T1时间值。“雷击路基B处”的光信号到达火车观测者,“雷击路基A处”的光信号到达火车观测者,这两个看到光信号事件,非同时,有先有后地发生于T2T3时间值。参见图四。

对于火车观测者来说,有两个同时的“发出光信号”事件,有两个不同时的“看到光信号”事件,共计有四个物理事件。

——爱因斯坦同时的相对性导致争论的原因

通过“火车和雷击”案例可以看到,爱因斯坦的同时的相对性,与光信号延迟存在密切关系。但是,爱因斯坦没说清光信号延迟;没说清物理现象包括起点事件、中间过程、终点事件;没说清发出光信号事件是一回事,看到光信号事件是另一回事;没说清火车观测者面对两个同时的发出光信号事件,以及两个不同时的看到光信号事件,总计面对四个事件;没说清路基观测者也是面对两个同时的发出光信号事件,以及两个同时的看到光信号事件,总计面对四个事件;没说清两个观测者总计面对八个事件,混淆了发出光信号、看到光信号;使用看到光信号的先后,代表了发出光信号的先后,当成了物理事件发生的先后,把因果混为一谈。这就是爱因斯坦狭义相对论同时的相对性被争论100多年的主要原因之一。

实际上,在狭义相对论中,爱因斯坦给出了两种同时的相对性假设:一是在上述“火车和雷击”事例中所说的同时的相对性;二是爱因斯坦根据洛仑兹变换推理出的数学公式形式的同时的相对性。这两种同时的相对性,都是假设,物理意义却大不相同,并非一回事。

二、关于使用时钟量尺测量速度值,比爱因斯坦知道更多内容

——使用时钟量尺测量速度值

在物理学中,速度这个物理学名词概念,主要指一切物体都具有的相对运动的快慢这种可观测性质。

速度值,特指速度的量值,相对特定参照物,使用一定量尺测量出运动物体一定量位移值Δs,再使用一定时钟测量出相应的时间值Δt,进行计算,就可以获得的位移值和时间值的比率v=Δs/Δtv就是速度值。

一般情况下,特定物体相对特定参照物的速度值,必须使用具体时钟和量尺,通过具体测量和计算获得。对于同一物体相对同一参照物的运动,使用不同的时钟和量尺组合进行测量和计算,获得的速度值可能会有所不同。因为不同的时钟显示的时间值,可能略有差别,快慢不一,这就是所谓的非同步时钟;不同的量尺显示的长度值,可能略有差别,有长有短,这就是所谓的非同长量尺。

具体说,假设有两个时钟,A时钟和B时钟,相对静止或运动,A时钟的1秒时间长度,与B时钟的2秒时间长度等长。在此情况下,A时钟的1秒时间长度,与B时钟的1秒时间长度,就不是相等的时间。因此有,1秒(A时钟)≠1秒(B时钟)。

再假设有两个量尺,A量尺和B量尺,相对静止或运动,A量尺显示的1米长度,与B量尺显示的0.5米长度等长。在此情况下,A量尺的1米长度,与B量尺的1米长度,就不是相等的长度。因此有,1米(A量尺)≠1米(B量尺)。

在上述情况下,使用A时钟和A量尺组合测量速度值,例如测量确定一个人在客厅里走路的速度值是1/秒,那么,使用B时钟和B量尺组合测量这个人在客厅里走路的速度值,就是0.25/秒。

设甲观测者使用A时钟和A量尺组合,乙观测者使用B时钟和B量尺组合,且甲乙观测者相对做匀速直线运动。在上述情况下,若甲观测者使用A时钟和A量尺组合测到乙观测者相对甲的速度值是1/秒,那么乙观测者使用B时钟和B量尺组合会测到甲观测者相对乙的速度值是0.25/秒。

人们谈论物理量速度的量值时,应该说明五要素:一是运动物体,二是参照物,三是所用时钟,四是所用量尺,五是测量和计算方法。说明速度值五要素,谈论速度值,就可以避免随意说说和矛盾争论。否则,就可能导致有关的争论和矛盾。

——除了约定的情况,一般情况下的光速值应该使用时钟量尺测量确定

在物理学和计量学中,根据国际单位制米约定,在提供基准米的装置中,特定光在真空中1/299792458秒时间值里行进的路程,被约定为一米。这就等于约定,在提供基准米的装置中,特定光相对装置本身,也就是相对静止在装置中的光源,特定光运动速度值v=Δs/Δt=1/1/299792458)秒=299792458/秒。

对于上述特定情况下约定的光速值,可使用大写字母C表示为C=299792458/秒。这样约定的光速值,相当于使用特定时钟和特定量尺测量确定了特定光相对特定参照物的速度值,这相当于实验结果。

在物理学的电磁学中,人们约定真空中的介电常数和磁导率时,也约定在特定的条件下,特定的电磁波,相对电磁波源的速度值为C=299792458/秒。这就是人们可以从电磁学的麦克斯韦方程中推导出电磁波速度值是C=299792458/秒的原因。这样约定的电磁波速度值,也相当于使用特定时钟和特定量尺测量确定了特定电磁波相对特定参照物的速度值,这也相当于实验结果。

但是,上述两种速度值C=299792458/秒,都是特定条件下的约定,是针对特定光、特定电磁波、特定参照物、特定时钟、特定量尺、特定测量方法,所做的有限约定。不是针对所有光、所有电磁波、所有参照物、所有时钟、所有量尺、所有测量方法,所做的无限约定。所以,这样约定的两种速度值C=299792458/秒,不具有无限推广的实验依据和理论依据,若无条件地推广到所有的情况,必然是缺乏时钟量尺测量实验的支持。

在实际情况中,即使同一光相对同一参照物,使用不同的时钟和量尺组合进行测量和计算,确定的光速值也可以有所不同。因为不同时钟可能是不同步时钟,快慢不一,不同量尺可能是不同长量尺,有长有短。

这也就是说,除了在约定光速值和约定电磁波速度值的两种特殊情况,可以无条件认定C=299792458/秒之外,在其他情况中,任意光相对任意参照物的速度值,任意电磁波相对任意参照物的速度值,都应该使用具体的时钟和量尺组合,通过具体测量和计算来确定。而不能把特定条件下约定的速度值C=299792458/秒无条件地推广应用,想当然地认为任意情况下的光速值电磁波速值,都是C=299792458/秒。更不能把假设的光速值当做实验测量结果来说事,否则,就会制造矛盾,导致有关争论。

——先确定两个时钟时间值关系两个量尺长度值关系,再比较测量结果

在宇航科技、军事科技、天文观测、信息技术的具体实践中,时钟是重要的计时工具、测时工具。

例如北斗卫星系统使用的原子钟,就是具有基准系统、动力系统、连接系统、显示系统的时间机器。北斗卫星系统天上30多颗卫星携带的原子钟显示的时间值,走快或走慢的影响因素,主要包括内因和外因两部分。

内因包括:原子钟自身原子频标的稳定性,时间偏差、频率偏差、频率漂移、工作电压稳定性、元件老化影响等,这是导致原子钟走快或走慢的内部因素;

外因包括:原子钟工作环境中的温度、湿度、压强、振动、辐射、磁力、电力、引力等因素的作用等,这是导致原子钟走快或走慢的外部因素。

上述内因和外因可以影响原子钟走快或走慢,这是原子钟作为动力学系统遵守能量守恒定律所决定的必然结果。现代科技的量尺,也是类似的情况。

严格地说,在实际情况中,没有完全一样的两个时钟,所以,任意的两个时钟,总会是一快一慢,无论它们是相对静止还是相对运动。也没有完全一样的两个量尺,所以,任意的两个量尺,总会是一长一短,无论它们是相对静止还是相对运动。因此,说两个时钟显示的时间值相等,是同步时钟,说两个量尺显示的长度值相等,是同长量尺,都是有条件的。

两个观测者各自携带时钟和量尺,测量和计算同一物体的运动速度值时,必须先搞清两个时钟的时间值关系,以及两个量尺的长度值关系,然后再比较。否则缺乏比较意义。

——时钟时间值规律

一般地说,现代科技制造的时钟,由基准系统、动力系统、传动系统和显时系统等子系统联合构成,是开放复杂动力学系统,时钟显示的时间值,是动力学系统运动的一部分内容。时钟的系统运动和所显示的时间值,跟系统内部的结构、运动和作用,跟系统所受的电磁力、引力、温度、湿度、压强、辐射等外界作用,均有密切关系。参见图五。比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-3

研究表明,在惯性系理想条件下,内部结构相同,均不受外力作用,相对静止或相对匀速直线运动的两个时钟,以穿过两时钟连线中点且垂直连线的平面为对称面,具有镜面对称关系,这样的两时钟是同步时钟,所显示的时间值一直相等。如上所述两个同步时钟受到不同外界作用时,两个同步时钟就会变成不同步时钟,所显示的时间值变成快慢不同,动钟变慢或动钟变快都可以发生。对上述内容,可称之为时钟时间值规律。

