作者简介：陈少毅，汉族。1962年5月4日出生，大学本科学历，中教高级职称，高级中学教师，现已退休。

     第一章 物理学的疑惑

第二节、爱因斯坦的相对论

一、狭义相对论介绍

狭义相对性原理：一切物理定律（除引力外的力学定律、电磁学定律以及其他相互作用的动力学定律）在所有惯性系中均有效；或者说，一切物理定律（除引力外）的方程式在洛伦兹变换下保持形式不变。不同时间进行的实验给出了同样的物理定律，这正是相对性原理的实验基础。

光速不变原理：光在真空中总是以确定的速度c传播，速度的大小同光源的运动状态无关。在真空中的各个方向上，光信号传播速度（即单向光速）的大小均相同（即光速各向同性）；光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关。这个原理同经典力学不相容。有了这个原理，才能够准确地定义不同地点的同时性。

洛伦兹变换是狭义相对论中最基本的关系式，反映了时间和空间是不可分割的，要确定一个事件，必须同时使用三个空间坐标和一个时间坐标，这四个坐标（数据）所组成的空间称为四维空间（四维时空）。

狭义相对论预言（这不是预言，而是数学假设、数学逻辑的结果），运动时钟的“指针”行走的速率比时钟静止时的速率慢，这就是时钟变慢或时间膨胀效应。 考虑在K系中的某一点静止不动（即空间坐标间隔为零：x=0，y=0，z=0）的一只标准时钟，此时洛伦兹变换中的前三个方程给出：x'=vt'，y'=0，z'=0

相对论中，动能定理仍然成立，但动能形式有所不同，动量定义仍为质量与速度的乘积。质能关系大大拓展了人们对于质量和能量这两个概念的认识，把质量的变化和能量的变化联系起来。两者关系为：

1.光速不变性的实验

首先，同光速不变原理有关的大量实验已经证明，真空中光速同光源的运动速度和惯性运动状态无关。定量的测量表明，真空中平均回路光速с是一个常数，约为每秒30万千米（с的精确测量值见基本物理常数）。这类实验中，最著名的是迈克耳孙－莫雷实验。这个实验是在相对论出现之前很久的1881年首先由A.迈克耳孙完成的。1887年迈克耳孙和E.莫雷又用干涉仪以更高的精度重新做了观测。这个实验的目的是测量地球相对于以太的运动速度。但实验结果同以太论的预言相矛盾。狭义相对论建立之后，这个实验就被看成是光速不变原理和狭义相对性原理以及否定以太论的重要实验基础。还要说明一点，现有的实验（包括迈克耳孙－莫雷实验）并没有证明光速是否同方向无关。引入光速同方向无关的假定是为了定义不同地点的事件的同时性，在没有其他方法确定这种同时性之前，光速是否同方向无关是无法用实验判断的。

疑点：在真空条件下实验可以测定出光速是每秒30万千米，但是不能说明光子就以这个速度传播，在任何环境下运动，难道光子的能量永恒不变？光速恒定从理论上讲就是不对的，光子要是物质，要运动就有速度，运动速度快了能量就高了，速度慢了能量就降低了，光子不可能就以一个速度一直的运动，难道光子的能量就永远不会损失？这不符合哲学。我敢断言太阳磁暴时辐射出的光子要比太阳正常辐射出的光子速度要快的多。光子永远都在真空中运动吗？那么光速恒定吗？

如果质量守恒定理是正确的，那么质能转换就是不正确的，如果质能转换是正确的，那么质量守恒定理就是不正确的，物理学不能承认两个相互矛盾的定理都正确。

质能关系式中c恒定不变，那么E不就是个放大的质量？质能关系还有意义吗？还有必要引入两个物理量吗？原子弹的爆炸证明了质能互变理论，谁测定了原子弹爆炸前后的质量差？

2.时间膨胀实验

在原子钟环球航行的实验中，虽然飞机速度远小于光速，但由于测量精度很高，仍然观测到了时间膨胀的相对论效应。

疑点：这个实验只能证明速度对原子钟有影响，或者说对原子的运动周期有影响，不能说明它与时间膨胀有关系，更不能证明相对论效应。比如我们用的机械表做一个实验，夏天由于天热发条的弹性就小了所以就走的慢了，冬天由于天冷发条的弹性就大了所以就走的快了，所以我就证明夏天的时间比冬天的时间快。你同意吗？表的快慢不等同于时间的快慢，更不具有因果关系。

