第一节 从相对论质疑说起

　　一、狭义相对论疑问

　　狭义相对论在近代物理中出现得最早，所作出的许多预言都奇迹地与后来的实验符合得很好，因而影响很大，然而我私下认为，它的完备性在近代物理中也是最为欠缺的。下面试从几个方面说明这一问题。

    (1)逻辑循环问题

    狭义相对论用光速不变假设定义时空坐标，但在时空坐标定义之前，用什么定义速度，速度未定义之前，又哪里来的光速呢？从中我们可以看到，狭义相对论的基础并不是十分可靠。

    (2)光速不变原理质疑

    光速不变原理是狭义相对论的两个基本假设之一，其内容是：在所有相对静止或作匀速直线运动的惯性参照系中观察，真空中的光速都相同。换句话说，真空中的光速c是个对任何惯性参照系都适用的普适常数。这一原理在许多人看来已经得到了广泛的实验验证，然则事实果真如此吗？

    1970年以后，人们开始利用激光测量光速，测出光的波长 和频率 ，利用它们与波动速度 的关系（ ）计算出光速。激光测速法大大地提高了测量的精确度，但人们不曾注意到，近距离探测仪器对光子运动状态产生了影响，偷偷地改变了实验结果的意义。实验得出的c并不代表光在真空中的平均速度（ ），也不表明光在真空中的速度恒等于 ( )，而仅仅代表在测量位置、测量方向等特定状态下光的瞬时速度 。也就是说，光在传播过程中速度是否恒等于 （ ?），激光测速法无从考究，如果我们怀疑近距离探测仪器对光子运动状态、运动速度产生了影响，那么激光测速法将严重欠缺说服力。

    人们借助对双星系统运转周期的测量来否定光相对光源恒定的假设，接着就想当然地承认光速不变原理，却没有注意到这里欠缺严密的逻辑推理。双星系统的观测结果­──两颗星发出的光来到地球所需的时间在实验精确度上相等──只能表明两颗星发出的光在来到地球的过程中，平均速度在比较高的精确度上相等，至于传播过程速度是否恒定不变，人们不得而知。而且，如果假定在离开光源的初始时刻光相对光源传播速度为 c，相对地球的速度不相等，经过一段很短的路程运动（传播）后，两颗星发出的光相对地球的速度才迅速地趋于相等（但不一定为 ），由于存在着测量误差等原因，实验结果也是不能否决的。（请读者注意：下文提出的广义相对速度观点正是如此。）

　　(3)超光速质疑

　　如果承认经典时空观，我们可以找到许多理由，说明光速不是速度的极限值，超光速真实存在。

一个转动着的大圆盘，在角速度一定的情况下，不管转动的角速度多小，只要其半径足够大，根据 总可以获得超光速。两个以接近光速相对运动的粒子，其相对速度也大于光速。另外，在宇宙膨胀中，按照哈勃退行系数计算，超光速也真实存在。然而，狭义相对论却根据速度叠加公式  明确地下结论：超光速是不存在的。上述表达式告诉我们，光速加上光速仍是光速，而不可能比光速大一点儿。更为严重的是，3倍光速加3倍光速竟然是0.6 倍光速，比光速还小。这些结论无论如何也是令人难以理解和接受的。无怪乎《经典和近代物理学》的作者说：“狭义相对论提出的许多问题，尽管这些问题某一天会变为科学的，但现在必须叫做哲学的。”

在微观上，经典时空观的超光速也显然存在。电子的自旋是 ，现代实验手段把电子的半径限制在 米以下， 依照这些数据计算得到电子赤道表面的线速度大于光速。──当然，计算过程无意中也承认了经典时空观。

　　 (4)空间收缩质疑

    如图1-1，一根5米长的竹竿，要把它横着过仅为4米的城门， 普通常识告诉我们，那是不可能的。(请注意，“横着过城门”是指竿的两端同时进入城内。) 但如果竿沿着其长度方向平行于城门以 的速度紧贴着城墙运动，根据狭义相对论尺缩效应公式 计得竿的长度缩短为3米，而城门的宽度不变，仍为4米，当竿飞行到城门前的一瞬间，用力把竿向城门的方向一推，它就可以进入城门内了。