应该指出,在实际中,对于任意的两个时钟,把它们各自显示的1秒时间值进行比较,确定是否等长,并非易事。这涉及两个时钟的工作原理,对它们所显示的1秒时间值的开始和结束进行确定,相互进行比较,使用仪器记录,使用眼睛观察和判断,确定实验误差等。所以,严格地讲,任意的两个时钟,它们各自显示的1秒时间值,是否等长,是无法绝对准确地确定的。

——量尺长度值规律

与时钟时间值规律相似,目前人们使用的,作为现代科技产品的量尺,也是开放复杂动力学系统,量尺显示的长度值,也是动力学系统运动的一部分内容。

研究表明,在惯性系理想条件下,内部结构相同,均不受外力作用,相对静止或匀速直线运动的两个量尺,以穿过两量尺连线中点且垂直连线的平面为对称面,具有镜面对称关系,这样的两量尺是同长量尺,所显示的长度值一直相等。如上所述两个同长量尺受到不同外界作用时,两个同长量尺就会变成不同长量尺,所显示的长度值变成长短不同,动尺变短和动尺变长可以同时存在。对上述内容,可称之为量尺长度值规律。

应该指出,在实际中,类似于两个时钟的时间值关系,任意的两个量尺,它们各自显示的1米长度值,是否等长,是无法绝对准确地确定的。

使用时钟时间值规律和量尺长度值规律,可以判断和确定相对静止或运动的两时钟时间值关系,判断和确定相对静止或运动的两量尺长度值关系,这样的判断和确定,拥有大量的实验证据,可以得到广泛的实验支持。

——设计测量速度值实验,测量多种光速值和速度值

为了说明问题,我们特别设计了一个使用时钟量尺测量光速值和测量相对运动速度值的实验,简称为测量速度值实验。

如图六所示,设在地球表面有一个静止的直角坐标系oxyz,在该系原点o有一个手持时钟和量尺的观测者甲,直角坐标系oxyzx轴正方向指向月球。对直角坐标系oxyz和观测者甲,可简称为甲参照系,或甲系。也可称之为地面参照系。比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-4

另设有一个直角坐标系OXYZ,该系原点O处有一个手持时钟和量尺的观测者乙。OXYZ坐标系和oxyz坐标系的xX轴重合,yY轴平行,zZ轴也平行,而且OXYZ坐标系以u速度值沿xX轴正方向匀速运动,也就是向月球匀速直线运动。对于直角坐标系OXYZ和乙观测者,可简称为乙参照系,或乙系。

另设还有一个直角坐标系oxyz′,该系原点o′处有一个手持时钟和量尺的观测者丙。oxyz′坐标系和oxyz坐标系的xx′轴重合,yy′轴平行,zz′轴也平行,而且oxyz′坐标系以u速度值沿xx′轴负方向匀速运动,也就是向远离月球方向匀速直线运动。′对于直角坐标系oxyz′和丙观测者,可简称为丙参照系,或丙系。

在这里,对地球、月球、坐标系、甲乙丙观测者、时钟、量尺等,把他们都简化成了物理学的无形状无大小质点,这是物理学在理想情况下研究问题的方法。

在上述情况下,假设甲系、乙系、丙系的原点oOo′重合,甲系、乙系、丙系的时钟时间值t=T=t=0时刻,静止在甲系原点o处的一个点光源,发出了一个球面光波。

在甲系的时钟从t=0秒增加到t=1秒时间值,经历△t=1秒时间值,也就是显示t=1秒时刻值时,给宇宙按下了暂停键,类似给播放视频的手机或电脑按下暂停键,这是一种在理论上研究问题的科学方法。

在手机、电脑的暂停态图像中,每个物体都有确定的形状、位置、相互关系、视觉内容等。同理,在t=1秒时刻的暂停态宇宙立体图像中,每个物体都有确定的结构、形状、相对位置、相互关系等。

针对上述t=1秒时刻的暂停态宇宙立体图像,甲乙丙观测者都可以使用自己的时钟量尺测量和计算球面光波相对甲乙丙系的运动,甲系乙系丙系之间的相对运动,获得具体量值。对于上述测量速度值实验,可以进行电脑模拟实验,也可以进行有关的实际实验。

1、甲观测者使用自己的时钟量尺通过测量和计算可以得到如下内容:甲系时钟经历△t=1秒,显示t=1秒时刻值时,在点光源发出的球面光波上,与x轴正方向相交且向x轴正方向运动,也就是向月球运动的光子(在图上向右),距离甲系原点o的距离值为△s1=299792458米;在x轴上向月球飞行的光子相对甲系的光速值为v1=s1/t=299792458/秒。

在点光源发出的球面光波上,与x轴负方向相交且向x轴负方向运动,也就是远离月球方向运动的光子(在图上向左),距离甲系原点o的距离值也是△s1=299792458米;在x轴上向远离月球方向飞行的光子相对甲系的光速值也是v1=s1/t=299792458/秒。

在甲系,点光源发出的球面光波始终以甲系原点o为球心,以v1=299792458/秒光速值膨胀为球面光波,球面光波的数学方程可写成 x2+y2+z2 = C2t2

对于上述情况,乙观测者也可以使用自己的时钟量尺进行测量和计算,并获得如下数据:相应于甲系的时钟经历△t=1秒,显示t=1秒时刻值,乙系时钟经历了△T秒,显示着T秒时刻值;此时刻,向月球飞行的光子与甲系原点o的距离值为△S1,向月球飞行的光子相对甲系的光速值为V1=S1/T;向远离月球方向飞行的光子与甲系原点o的距离值也是△S1,向远离月球方向飞行的光子相对甲系的光速值也是V1=S1/T

在这里,△T、△S1V1的具体数值,乙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来是多少,就是多少,应该由乙观测者使用的时钟量尺和测量计算来决定。如果给出假设值,乙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算出来的结果,是判定假设值是否符合实际的依据,而不能是相反,不能根据假设值来否定观测值。甲系观测者的测量值,乙系观测者测量值,二者的关系,应由甲系乙系的时钟时间值关系、量尺长度值关系等来决定,而不能由假设来决定。

对于上述情况,丙观测者也可以使用自己的时钟量尺进行测量和计算,并获得如下数据:相应于甲系的时钟经历△t=1秒,显示t=1秒时刻值,丙系时钟经历了△t′秒,显示着t′秒时刻值;此时刻,向月球飞行的光子与甲系原点o的距离值为△s1′,向月球飞行的光子相对甲系的光速值为v1=s1/t′。向远离月球方向飞行的光子与甲系原点o的距离值也是△s1′,向远离月球方向飞行的光子相对甲系的光速值也是v1=s1/t′。

在这里,△t′、△s1′、v1′的具体量值,丙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来是多少,就是多少,应该由丙观测者使用的时钟量尺和测量计算来决定。如果给出假设值,丙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算出的结果,是判定假设值是否符合实际的依据,而不能相反,不能根据假设值来否定观测值。甲系观测者的测量值,丙系观测者测量值,二者的关系,应由甲系丙系的时钟时间值关系、量尺长度值关系等来决定,而不能由假设来决定。

2、甲观测者使用自己的时钟量尺通过测量和计算还可以得到如下内容:在甲系时钟显示t=0秒时刻值时,球面光波上与x轴正方向相交且向月球飞行的光子,与乙观测者都向月球运动,二者具有共同的出发点,就像百米赛跑运动运具有共同起跑线。然后,在向着月球方向,光子在前面飞行,乙观测者在后面追行,就像追光者,这就是一种“追光实验景象”。

在甲系时钟经历△t=1秒,显示t=1秒时刻值时,乙观测者距离甲系原点o的距离值为△s2=299792457.5米,乙观测者相对甲系的运动速度值为v2=s2/t=299792457.5/秒。上述情况,是我们针对测量速度值实验所做的特别设计,有助于说明问题。

在甲系时钟显示t=0秒时刻值时,球面光波上与x轴负方向相交且向远离月球方向飞行的光子,与丙观测者都向远离月球方向运动,二者具有共同的出发点,就像百米赛跑运动运具有共同的起跑线。然后,在远离月球方向上,光子在前面飞行,丙观测者在后面追行,就像追光者,这也是一种“追光实验景象”。

在甲系时钟经历△t=1秒,显示t=1秒时刻值时,丙观测者距离甲系原点o的距离值是△s2=299792457.5米,丙观测者相对甲系的运动速度值是v2=s2/t=299792457.5/秒。

针对上述情况,乙观测者也可以使用自己的时钟量尺通过测量和计算获得如下量值:乙系时钟经历了△T秒,显示T秒时刻值时,甲观测者相对乙系原点O的距离值为△S2,甲观测者相对乙系的运动速度值为V2=S2/T