3.相对论力学实验

包括质速关系（惯性质量随物体运动速度的变化）和质能关系（即E=mс2关系）。质速关系是用电子和质子做的，事实上各种高能质子加速器和电子加速器的设计建造都验证了质速关系。质能关系主要是通过核反应来进行检验，精度达到了百万分之三十五。  荷电粒子的电磁偏转实验、回旋加速器的运转、高速粒子飞行时间的测量、原子光谱精细结构分裂的解释等都为质速关系提供了证据。原子能发电、原子弹和氢弹的实现都以质能关系为理论基础。

疑点：从质量和能量的概念上看，质量与速度无关，能量与速度有关，质能要建立E=mс²关系必须有一定的条件和一定的范围。如果光速с恒定不变，那不就是说质量就是能量，能量就是质量了吗？能量不就是比质量大了с²的倍吗？，物理学家们是不是闲着没事干了引入两个物理量。

4.光子静质量实验

有关电子静止质量的实验都没有观察到光子有静质量，因此只给出了光子静质量的上限。对库仑定律的检验给出的上限是 1.6×10^－47克，根据银河系旋臂磁场范围对光子静质量上限做的估计约为10^－59克。

疑点：质量是物体的一种固有性,通常指该物体所含物质的量,衡量物质多少的量，是量度物体惯性大小的物理量。光子是物质就一定有质量，从质量的概念看质量和运动无关，不可能存在静质量和动质量两种质量，这违背质量的概念。

二、广义相对论

广义相对论（General Relativity） 描写物质间引力相互作用的理论。其基础有A.爱因斯坦于1915年完成，1916年正式发表。这一理论首次把引力场解释成时空的弯曲。

1.黑洞

爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出；而多大质量的恒星会塌陷为黑洞则是印裔物理学家钱德拉塞卡的功劳——钱德拉塞卡极限（白矮星的质量上限）。

疑点：大质量恒星会终结为一个黑洞，恒星的存在过程是一个消耗物质和能量的过程，恒星的终结只可能是运动越来越慢，质量越来越少，能量越来越小的过程，而我们现在发现的大多数黑洞，都是高速度高能量、高质量运动，引力非常大，大到连光都跑不出来，所以黑洞只可能是恒星的开始，不可能是恒星的结束，恒星的引力一直都存在，不可能老了老了引力变大了，大到能把自身的物质都吸引到一个奇点上，这不符合哲学。

2.引力透像

有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。

疑点：引力透像可以证明光波的运动轨迹发生了弯曲，可以成多个像，但不能证明宇宙空间就是弯曲的，逻辑上有问题。光子质量为零，引力如何使光波弯曲？

3.时空关系

19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家）麦克斯韦（1831~1879年）电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问。爱因斯坦对这些问题，提出物理学中新的时空观，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立相对论。 狭义相对论提出两条基本原理。（1）光速不变原理：即在任何惯性系中，真空中光速c都相同，为299,792,458m/s，与光源及观察者的运动状况无关。（2）狭义相对性原理：是指物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同。

爱因斯坦的第二种相对性理论（1916年）。该理论认为引力是由空间——时间弯曲的几何效应（也就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量。

疑点：一个虚无的空间怎么和一个人的意识范畴的时间结合还组成了四维？时间t能移动那么它就不能成为坐标，坐标就不能移动，移动就不能称其为坐标了，坐标能移动坐标还有用吗？维和变量是两个概念，不能在函数中增加一个变量，就好像增加了一个维度，这和增加一个维有着本质的区别，这里偷换了维度的概念。

4.水星近日点进动

1859年，天文学家勒威耶（Le Verrier）发现水星近日点进动的观测值，比根据牛顿定律计算的理论值每百年快38角秒。他猜想可能在水星以内还有一颗小行星，这颗小行星对水星的引力导致两者的偏差。可是经过多年的搜索，始终没有找到这颗小行星。1882年，纽康姆（S.Newcomb）经过重新计算，得出水星近日点的多余进动值为每百年43角秒。他提出，有可能是水星因发出黄道光的弥漫物质使水星的运动受到阻力。但这又不能解释为什么其他几颗行星也有类似的多余进动。纽康姆于是怀疑引力是否服从平方反比定律。后来还有人用电磁理论来解释水星近日点进动的反常现象，都未获成功。

1915年，爱因斯坦根据广义相对论把行星的绕日运动看成是它在太阳引力场中的运动，由于太阳的质量造成周围空间发生弯曲，使行星每公转一周近日点进动为：

ε=2⁴π²a²/T²c²（1-e²）

其中a为行星轨道的长半轴，c为光速，以cm/s表示，e为偏心率，T为公转周期。对于水星，计算出ε=43″/百年，正好与纽康姆的结果相符，一举解决了牛顿引力理论多年未解决的悬案。这个结果当时成了广义相对论最有力的一个证据。水星是最接近太阳的内行星。离中心天体越近，引力场越强，时空弯曲的曲率就越大。再加上水星运动轨道的偏心率较大，所以进动的修正值也比其他行星为大。后来测到的金星，地球和小行星伊卡鲁斯的多余进动跟理论计算也都基本相符。