    上面是以城门作静止参照物分析的结果，以下让我们以竿作静止参照物。站在竿上看，可以看到城门以 的速度飞过来，根据尺缩效应公式，竿的长度不变，仍为 5 米，而城门的宽度却缩小了，变为2.4米，当然，5米长的竿不能横着过2.4米宽的城门，这是我们站在竿上得到的结论。然则事实上，竿究竟能不能横着过城门呢？这是佯谬所在。

    关于空间收缩的臆想实验，许多书籍都有所提及。一些比较率直的作者说，通过一些分析不能使我们获知事实答案，却使我们懂得一些相对论知识，这是可能的（如《经典和近代物理学》（四））；然而更多的作者是在一大篇“深奥”的数学运算后，糊里糊涂地告诉读者，答案是唯一的，即竿能横着过城门（如《时空物理纵横》）；另外一些作者则干脆告诉读者，狭义相对论并没有说任何惯性参照系都能同样好地解释实验结果（因此，我们不应该期望从众多的参照系中考察同一物理事件）（如《物理世界》）双胞胎佯谬是一个非常著名的问题。为了讨论的方便，我们用两个完全相同的时钟代替双胞胎兄弟。两钟调整同步后， 钟留在地面， 钟随飞船以接近 的速度高速离开地球，拜访某星球以后回到地球，讨论的问题是两钟重新在一起时，哪个钟的读数较小。下卷）。

    (5)时间延缓质疑

以 钟和地球作静止参照物， 钟高速运动，根据时间延缓公式 ，显然 钟的读数较小。以 钟作静止参照物，观察到的现象是 钟和地球一起做加速运动，然后以很高的速度离开 钟，最后又回到 钟身边。由于作高速运动的是 钟， 钟一直静止着，因此 钟的读数较小，这也似乎是显然的。

然而绝大多数物理学家告诉我们，上述以 钟作静止参照物得到的答案是错误的，理由主要是加速运动会出现附加的力，对钟摆的振动周期等物理量产生影响。也有一些人根本无须考虑加速运动因素，只要花上半瓶墨水便也能告诉读者，以 钟作静止参照物的结论也是 钟的读数较小（如《时空物理纵横》）。

依我看，双胞胎怪论只要抓住一点，便可以找到问题的症结，即加速运动只会暂时地改变钟摆的运动，不会改变钟摆的性能，假定拜访的星球离地球很远很远， 钟匀速运动的时间 就很大很大，而其加速运动的时间 是不太大的， ，从而可以忽略 时间内加速运动对整个运动过程的影响，所以说，以 钟作静止参照物的分析也是允许的。

狭义相对论允许我们忽略宇宙中参照物以外的物质的影响，双胞胎怪论问题可以进一步简化，认为宇宙中只有两个钟存在， 钟和 钟观察到的现象完全相同了，于是下的结论都只能是对方的时间延缓。

    有些作者根据高速运动的粒子衰变周期变慢这一事实得出结论：简化前系统中， 钟的时间走得慢。然而我要指出，这是由事实导出事实，而不是由事实导出的理论（狭义相对论）直接导出事实，作出预言。因此可以说，狭义相对论是不完备的。爱因斯坦说：“物理学中没有任何概念是先验地必然的，或者是先验地正确的。唯一地决定一个概念的‘生存权'的是它同物理事件（实验）是否有明晰的和单一而无歧义的联系。”这里引用爱因斯坦的话来指责他的部分理论，我相信这位尊敬的理论物理大师能够原谅我对科学的虔诚。

此外，狭义相对论的不完备性还表现在它与广义相对论的某些不协调性。前者排斥以太或者场，后者却以以太或场为基础；前者认为光速是普适常数，后者却认为光速是一个与引力场强等量有关的变量；前者否决参照物以外物质对其它物质的影响，后者却认为物质的惯性、质量等许多属性都来源于全宇宙物质的影响。