在此,△T、△S2V2的数值,乙观测者使用时钟量尺测量计算出来是多少,就是多少,应该由乙观测者使用时钟量尺进行的测量和计算来决定。如果给出假设值,乙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算出来的结果,是判定假设值是否符合实际的依据,而不能相反。

特别强调,乙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的V2=S2/T,与甲观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的v2=299792457.5/秒是否相等,应该由甲系乙系的时钟时间值关系、量尺长度值关系等来决定,而不能由假设来决定。

针对上述情况,丙观测者可以使用自己的时钟量尺通过测量和计算获得如下数据:丙系时钟经历了△t′秒,显示t′秒时刻值时,甲观测者相对丙系原点o′的距离值为△s2′,甲观测者相对丙系的运动速度值为v2=s2/t′。

在此,△t′、△s2′、v2′的数值,丙观测者使用时钟量尺测量计算出来是多少,就是多少,应由丙观测者使用时钟量尺进行的测量和计算来决定。如果给出假设值,丙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算出来的结果,是判定假设值是否符合实际的依据,而不能相反。

特别强调,丙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的v2=s2/t′,与甲观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的v2=299792457.5/秒是否相等,应该由甲系丙系的时钟时间值关系、量尺长度值关系等来决定,而不能由假设来决定。

3、甲观测者使用自己的时钟量尺通过测量和计算还可以得到如下量值:在甲系的时钟经历△t=1秒,显示t=1秒时刻值时,球面光波上与x轴正方向相交且向月球飞行的光子,与乙观测者的距离值为△s3=s1-s2=299792458-299792457.5=0.5米。向月球飞行的光子相对乙观测者的运动速度值为v3=s3/t=0.5/秒。请注意,这个v3=0.5/秒,是甲观测者使用自己的时钟量尺测量并计算获得的“向月球飞行的光子与乙观测者的相对运动速度值” 。上述情况,是我们针对测量速度值实验所做的特别设计,有助于说明问题。

甲观测者使用自己的时钟量尺通过测量和计算还可以得到如下量值:在甲系的时钟经历△t=1秒,显示t=1秒时刻值时,球面光波上与x轴负方向相交且向远离月球方向飞行的光子,与乙观测者的距离值为△s4=s1+s2=299792458+299792457.5=599584915.5米。向远离月球方向飞行的光子相对乙观测者的运动速度值为v4=s4/t=599584915.5/秒。请注意,这个v4=599584915.5/秒,是甲观测者使用自己的时钟量尺测量并计算获得的“向远离月球方向飞行的光子与乙观测者的相对运动速度值”。上述情况,是我们针对测量速度值实验所做的特别设计,有助于说明问题

针对上述情况,乙观测者也可以使用自己的时钟量尺通过测量和计算获得如下量值:乙系时钟经历了△T秒,显示T秒时刻值时,乙观测者可以使用自己的时钟量尺通过测量和计算获得“向月球飞行的光子相对乙系原点O的距离值为△S3”,“向月球飞行的光子相对乙系的速度值为V3=S3/T”。

在这里,△T、△S3V3的数值,乙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来是多少,就是多少,应该由乙观测者使用时钟量尺进行的测量合计算来决定。如果给出假设值,乙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算出来的结果,是判定假设值是否符合实际的依据,而不能相反。

特别强调,乙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的V3=S3/T,与甲观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的v3=0.5/秒是否相等,应该由甲系乙系的时钟时间值关系、量尺长度值关系等来决定,而不能由假设来决定。

乙系时钟经历了△T秒,显示T秒时刻值时,乙观测者还可以使用自己的时钟量尺通过测量和计算获得“向远离月球方向飞行的光子相对乙系原点O的距离值为△S4”,“向远离月球方向飞行的光子相对乙系的速度值为V4=S4/T”。

在这里,△T、△S4V4的数值,乙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来是多少,就是多少,应该由乙观测者使用时钟量尺进行的测量合计算来决定。如果给出假设值,乙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算出来的结果,是判定假设值是否符合实际的依据,而不能相反。

特别强调,乙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的V4=S4/T,与甲观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的v4=599584915.5/秒是否相等,应该由甲系乙系的时钟时间值关系、量尺长度值关系等来决定,而不能由假设来决定。

4、甲观测者使用自己的时钟量尺通过测量和计算还可以得到如下量值:在甲系的时钟经历△t=1秒,显示t=1秒时刻值时,球面光波上与x轴负方向相交且向远离月球方向飞行的光子,与丙观测者的距离值是△s3=s1-s2=299792458-299792457.5=0.5米。向远离月球方向飞行的光子相对丙观测者的运动速度值是v3=s3/t=0.5/秒。请注意,这个v3=0.5/秒,是甲观测者使用自己的时钟量尺测量并计算获得的“向远离月球方向飞行的光子与丙观测者的相对运动速度值”。

甲观测者使用自己的时钟量尺通过测量和计算还可以得到如下量值:在甲系的时钟经历△t=1秒,显示t=1秒时刻值时,球面光波上与x轴正方向相交且向月球飞行的光子,与丙观测者的距离值是△s4=s1+s2=299792458+299792457.5=599584915.5米。向月球飞行的光子相对丙观测者的运动速度值是v4=s4/t=599584915.5/秒。请注意,这个v4=599584915.5/秒,是甲观测者使用自己的时钟量尺测量并计算获得的“向月球飞行的光子与丙观测者的相对运动速度值”。

针对上述情况,丙观测者也可以使用自己的时钟量尺通过测量和计算获得如下数据:丙系时钟经历了△t′秒,显示t′秒时刻值时,丙观测者可以使用自己的时钟量尺通过测量和计算获得“向远离月球方向飞行的光子相对丙系原点o′的距离值为△s3′”,“向远离月球方向飞行的光子相对丙系的速度值为v3=s3/t′”。

在这里,△t′、△s3′、v3′的数值,丙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来是多少,就是多少,应该由丙观测者使用时钟量尺进行的测量合计算来决定。如果给出假设值,丙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算出来的结果,是判定假设值是否符合实际的依据,而不能相反。

特别强调,丙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的v3=s3/t′,与甲观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的v3=0.5/秒是否相等,应该由甲系丙系的时钟时间值关系、量尺长度值关系等来决定,而不能由假设来决定。

丙系时钟经历了△t′秒,显示t′秒时刻值时,丙观测者可以使用自己的时钟量尺通过测量和计算获得“向月球飞行的光子相对丙系原点o′的距离值为△s4′”,“向月球飞行的光子相对丙系的速度值为v4=s4/t′”。

在这里,△t′、△s4′、v4′的数值,丙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来是多少,就是多少,应该由丙观测者使用的时钟量尺和测量计算来决定。如果给出假设值,丙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算出来的结果,是判定假设值是否符合实际的依据,而不能相反。

特别强调,丙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的v4=s4/t′,与甲观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的v4=599584915.5/秒是否相等,应该由甲系丙系的时钟时间值关系、量尺长度值关系等来决定,而不能由假设来决定。

——“秒飞地球七周半”速度值与“一秒没飞一臂长”速度值共同存在

在上面介绍的测量速度值实验中,甲观测者使用自己的时钟量尺进行测量和计算获得的具体数据,与宇航科技、军事科技、天文观测、信息技术的具体实践高度相符,是进行有关实践的决策依据和行动依据。

应该说明,甲观测者使用自己的时钟和量尺进行测量和计算所确定的如下距离值:向x轴正、负方向飞行的光子与甲系原点o的距离值△s1=299792458米,乙观测者、丙观测者与甲系原点o的距离值△s2=299792457.5米,都相当于绕地球赤道飞行7.5圈所走过的路程。

一般民航客机的速度值是800公里/小时,约为222.22/秒,绕地球赤道飞行7.5圈大约需要飞行374.74小时,大约是15.6天。

所以,向x轴正、负方向飞行的光子相对甲系的速度值v1=299792458/秒,乙、丙观测者相对甲系的运动速度值v2=299792457.5/秒,都是“秒飞地球七周半”的巨大速度值。

成年人手臂的长度,从肩膀到中指尖的距离大约是0.7米。甲观测者使用自己的时钟和量尺测量确定的“向月球飞行光子与乙观测者的距离值△s3=0.5米”,“向远离月球方向飞行的光子与丙观测者的距离值△s3=0.5米”,都没超过一条手臂的长度。

所以,甲观测者使用自己的时钟和量尺测量确定的“向月球飞行的光子与乙观测者的相对运动速度值v3=0.5/秒”,“向远离月球方向飞行的光子与丙观测者的相对运动速度值v3=0.5/秒”,都是“一秒没飞一臂长”的极小速度值。

同理,向远离月球方向飞行的光子相对乙系的速度值v4=599584915.5/秒,向月球飞行的光子相对丙系的速度值v4=599584915.5/秒,都是“秒飞地球十五周”的巨大速度值。