疑点：

（1）爱因斯坦的水星进动公式中的光速c为什么特别强调要用cm/s而不用Km/s,这两个单位可是要相差10^5。

（2）水星的公转与光速有直接关系吗?有因果关系吗？是什么逻辑关系？

5.光线在引力场中的弯曲

1911年爱因斯坦在《引力对光传播的影响》一文中讨论了光线经过太阳附近时由于太阳引力的作用会产生弯曲。他推算出偏角为0.83″，并且指出这一现象可以在日全食进行观测。1914年德国天文学家弗劳德（E.F.Freundlich）领队去克里木半岛准备对当年八月间的日全食进行观测，正遇上第一次世界大战爆发，观测未能进行。幸亏这样，因为爱因斯坦当时只考虑到等价原理，计算结果小了一半。1916年爱因斯坦根据完整的广义相对论对光线在引力场中的弯曲重新作了计算。他不仅考虑到太阳引力的作用，还考虑到太阳质量导致空间几何形变，光线的偏角为：α=1″.75R0/r，其中R0为太阳半径，r为光线到太阳中心的距离。

1919年日全食期间，英国皇家学会和英国皇家天文学会派出了由爱丁顿（A.S.Eddington）等人率领的两支观测队分赴西非几内亚湾的普林西比岛（Principe）和巴西的索布腊儿尔（Sobral）两地观测。经过比较，两地的观测结果分别为1″.61±0″.30和1″.98±0″.12。把当时测到的偏角数据跟爱因斯坦的理论预期比较，基本相符。这种观测精度太低，而且还会受到其他因素的干扰。人们一直在找日全食以外的可能。20世纪60年代发展起来的射电天文学带来了希望。用射电望远镜发现了类星射电源。1974年和1975年对类星体观测的结果，理论和观测值的偏差不超过百分之一。

疑点：

（1）光线的偏角的计算公式α=1″.75R0/r其中R0为太阳半径和r为光线到太阳中心的距离，为什么不用cm了？难道光线的偏角，与光的速度没有关系了？

（2）这个本应和光速有关的公式为什么没有了光速c？也没有了时间t，难道这时的光不在四维时空中了吗？这里真正和光速c有关了，又不用光速c了。

（3）光子的质量为零，还能受到引力作用吗？请问没有质量引力作用什么？

6.光谱线的引力红移

广义相对论指出，在强引力场中时钟要走得慢些，因此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光线，会向光谱的红端移动。爱因斯坦1911年在《引力对光传播的影响》一文中就讨论了这个问题。他以Φ表示太阳表面与地球之间的引力势差，ν0、ν分别表示光线在太阳表面和到达地球时的频率，得：

（ν0 -ν）/ν=-Φ/c2=2×10－6                  

爱因斯坦指出，这一结果与法布里（C.Fabry）等人的观测相符，而法布里当时原来还以为是其它原因的影响。

1925年，美国威尔逊山天文台的亚当斯（W.S.Adams）观测了天狼星的伴星天狼A。这颗伴星是所谓的白矮星，其密度比铂大二千倍。观测它发出的谱线，得到的频移与广义相对论的预期基本相符。

1958年，穆斯堡尔效应得到发现。用这个效应可以测到分辨率极高的r射线共振吸收。1959年，庞德（R.V.Pound）和雷布卡（G.Rebka）首先提出了运用穆斯堡尔效应检测引力频移的方案。接着，他们成功地进行了实验，得到的结果与理论值相差约百分之五。

用原子钟测引力频移也能得到很好的结果。1971年，海菲勒（J.C.Hafele）和凯丁（R.E.Keating）用几台铯原子钟比较不同高度的计时率，其中有一台置于地面作为参考钟，另外几台由民航机携带登空，在1万米高空沿赤道环绕地球飞行。实验结果与理论预期值在10%内相符。1980年魏索特（R.F.C.Vessot）等人用氢原子钟做实验。他们把氢原子钟用火箭发射至一万公里太空，得到的结果与理论值相差只有±7×10^-5。

疑点：引力红移的计算公式中又出现了光速c，看来光子又回到了四维时空，这个公式中的光速c没有强调使用cm/s，看来这时需要使用Km/s了。光子的质量为0，引力如何对它起作用？

物理界的大神爱因斯坦为什么临终前要销毁自己的所有手稿？这是爱因斯坦一生中的最大疑点。