　　二、广义相对论瑕斑

　　广义相对论的深奥性使得包括笔者在内的许多人难以理解，但就笔者能够理解的部分来看，它与本书思想体系的关系是十分有趣的。它利用场概念把相对性原理推广到整个基本物理理论体系，整体考察全宇宙物质对其中部分物质的影响，使得理论物理迈到了前所未有的广度和深度，这正是其成功和重大意义所在。在下文中，读者不难发现本书思想体系与广义相对论存在着密切的相关性。事实上，在我探索过程中，便发现自己得到的一些结论早已被广义相对论作出了预言，我感到惋惜，但更感到高兴，因为它说明我的思想体系极有可能是正确的，这大大地加强了我发展这一场思想体系的勇气。

　　然而，广义相对论也有瑕斑：水星每百年近日点进动的观测值是 ，广义相对论的理论值是 ，偏差了 。虽然这些偏差有可能因为太阳风、潮汐效应等原因而存在，但在找到确切原因之前，我们仍然可以认为这就是广义相对论的瑕斑，也就是说，广义相对论的正确性仍然有被怀疑的可能。

　　尽管我崇拜广义相对论，崇拜广义相对论整体考察全宇宙物质对其中部分物质的影响，崇拜广义相对论把引力和惯性如此密切地联系起来，但我不愿意接受它那悔涩的时空观，而在试图寻找一种简单明了的理论来取代这一令人敬仰的理论，更可况，就目前而言，广义相对论也有那么一点点的瑕斑。

    三、量子力学疑难

    量子力学作为近代物理的两大支柱之一，它在现代物理体系中地位非同小可，特别是它在微观世界的成功更是任何其它理论不能代替的。但量子力学到目前为止还是不完善的，因为它还有疑难，主要表现在量子力学的早期贡献者爱因斯坦和量子力学大师玻尔争论的三个方面：

    （1）物理实在质疑

    玻尔认为，在微观领域，由于研究对象的差别，对物理实在观念可以作出修正，忽略独立的物体实体，而强调可观测的量就行了。而爱因斯坦则表示，不应当满足于对可观测的量的描述。笔者赞同爱因斯坦的观点，物理学总在不断地发展着，今天不能观测的量，明天便可能被检测出来，而且，只有不满足于现状，不断寻求，才可能更深层次地发现自然奥秘。

    （2）概率论（因果性）质疑

   “概率”这一概念在量子力学中占有非常重要的地位。量子力学认为，微观世界发生的某一件事不是决定性的，也就是说，同一原因可以出现不同的结果，只有运用统计意义上的几率才能正确地描述微观物理事实。爱因斯坦对原子事件服从于偶然行径的规律表示怀疑，认为量子力学是过渡性的。他喜欢说，不能想象上帝在抛殿子。他深信，将会有一天，物理学家们找到更深刻的物理定律，揭示出微观形态最古老的因果关系。

　　因果律在哲学和科学中反复被证明了，同样的原因引起同样的结果，应该是无可厚非的，就连最正统的量子力学物理学家也不得不承认，如果知道相关的全部因素，唯一的结果应该是必然的，微观世界也同样。所以概率的存在可能是因为波函数还没有包含全部信息，微观粒子（如电子）也许还具有某种我们尚不知道的内部结构。

　　法国哲学家巴赫说：“宇宙只不过是一条原因和结果的无穷锁链。”爱因斯坦和玻尔之间的争论，尽管现代物理学家基本承认玻尔的几率理论，但也有一些人在某种程度上承认了量子力学的不完备性，觉察到爱因斯坦观点的发展前景。《从古代物理到现代物理》的作者写道：“应该说，以玻尔为代表的量子力学，是目前能够给出的最好的理论，而随着人们的进一步深化，量子力学的发展，很可能又回到爱因斯坦坚持的决定论中去。”

    （3）信息传递速度质疑

　　量子力学认为，粒子间传递信息不需要时间，如果在某处测量某一粒子，位于极远距离以外的另一粒子（如由电子对产生的光子对）会突然改变自己的状态。场论认为，应该突出物质分布的连续性，把间断性包含在连续性之中，粒子间传递信息通过场（物质存在的另一种形态）的连续性作用传递。因此，似乎场论和量子力学在这方面的观点是不相容的，这就引出了一个问题，即我们如何提出一些理论，协调场论和量子力学，使得它们可以同时出现，又能够确保物理事件的正确分析。