——爱因斯坦提出四个速度值假设,建立了假设推理的狭义相对论

针对上述测量速度值实验的情况,以及类似的情况,爱因斯坦建立了假设推理的狭义相对论。参见图七(图中仅画出了甲系、乙系的有关情况,丙系情况可参照乙系情况推理获得):

假设甲系、乙系、丙系的原点oOo′重合,三个参照系的时钟时间值t=T=t=0时刻,静止在甲系原点o的一个点光源,发出了一个球面光波。在此情况下,爱因斯坦提出了四个速度值假设:比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-5

1、爱因斯坦“相对运动参照系等速假设”:乙观测者相对甲系的速度值是u1=299792457.5/秒,若甲观测者使用自己的时钟量尺进行测量和计算,具体数值也是这么多;甲观测者相对乙系的速度值是u2=299792457.5/秒,若乙观测者使用自己的时钟量尺进行测量和计算,具体数值也是这么多。因此有u1=u2=u=299792457.5/秒。

丙观测者相对甲系的速度值是u1=299792457.5/秒,甲观测者使用自己的时钟量尺测量和计算,具体数值就这样;甲观测者相对丙系的速度值是u2=299792457.5/秒,丙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算,具体数值也如此。因此有u1=u2=u=299792457.5/秒。

2、爱因斯坦光速不变第一假设:在甲系,点光源发出的球面光波始终以甲系原点o为球心,以C=299792458/秒速度值膨胀为球面光波,球面光波数学方程可写为 x2+y2+z2 = C2t2

落实到x轴上,球面光波与x轴正方向相交且向x轴正方向飞行的光子,也就是向月球飞行的光子,相对甲系光速值为C=299792458/秒。球面光波与x轴负方向相交且向x轴负方向飞行的光子,也就是向远离月球方向飞行的光子,相对甲系的光速值也是C=299792458/秒。甲观测者使用自己的时钟量尺测量和计算光速值,具体数值就是上述情况。

3、爱因斯坦光速不变第二假设:在乙系,点光源发出的球面光波始终以乙系原点O为球心,以C=299792458/秒速度值膨胀为球面光波,球面光波数学方程可写为X 2+Y2+Z 2=C2T2

落实到X轴上,球面光波与X轴正方向相交且向X轴正方向飞行的光子,也就是向月球飞行的光子,相对乙系的光速值C=299792458/秒。球面光波与X轴负方向相交且向X轴负方向飞行的光子,也就是向远离月球方向飞行的光子,相对乙系的光速值也是C=299792458/秒。乙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算光速值,具体数值就是上述情况。

在丙系,点光源发出的球面光波始终以丙系原点o′为球心,以C=299792458/秒速度值膨胀为球面光波,球面光波数学方程可写为x 2+ y2+ z2=C2 t2

落实到x′轴上,球面光波与x′轴正方向相交且向x′轴正方向飞行的光子,也就是向月球飞行的光子,相对丙系速度值C=299792458/秒。球面光波与x′轴负方向相交且向x′轴负方向飞行的光子,也就是向远离月球方向飞行的光子,相对丙系速度值也是C=299792458/秒。丙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算光速值,具体数值就是上述情况。

4、爱因斯坦光速不变第三假设:甲系光速不变第一假设数学方程x2+y2+z2 -C2t2,乙系光速不变第二假设数学方程X2+Y2+Z2-C2T2,永远共同成立。因此,可以把光速不变第一、二假设的两个数学方程合写为x2+y2+z2 -C2t2 =X2+Y2+Z2-C2T2 ,这就是光速不变第三假设。

根据光速不变第三假设和“相对运动参照系等速假设”,爱因斯坦推理出了甲系、乙系之间的洛仑兹变换、动钟变慢、动尺变短、同时的相对性、速度变换等一系列假设性公式,建立了假设推理的狭义相对论时空观和狭义相对论。

同样道理,甲系光速不变第一假设数学方程x2+y2+z2 -C2t2,丙系光速不变第二假设数学方程x 2+ y2+ z2=C2 t2,永远共同成立。因此,可以把光速不变第一、二假设的两个数学方程合写为x2+y2+z2 -C2t2 = x 2+ y2+ z2-C2 t2 ,这也是光速不变第三假设。

根据光速不变第三假设和“相对运动参照系等速假设”,爱因斯坦推理出了甲系、丙系之间的洛仑兹变换、动钟变慢、动尺变短、同时的相对性、速度变换等一系列假设性公式,建立了假设推理的狭义相对论时空观和狭义相对论。

——把爱因斯坦相对运动参照系等速假设,与测量速度值实验做比较

与爱因斯坦“相对运动参照系等速假设”有关,在测量速度值实验中,甲观测者使用自己的时钟和量尺测量和计算,可以获得乙观测者相对甲系速度值v2=299792457.5/秒;乙观测者使用自己的时钟和量尺测量和计算,可以获得甲观测者相对乙系速度值V2=S2/T

但是,乙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的V2=S2/T,与甲观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的v2=299792457.5/秒是否相等,应该由甲系乙系的时钟时间值关系、量尺长度值关系等来决定,而不能由假设来决定。

针对测量速度值实验,或类似情况,在牛顿绝对时空观中,在假设相对运动的两个参照系,甲系和乙系的时钟永远无条件同步,甲系和乙系的量尺永远无条件同长的理想条件下,甲系乙系之间的伽利略变换可以有条件地成立,具体为t=Tx=X+uTy=Yz=Z 。在此条件下,甲系和乙系互相测量对方的速度值获得的u1u2,可以是u1=u2=u=299792457.5/秒。

针对测量速度值实验,或类似情况,爱因斯坦假设u1=u2=u=299792457.5/秒,提出“相对运动参照系等速假设”,这是无条件继承了牛顿绝对时空观伽利略变换的有关内容。但是在狭义相对论中,尤其是狭义相对论强调甲系乙系之间存在相对性的动钟变慢和动尺变短的情况下,“甲系和乙系的时钟永远无条件同步,甲系和乙系的量尺永远无条件同长”,这样的条件很难满足。所以,爱因斯坦提出“相对运动参照系等速假设”u1=u2=u=299792457.5/秒,还需在理论和实验两方面进行研究审核。关于甲系和丙系的“相对运动参照系等速假设”,也是如此。

100多年来,有很多学习者,完全是立足于爱因斯坦的“相对运动参照系等速假设”u1=u2=u,理解和接受了狭义相对论。这是脱离了测量和实验,把假设想象当成了实验事实。

——把爱因斯坦光速不变第一二三假设,与测量速度值实验做比较

与爱因斯坦提出的光速不变第一假设有关,在测量速度值实验中,我们指出,甲观测者使用自己的时钟量尺进行测量和计算,得到的球面光波得光速值C=299792458/秒,与国际单位制米约定确定的光速值C=299792458/秒完全相符;与电磁学麦克斯韦方程组约定的电磁波速度值C=299792458/秒也相符合。

在测量速度值实验中,以及类似的情况中,爱因斯坦提出的光速不变第一假设,与甲观测者使用自己的时钟量尺测量和计算得到的光速值相符;与国际单位制米约定确定的光速值C=299792458/秒相符;与电磁学麦克斯韦方程组约定的电磁波速度值C=299792458/秒也相符。这也就是说,爱因斯坦光速不变第一假设,有广泛的实验证据、实验支持。

与爱因斯坦提出的光速不变第二假设有关,在测量速度值实验中,我们进行了简化研究,我们指出:甲观测者使用自己的时钟量尺测量并计算,可以获得“向月球飞行的光子与乙观测者的相对运动速度值为v3=0.5/秒”,这是“一秒没飞一臂长”的极小速度值;乙观测者使用自己的时钟量尺通过测量和计算,可以获得“向月球飞行的光子相对乙系的速度值为V3=S3/T;甲观测者使用自己的时钟量尺测量并计算,可以获得“向远离月球方向飞行的光子与乙观测者的相对运动速度值为v4=599584915.5/秒”,这是“秒飞地球十五周”的巨大速度值;乙观测者使用自己的时钟量尺通过测量和计算,可以获得“向远离月球方向飞行的光子相对乙系的速度值为V4=S4/T

乙观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的V3=S3/TV4=S4/T,与甲观测者使用自己的时钟量尺测量计算出来的v3=0.5/秒、v4=599584915.5/秒是否相等,应该由甲系乙系的时钟时间值关系、量尺长度值关系等来决定,而不能由假设来决定。关于球面光波相对丙系的光速值,也是类似情况。

爱因斯坦光速不变第二假设认为:在乙系,点光源发出的球面光波始终以原点O为球心,以C=299792458/秒速度值膨胀为球面光波,球面光波数学方程可写为X 2+Y2+Z 2=C2T2。落实到X轴上,球面光波与X轴正方向相交且向X轴正方向飞行的光子,也就是向月球飞行的光子,相对乙系速度值C=299792458/秒。这是“秒飞地球七周半”的巨大速度值。

那么,针对测量速度值实验,或类似情况,以X轴正方向的情况为例,球面光波与X轴正方向相交且向X轴正方向运动的光子相对乙系的速度值,究竟应该是甲观测者测出的v3=0.5/秒?还是乙观测者测出的V3=S3/T?或者是爱因斯坦光速不变第二假设要求的C=299792458/秒呢?

根据宇航科技、军事科技、天文观测、信息技术的具体实验和实践,可以说,在两种极其特殊情况下,乙观测者使用特制的时钟量尺测量和计算,的确可以有C=299792458/秒,相当于“秒飞地球七周半”巨大速度值。具体如下:

一是相应于甲观测者的时钟经历△t=1秒,显示时间值t=1秒时,让乙观测者的时钟也经历△T=1秒,显示时间值T=1秒,而且,在此情况下,让乙观测者使用特制的“足够短”的量尺,使得乙观测者测量计算出的“激光束相对乙观测者的运动距离值”△S3=299792458米,这样,乙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算出的“激光束相对乙观测者的速度值”就是V3=S3/T=299792458/秒。这就与爱因斯坦光速不变第二假设相符合了。

二是相应于甲观测者的时钟经历△t=1秒,显示时间值t=1秒时,让乙观测者使用特制的“足够慢”的时钟,该时钟经历△T=1/2×299792458秒时间值,而且,在此情况下,让乙观测者使用自己的量尺测量计算出“激光束相对乙观测者的运动距离值”△S3=0.5米,这样,乙观测者使用自己的时钟量尺测量和计算出的“激光束相对乙观测者的速度值”,也可以是V3=S3/T=299792458/秒。这就与爱因斯坦光速不变第二假设相符合了。

但是,无论何种情况,若想要乙观测者通过具体实验来支持爱因斯坦光速不变第二假设,那么,就应该按照物理学的观察、实验、数学、逻辑、推理、假设的认识原则,严格地设计具体实验,达到如下要求:指定实验仪器,讲清实验原理,描述实验过程,分析实验误差,别人可以重复,得到大家公认。

100多年时间里,有大量研究者向爱因斯坦和相对论专家提出了上述实验要求,要求为光速不变第二假设提供实验依据,但是,爱因斯坦和相对论专家一直无法按照实验要求,提供实验证据。因此,围绕光速不变第二假设,就产生了100多年的矛盾和争论,一直争论不休。严格地说,爱因斯坦光速不变第二三假设,很难得到时钟量尺测量速度值实验的支持,不符合实际,类似于盲人想象,虚构出的大象翅膀。

——使用动钟变慢动尺变短为光速不变假设辩解,存在逻辑困难

在以往,爱因斯坦和相对论专家认为:在甲系,甲观测者使用自己的时钟量尺测量并计算,可以获得“向月球飞行的光子相对乙系的速度值为v3=0.5/秒”;但是在乙系,乙观测者使用自己的时钟量尺测到的“向月球飞行的光子相对乙系的速度值”一定是C=299792458/秒。因为在乙系,乙观测者的时钟发生了动钟变慢,乙观测者的量尺发生了动尺变短。

应该指出,首先,按照逻辑规则,在爱因斯坦狭义相对论中,“相对运动参照系等速假设、光速不变第一假设、光速不变第二假设和光速不变第三假设等,都是逻辑前提,都是一级假设。动钟变慢、动尺变短等是从逻辑前提经过数学推理得出的推理结论,是二级假设。因此,应该称之为动钟变慢假设、动尺变短假设。使用动钟变慢假设、动尺变短假设这种逻辑推理的二级假设,反过来证明逻辑前提一级假设是正确的,证明光速不变第二假设这种逻辑前提一级假设正确,这是违犯了逻辑规则,是无效证明。

实际上,“相对运动参照系等速假设、光速不变第一二三假设、动钟变慢假设、动尺变短假设,它们作为物理学观点,按照物理学的观察、实验、逻辑、数学、推理、假设等认识原则,都应该接受实验的检验,由实验判定是否符合事实、是否正确。

其次,在测量速度值实验,以及类似情况中,如果甲系根据动钟变慢假设和动尺变短假设,认为乙系的高速运动,导致乙系确实发生了极其显著的动钟变慢和动尺变短,乙观测者一定会观测到这种极其显著的动钟变慢和动尺变短,那么,动钟变慢假设和动尺变短假设是相对的,乙观测者也可以根据动钟变慢假设和动尺变短假设,反过来认定甲系也确实发生了极其显著的动钟变慢和动尺变短,而且甲观测者也一定会观测到这种极其显著的动钟变慢和动尺变短。但是,在地面参照系的观测者,地球上的人们,谁观测到极其显著的动钟变慢和动尺变短啦?如果都没观测到,这意味着什么?

第三,举例说,在北斗卫星系统北京地面站,选定一个原子钟,把它一年里显示的时间值折算成秒,具体为Δt1=365(天)×24(小时)×60(分钟)×60(秒)=31536000秒。在北斗卫星系统,在天上有30多颗卫星,每个卫星上都有原子钟。基于北斗地面站选定原子钟一年的时间值31536000秒,使用爱因斯坦狭义相对论动钟变慢假设公示计算,天上30多颗卫星上的原子钟,每个原子钟都有一个具体的动钟变慢数值。就此,爱因斯坦和相对论专家会坚持,天上30多颗卫星上的原子钟,都发生了动钟变慢,30多个具体的动钟变慢,都是可以观测到的。那么,由于动钟变慢是相对的,在一年时间值里,天上30多个卫星参照系,都可以认定北京地面站选定的原子钟,也发生了动钟变慢,而且是可观测的动钟变慢。问题是,天上30多个卫星参照系要求,北京地面站选定原子钟应该发生30多种具体的动钟变慢,在此情况下,北京地面站选定原子钟应该如何执行30多种具体的动钟变慢要求呢?如果北京地面站选定原子钟拒绝了30多种动钟变慢要求,这又意味着什么呢?

——要求光速不爱第一二三假设同时成立,与球面光波的数学定义存在矛盾

在上述测量速度值实验中,以甲系、乙系的情况为例,在甲系的时钟经历△t=1秒,显示t=1秒时间值时,给宇宙按下暂停键,类似给播放视频的手机或电脑按下暂停键,那么在t=1秒暂停态宇宙立体图像中,只有一个球面光波,唯一的球面光波与甲系、乙系的xX坐标轴只有两个交点,分别是球面光波的左右端点。如图八所示(图中仅画出了甲系、乙系的有关情况)。比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-6

t=1秒时刻的暂停态宇宙立体图像中,甲、乙观测者都在球面光波中,甲观测者使用自己的时钟量尺通过测量和计算,可以得到如下量值:

1、甲观测者始终位于球面光波球心,也就是直角坐标系oxyz的原点o处;球面光波的半径为r=C×△t=299792458/秒×1=299792458米;球面光波的左端点,也就是球面光波与x轴的左交点,与甲观测者的距离值为△s1=299792458米,球面光波左端点的光子,相对甲观测者的光速值为C=299792458/秒;球面光波的右端点,也就是球面光波与x轴的右交点,与甲观测者的距离值也是△s1=299792458米,球面光波右端点的光子,相对甲观测者的光速值也是C=299792458/秒;

2、乙观测者在x轴上,位于甲观测者右侧,与甲观测者的距离值△s2=299792457.5米,乙观测者相对甲观测者的速度值为v2=u1=299792457.5/秒;

3、球面光波的左端点,也就是球面光波与x轴的左交点,与乙观测者的距离值为△s4=s1+s2=299792458+299792457.5=599484915.5米,球面光波左端点的光子,相对乙观测者的光速值v4=s4/t=599484915.5/秒;球面光波的右端点,也就是球面光波与x轴的右交点,与乙观测者的距离值是△s3=0.5米,球面光波右端点的光子,相对乙观测者的光速值是v3=0.5/秒;

4、针对上述情况,乙观测者使用自己的时钟和量尺进行测量计算,可以得到如下结果:甲观测者相对乙系原点O的距离值为△S2,甲观测者相对乙系的运动速度值为V2=S2/T;球面光波的右端点,也就是球面光波与x轴的右交点,与乙观测者的距离值为△S3,球面光波右端点的光子,相对乙观测者的光速值V3=S3/T;球面光波的左端点,也就是球面光波与x轴的左交点,与乙观测者的距离值是△S4=S1+S2,球面光波左端点的光子,相对乙观测者的速度值是V4=S4/T

应该指出,乙观测者使用自己的时钟和量尺进行测量计算获得的△T、△S2V2、△S3V3、△S4V4,测量和计算结果是多少,就是多少。应该是实验结果决定理论假设是否符合实际情况,而不应该是理论假设要求或命令实验结果必须如何。

针对上述情况,根据爱因斯坦“相对运动参照系等速假设”和光速不变第一二假设,可以得到如下推论:

1、根据爱因斯坦光速不变第一假设,球面光波左端点相对甲观测者的光速值C=299792458/秒,球面光波左端点与甲观测者的距离值△s1=C×△t=299792458米;球面光波右端点相对甲观测者光速值C=299792458/秒,球面光波右端点相对甲观测者的距离值△s1=C×△t=299792458米;甲观测者始终处在球面光波的球心,在此情况下,乙观测者与甲观测者相距△s2=u×△t=299792457.5米,在唯一的球面光波里,乙观测者不能也在球面光波的球心。

2、根据爱因斯坦光速不变第二假设,球面光波左端点相对乙观测者的光速值C=299792458/秒,球面光波左端点与乙观测者的距离值△S1=C×△T米;球面光波右端点相对乙观测者光速值C=299792458/秒,球面光波右端点与乙观测者的距离值△S1=C×△T米;乙观测者始终处在球面光波的球心,在此情况下,甲观测者与乙观测者相距△S2=u×△T,在唯一的球面光波里,甲观测者不能也在球面光波的球心。

3、根据爱因斯坦根据光速不变第三假设,球面光波在甲系的数学方程x2+y2+z2 -C2t2 和球面光波在乙系的数学方程X2+Y2+Z2-C2T2永远同时成立;按照球面光波的数学定义,球面光波在甲系的数学方程x2+y2+z2 -C2t2的成立条件是甲观测者永远在球面光波的球心处;按照球面光波的数学定义,球面光波在乙系的数学方程X2+Y2+Z2-C2T2的成立条件是乙观测者永远在球面光波的球心处;所以,甲观测者、乙观测者都永远处在球面光波的球心处;

4、根据爱因斯坦狭义相对论“相对运动参照系等速假设”,甲观测者、乙观测者的相对距离值为△s2=u×△t=299792457.5米,或者是△S2=u×△T米;根据爱因斯坦根据光速不变第三假设,甲、乙观测者都永远处在球面光波的球心处;所以,相对距离值为△s2=299792457.5米,或者是△S2=u×△T米的甲、乙观测者,都永远处在唯一球面光波的球心处。

根据球面光波的数学定义,一个球面光波,只有一个球心,一个球面,一个半径。如果一个球面光波有两个不在一处的球心,这是啥样的球?

根据爱因斯坦“相对运动参照系等速假设”和光速不变第一二假设,所得出的上述推论:相对距离值为△s2=299792457.5米,或者是△S2=u×△T米的甲、乙观测者都始终在唯一球面光波球心,这种结果及其特异,这是违反球面光波数学定义的结论。

换个说法,根据爱因斯坦光速不变第一假设及其数学方程x2+y2+z2=C2t2的要求,甲观测者应该始终位于唯一的球面光波的球心o,如果甲观测者不在唯一的球面光波的球心o处,那么描述立体球的标准数学方程x2+y2+z2=C2t2就难以成立;同样道理,根据爱因斯坦光速不变第二假设及其数学方程X2+Y2+Z2-C2T2的要求,乙观测者也应该始终位于唯一的球面光波的球心O,如果乙观测者不在唯一的球面光波的球心O处,那么描述立体球的标准数学方程X2+Y2+Z2-C2T2就难以成立。

然而,唯一的球面光波应该只有一个球心,在唯一的球面光波里,不在一处,彼此距离为ut uT 的甲和乙,不可能都在球心。但是,如果甲和乙不能都在球心,那么,两个数学方程x2+y2+z2 =C2t2 X2+Y2+Z2=C2T2 也就难以同时成立了。因此,爱因斯坦光速不变第三假设x2 +y2+z2 -C2t2=X2+Y2+Z2-C2T2 也就难以成立了。在此情况下,爱因斯坦根据光速不变第三假设推理出的甲系、乙系的洛仑兹变换、动钟变慢、动尺变短、同时的相对性、速度变换等一系列假设性公式,也都难以成立了。

所以,能够支持爱因斯坦光速不变第一假设及其数学方程x2+y2+z2=C2t2,以及支持爱因斯坦光速不变第二假设及其数学方程X2+Y2+Z2-C2T2同时成立的球面光波,是一个奇特的球,它可以拥有两个球心,两个球心可以不在一处,这是一个“双心魔球”,一个让球的数学定义无比尴尬的“双心魔球”。

所以,对于上述“双心魔球”,有必要结合宇航科技、军事科技、天文观测、信息技术的具体实验和实践,进行广泛深入的理论研究和实验研究。

——研究更多相对运动,与爱因斯坦狭义相对论进行对比

在以上测量速度值实验中,我们主要研究了球面光波相对甲系、乙系、丙系的运动,以及甲系、乙系、丙系的相对运动。实际上,为了更广泛深入地研究相对运动,还可以在特定的光子上建立参照系,也就是建立相对特定光子静止的参照系,可简称为光子参照系。这样,就可以在光子参照系研究更多的相对运动。

下面,在球面光波右端点,也就是球面光波与x轴右交点的光子上建立一个光子参照系,对甲系、乙系、光子参照系的相对运动进行具体研究。参见图九。比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-7

按道理说,在甲系、乙系、光子参照系,在任何一个参照系研究相对运动,甲系、乙系、光子参照系都应该存在相对运动,只不过是基于不同的时钟和量尺组合测量出的相对运动距离值、速度值,具体量值会有所不同而已。

但是,在光子参照系研究相对运动时,根据爱因斯坦狭义相对论相对运动平权观点、“相对运动参照系等速假设”和光速不变第一二假设进行推论,就会得出“奇异结论”。

具体说,根据光速不变第一假设,光子参照系以C=299792458/秒速度值相对甲系向右运动(在图上)。

根据爱因斯坦狭义相对论相对运动平权观点、“相对运动参照系等速假设”和光速不变第一假设,可以推理出甲系应该以C=299792458/秒速度值相对光子参照系向左运动(在图上)。

根据光速不变第二假设,光子参照系以C=299792458/秒速度值相对乙系向右运动(在图上)。

根据爱因斯坦狭义相对论相对运动平权观点、“相对运动参照系等速假设”和光速不变第二假设,可以推理出乙系应该以C=299792458/秒速度值相对光子参照系向左运动(在图上)。

所以,在光子参照系可以说,由于甲系以C=299792458/秒速度值相对光子参照系向左运动,乙系也以C=299792458/秒速度值相对光子参照系向左运动,因此,均以C=299792458/秒相同速度值向左运动的甲系、乙系,它们的相对运动速度值就只能是u=0了。

但这样的推理结果,跟测量速度值实验的原始条件u=299792458/秒等,明显不相符,显然存在逻辑矛盾。所以,在光子参照系研究相对运动时,根据爱因斯坦狭义相对论相对运动平权观点、“相对运动参照系等速假设”和光速不变第一二假设进行推论得到的结论,值得做进一步认真的研究。

综上所述,把测量速度值实验,以及与爱因斯坦相对运动参照系等速假设和光速不变第一二三假设进行的比较研究等,综合起来说:爱因斯坦的相对运动参照系等速假设,缺乏实验证据;爱因斯坦光速不变第一假设,有实验支持;爱因斯坦的光速不变第二三假设,没有直接的实验证据,缺乏可信的逻辑证明;使用动钟变慢假设和动尺变短假设等,为光速不变第二假设进行的辩解,不符合逻辑,难以得到实验支持;动钟变慢假设和动尺变短假设自身是否符合实验事实,也需要进行研究和检验;爱因斯坦光速不变地一二三假设,与球面光波的数学定义存在矛盾;在光子参照系研究相对运动,根据相对运动参照系等速假设和光速不变第一二假设推理出的结果,设否定了甲系乙系的相对运动。以上情况,都是围绕爱因斯坦狭义相对论发生100多年争论的主要原因。

三、关于动钟变慢和动钟变快,比爱因斯坦知道更多内容

——根据时钟时间值规律,动钟变慢和动钟变快共同存在

根据我们指出的时钟时间值规律,内部结构、运动和作用相同的两个时钟,它们所受的外界作用,例如电磁力、引力、温度、湿度、压强、辐射等外界作用不同时,两个时钟就会变成有慢有快。这是两时钟作为动力学系统遵守能量守恒定律的必然结果。

这也就是说,在实际情况中,相对静止或相对运动的两个时钟,可以一快一慢。动钟变慢和动钟变快可以共同存在;静钟变慢和静钟变快也可以同时存在。这是时钟作为动力学系统遵守能量守恒定律的必然结果。

在爱因斯坦狭义相对论中,只有相对运动的时钟时间值变慢的说法,只有动钟变慢假设。在以往,有一些实验被当做狭义相对论动钟变慢假设的实验证据,但是,在这样的实验中,常常是把两个相对运动时钟实际的相应时间段Δt1、Δt2进行比较后,发现一个时钟绝对地变慢了,另一个时钟绝对地变快了。站在变快时钟参照系说,对方的时钟因为相对运动变慢了。但是站在变慢时钟参照系说,也可以说,是对方的时钟因为相对运动变快了。

这种动钟变慢现象和动钟变快现象共同存在的实验,虽然一半实验结果,动钟变慢的一半结果可以作为狭义相对论动钟变慢假设的支持证据,但是,另一半实验结果,动钟变快的一半实验结果,却是狭义相对论动钟变慢假设无法说明的情况。

在北斗卫星导航系统,在天上有30多颗卫星,如果在天上不同卫星上建立参照系,使用爱因斯坦相对论动钟变慢假设和引力红移假设计算天上30多颗北斗卫星的时间值关系,可能会有成百上千种结果,各种结果互不相同,将变成一片混乱,不可思议的情况。所以,根据爱因斯坦相对论得出的理论假设,与北斗卫星体系实际情况的关系,是一个值得广泛深入研究的问题。与此有关,也存在大量争论,值得进行理论和实验两方面研究。

——对北斗卫星原子钟进行交叉学科研究,与爱因斯坦相对论做对比

在北斗卫星导航系统,天上的30多颗卫星,每个卫星上都有高精度原子钟。在地面工作站,也都有高精度时钟。北斗卫星导航系统的原子钟,每过1000万年才会有1秒误差。对北斗卫星原子钟和爱因斯坦相对论进行交叉学科研究,具有重要意义。

在北斗卫星导航系统,北京地面站原子钟处在北纬约40度的地方,距离地心的距离是地球的近似半径,约为r=6371公里。北京地面站原子钟绕地轴运转周期为24小时。北京地面站原子钟在平行于赤道的平面上,绕地球转轴做匀速转动。北京地面站原子钟的转动线速度值为v1=2π×6371×cos40°/24×60×60=0.354738公里/秒。参见图十。比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-8

北斗卫星系统的中圆地球轨道卫星距地面高度21500公里,该卫星距离地心的距离为地球半径加上卫星距离地面高度,约为6371+21500公里。该卫星绕地球运行周期约为12小时。

因此,中圆地球轨道卫星上的原子钟相对北斗地面站原子钟的相对运动线速度值为v2=2π(r+h/Δt=2×3.14×(6371+21500/12×60×60=4.051618公里/秒。

建立地心参照系,令地心参照系原点与地球球心重合,令地心参照系y轴与地球自转轴重合。根据爱因斯坦狭义相对论动钟变慢假设,在地心参照系y轴上,也就是地球自转轴上的时钟,都是同步时钟。北京地面站原子钟和中圆地球轨道卫星原子钟,相对地球自转轴上的时钟都存在动钟变慢。

把北斗卫星系统北京地面站原子钟在一年里显示的时间值折算成秒,具体为Δt1=365(天)×24(小时)×60(分钟)×60(秒)=31536000秒。

按照爱因斯坦狭义相对论动钟变慢假设,北京地面站原子钟要比地球转轴上的时钟走时慢,这也就是说,地球转轴上的时钟要比北京地面站原子钟走时快。在地心参照系使用爱因斯坦狭义相对论动钟变慢假设计算,相应于北京地面站原子钟在一年里显示Δt1=31536000秒,地球转轴上的时钟应该显示Δt=Δt1/1-v12C2 =31536000.000022秒。

按照爱因斯坦狭义相对论动钟变慢假设,中圆地球轨道卫星原子钟要比地球转轴上的时钟走时慢,也就是地球转轴上的时钟要比中圆地球轨道卫星原子钟走时快。在地心参照系使用爱因斯坦狭义相对论动钟变慢假设计算,相应于地球转轴上时钟Δt=31536000.000022秒,中圆地球轨道卫星原子钟显示的时间值为Δt2=Δt×1-v22C2 =31535999.997152秒。

因此,相应于北京地面站原子钟在一年里显示Δt1=31536000秒,中圆地球轨道卫星原子钟显示的时间值为Δt2= 31535999.997152秒,中圆地球轨道卫星原子钟比北京地面站原子钟慢Δt3=Δt1-Δt2=31536000-31535999.997152=0.002848秒。

使用爱因斯坦狭义相对论动钟变慢公式计算北京地面站原子钟与中圆地球轨道卫星原子钟的“动钟变慢”差别,可以有多种计算方法,本文给出的是其中一种计算方法的差值。

根据爱因斯坦广义相对论引力红移假设,北京地面站原子钟跟中圆地球轨道卫星原子钟之间还存在引力差别造成的不同步,所导致的时间差。根据爱因斯坦引力红移公式进行具体计算,可以得出,相应于北京地面站原子钟在一年里显示Δt1=31536000秒,天上中圆地球轨道卫星原子钟显示的时间值为Δt4=31536000.017秒,天上中圆地球轨道卫星原子钟要变快Δt5=Δt4-Δt1=0.017秒。

综合地说,相应于北京地面站原子钟在一年里显示Δt1=31536000秒,天上中圆地球轨道卫星原子钟显示的时间值要比北京地面站原子钟变快Δt6=Δt5-Δt3=0.004152秒。使用北斗卫星原子钟系统设计有关的实验,并具体落实,就能对爱因斯坦狭义相对论动钟变慢假设和广义相对论引力红移效应所要求的0.004152秒时差进行实验检验,检验是否存在,判定动钟变慢假设和引力红移假设是否符合实验事实。

把北斗卫星系统任意一个天上卫星选为参照系,把该系原子钟一年的时间值选为研究依据,计算其它30多颗卫星原子钟和更多地面站原子钟的动钟变慢和引力红移情况,都有一个具体结果。对于上述结果,都可以使用北斗卫星系统的实验数据进行检验,验证爱因斯坦狭义相对论动钟变慢假设和广义相对论引力红移假设是否符合实验事实。

四、关于开放的复杂系统时空问题,比爱因斯坦知道更多

——研究开放的复杂巨系统,避免实验物理学变成语言物理学

我们研究时钟时间值规律和量尺长度值规律时,都把时钟和量尺看做开放的复杂物理系统,研究了开放的复杂物理系统的内部结构、运动、作用和变化,研究了开放的复杂物理系统与环境存在的作用和影响,交换的物质和能量,由此,得出了时钟时间值规律和量尺长度值规律。

对比研究可见,爱因斯坦相对论研究有关问题时,对于研究对象缺乏系统学研究,对于具有开放的复杂物理系统特征的研究对象,对其内部结构、运动、作用和变化,对其与环境存在的作用和影响,交换的物质和能量,都缺乏足够的研究。

在爱因斯坦狭义相对论中,有一个孪生子佯谬。假设有孪生子甲、乙,孪生子甲留在地球,孪生子乙乘宇宙飞船离开地球,飞行到一定远处,然后,减速、转向、加速,返回地球;这样,当孪生子甲、乙再次相见时,根据狭义相对论动钟变慢假设,甲和乙都认为对方想对自己运动了谁会年轻一些呢?在狭义相对论中,孪生子甲、乙都认为对方相对自己有运动,会发生动钟变慢假设效应,所以,对方会比自己年轻。因为这样的争论在狭义相对论中难以解决,所以称之为孪生子佯谬。

对于孪生子佯谬,爱因斯坦等相对论专家认为,如果把狭义相对论动钟变慢假设和广义相对论引力红移假设结合起来,进行思考,就可以解决孪生子佯谬。也就是在甲所在的地球参照系看,乙飞行到一定远处,然后,远离、减速、转向、加速、回归,因此,乙存在变速运动,按照广义相对论引力红移假设,甲、乙再次相见时,乙比甲年轻一些。

但是,对于孪生子甲、乙的相对运动,也可以在乙所在的参照系研究,这样,乙看到的情况就是,甲和地球远离,飞行到一定远处,然后,甲和地球减速、转向、加速,又返回来,这就是相对论一直坚持的相对运动平权。因此,在乙参照系说,是甲和地球存在变速运动,按照广义相对论引力红移假设,甲、乙再次相见时,应该是甲比乙年轻一些。这也就意味着,相对论的孪生子佯谬,把狭义相对论动钟变慢假设和广义相对论引力红移假设结合起来,也未能圆满解决。

可以说,对于孪生子甲和乙谁年轻、谁年老,对他们的生理活动和外观表现进行比较性研究,如果一直停留在相对运动和引力作用的角度和层面,这就是没抓住本质原因,就很难在本质上解决问题。

对于孪生子甲和乙这两个开放的复杂生命系统,对他们的生理活动和外观表现进行比较性研究,应该基于开放的复杂物理系统观点,研究开放的复杂物理系统的内部结构、运动、作用和变化,仅在表面现象上谈论谁年轻谁年老,把表面现象当成本质原因。唯有上升到复杂物理系统层次研究问题,研究开放的复杂物理系统的内部结构、运动、作用和变化,研究开放的复杂物理系统与环境存在的作用和影响,交换的物质和能量,才能抓住本质和关键,彻底解决问题,同时解决有关的争论和矛盾。

例如假设有孪生子哥哥甲和弟弟乙,都是30岁,某日,哥哥甲的鼻腔和气管吸进了感冒病毒,病毒深入肺部,导致了肺炎,对肺部造成了伤害。因此,哥哥甲每天喝中药,通过肠胃系统、血液系统,把中药输送到肺部,让中药和免疫系统联合行动,奋力保护健康,跟感冒病毒进行殊死搏杀。后来,终于战胜了感冒病毒,恢复了健康。

但是,经过感冒折腾,哥哥甲的气管、肺部、肠胃、免疫系统、心脏、大脑等都提前老化,变成了40岁的样子。弟弟乙因为没感冒,所以,弟弟乙的情况还是30岁的样子。而且在外观上,哥哥甲的面部皮肤颜色、弹性、眼神、体表状态、声音、举止,也都变成了40岁的样子,跟弟弟乙相比,哥哥甲明显地变老了。

对于上述情况,按照现有的科学认识,可以给出如下说明:从时间角度看,哥哥甲作为开放的复杂生命系统,经过感冒折腾,生命系统的结构、运动和作用情况提前进入了40岁时的状态;弟弟乙作为开放的复杂生命系统,生命系统的结构、运动和作用的情况却依然处在30岁时的样子;从空间角度说,构成哥哥甲身体的成万上亿个零件的位置和结构变化极多,运动和作用变化极多;构成弟弟乙身体的成万上亿个零件的位置和结构变化,运动和作用却相对较少;从物质和能量角度说,哥哥甲的身体跟外界交换了更多的物质和能量,弟弟乙的身体跟外界交换的物质和能量却没有那么多。这就是根据开放的复杂物理系统观点,对孪生子生理活动和外观表现进行的初步研究。

实际上,按照现有的科学认识,一切物质都是原子构成的。在量子论原子模型中,夸克构成质子中子,质子中子构成原子核,原子核外有大量电子进行电子云式运动,在原子空间里存在轨道跃迁、能量变化、测不准现象、波粒二象性、发射和吸收电磁波、粒子的量子场运动和作用等情况。那么,当爱因斯坦广义相对论谈论时空弯曲时,在原子内部,在电子和原子核之间,在原子核里,时间和空间是如何弯曲的?对电磁力作用有无影响?在微观层次上运动和作用机理是什么?这都是值得广泛深入研究的问题。

事实表明,爱因斯坦广义相对论所说的时空弯曲,更多是一种语言文字、名词术语、数学方程、几何图像的弯曲,类似远离实际的纸上谈兵,缺乏原子层次的结构、运动和作用等物理内容的弯曲,缺乏可观测的物理现象、物理过程和物理变化的弯曲。这就是爱因斯坦广义相对论与量子力学难以统一的主要原因之一,也是爱因斯坦广义相对论引发100多年争论的主要原因之一。

物理学是建立在实验基础上的科学,具体的研究方法包括观察、实验、数学、逻辑、推理、假设等科学认识方法。多种方法共用,多管齐下,才可能面对实际宇宙发现更多真相,避免脱离实际把假设想象当成实际存在,一叶障目不见泰山,坐井观天井口当天。

为了更好地研究物理学问题,还可以采用交叉学科方法,使用更多的知识和方法,进行更广泛深入的研究。例如为了解决物理学的时空问题,与爱因斯坦相对论有关的问题,就可以把物理学、计量学、航天学、天文学、数学、逻辑学、科学哲学、语义学等学科的有关知识和方法综合起来,进行大综合研究,建构大综合时空观,实现预期目标。

——爱因斯坦狭义相对论创建于真空中惯性系,在空气中有引力时难成立

1905年,爱因斯坦在真空中惯性系理想条件下,提出“相对运动参照系等速假设”和光速不变第一二三假设,由此出发,进行数学推理,推理出了洛仑兹变换公式、动钟变慢、动尺变短、同时的相对性、速度值变换公式等一系列假设,建立了狭义相对论时空观。然后,爱因斯坦使用狭义相对论时空观改造经典力学规律和经典电磁学定律等,建立了狭义相对论。

1915年,爱因斯坦在有质量物体产生引力作用的条件下,提出惯性质量等于引力质量的等效原理假设和广义相对性原理假设,由此出发,进行数学推理,得出了引力场方程、时空弯曲、水星近日点进动、光线在引力场中弯曲、引力红移等假设,建立了广义相对论时空观。然后,爱因斯坦使用广义相对论时空观改造牛顿引力理论,建立了广义相对论。

爱因斯坦在广义相对论中提出,恒星发出的光线向地球传播时,经过巨大质量天体,例如太阳附近时,会被巨大质量天体的引力拉偏,例如向太阳偏转。因此,光线传播路径是曲线,不是数学直线。

1919年,爱丁顿对日全食进行观测,他宣称,远处恒星发出的光飞向地球过程中,光线经过太阳表面时被太阳引力拉偏,向太阳偏转了一定角度,运动路径发生了弯曲,不是数学直线了。爱丁顿认为该实验证实了爱因斯坦广义相对论的重要结论:光线在引力场中会偏折。爱丁顿实验成为证明爱因斯坦广义相对论正确的第一个实验。

爱因斯坦在广义相对论中,还提出了引力作用会导致电磁波的频率发生变化的假设,也就是一个电磁波,在引力作用强的地方,电磁波频率会变小,在引力作用弱的地方,电磁波频率会变大,对此,可简称为引力红移假设。

2022217日,美国科罗拉多大学JILA实验室的叶军团队在Nature封面上发表文章指出,他们使用激光和锶原子做实验,获得重要发现,即使高度差只有一毫米,因为一毫米上端点和下端点引力作用强度不一样,时间流逝的速度也不一样,这证明广义相对论引力红移是正确的,该实验是迄今为止在最小尺度上支持爱因斯坦广义相对论的实验。

根据电磁学实验,在空气介质中,光速值小于C=299792458/秒。根据爱丁顿实验和叶军实验结论,有引力作用情况下,即使高度差只有一毫米,时间流逝的速度也不一样,光线传播路径也会发生弯曲。因此,爱因斯坦在真空中惯性系理想条件下,提出的光速不变第一二三假设,在空气中,有引力作用情况下,已经不能成立。因此,爱因斯坦狭义相对论,在空气中,有引力作用情况下,也是难以成立。

1971年,美国学者哈费尔与吉丁将一只铯原子钟放在地球赤道上,把另外四只铯原子钟放在喷气飞机上,让喷气飞机在1 万米高空绕赤道飞行。分别进行了飞机由西向东绕赤道飞行一圈实验,以及飞机由东向西绕赤道飞行一圈实验。

实验结果是,由西向东飞行的飞机上的铯原子钟比赤道静止的铯原子钟慢了59纳秒 ,由东向西飞行的飞机上的铯原子钟比赤道静止的铯原子钟快了273纳秒。相对论专家使用爱因斯坦狭义相对论动钟变慢假设和广义相对论引力红移假设,对这个动钟变慢和动钟变快同时存在的实验进行了解释,因此,该实验被认为是对狭义相对论动钟变慢假设和广义相对论引力红移假设都提供了实验支持。

然而,在空气中,有引力作用的情况下,已经不是真空和惯性系,在此情况中,爱因斯坦提出的光速不变假设,写出的相对匀速直线运动的两个参照系的球面光波方程,推理出的动钟变慢假设,建立的狭义相对论时空观和狭义相对论等,已经都不能成立了。所以,在此情况下,对于使用狭义相对论动钟变慢假设对原子钟实验所给出的解释,具体的说法等,应该重新审视,应该深入研究。

形象地比喻,实际的宇宙就像大象,科学家就像摸索大象和想象大象者。爱因斯坦继承前人摸索到的大象大腿,加上自己摸索到的大象尾巴,以及假设想象出的大象翅膀,建构了“大象大腿+尾巴+翅膀”真伪共存的相对论宇宙大象图像。继续摸索大象,人们还可以发现更多真相,发现大象脑袋,证明大象翅膀不存在,纯属虚构想象,进而建立“大象脑袋+大腿+尾巴”更符合实际的宇宙大象图像。

在人头脑里,存在理解能力、思考能力、记忆能力、应用能力等四大学习能力;存在勇敢创新能力、综合集成能力、辨析判断能力、发明创造能力等四大创新能力。钱学森能够独立地研发出导弹,成为国家杰出贡献科学家,屠呦呦能够独立地研发出青蒿素,获得诺贝尔奖,都是得力于把上述四大学习能力和四大创新能力都提高到了必要水平。

大家阅读本文,学习应用新方法,就可以在头脑里提高四大学习能力和四大创新能力,重要意义不言而喻。尤其是在当前国家大力倡导创新驱动发展的情况下,更是意义非凡。比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-11比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-12比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-13比爱因斯坦知道更多的华人,速解百年争论走向更大丰收_图1-14









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