|
相对论的核心不是光速不变，而是万物平等
前言
相对论里的各种公式计算出的结果已被许许多多的实验所验证。 例如，其中最重要的洛仑兹时空变换公式得出的运动时钟变慢和尺子变短已被很多实验所验证。但是，利用某某公式计算出符合观察的结果不等于就理解其背后的原理。目前存在的问题是如何理解和解释相对论。相对论的核心是光速不变还是其它？是光速不变造成运动时钟变慢和尺子变短还是运动时钟变慢和尺子变短造成光速不变？还是都不是？
相对论的核心不应该是光速不变，而是万物在物理定律下皆平等。光速不变，运动时钟变慢和尺子变短等等结果皆可用该核心原理去解释。用光速不变作为核心来解释相对论，容易造成概念不清，逻辑混乱。一百多年来已造成物理学界及大众许多困惑和不解。同时也造成许多人认为相对论是错误的，或不断提出质疑。甚至在历史上，俄国，德国，中国曾都出现批判相对论的浪潮。
搞不懂相对论的另一个极端就是对自己能力的怀疑，进而导致盲目崇拜天才。当一个理论使许多大众搞不懂时也容易造成个人崇拜。反正自己搞不懂，那么就相信创立这个理论的科学家们吧。但是历史上相对论的创立有许多科学家的贡献，记住这些科学家的名字很困难，搞清谁是谁的贡献又很麻烦，许多媒体的宣传干脆把其他科学家的贡献统统归功于爱因斯坦一人，把错误统统归于其他科学家，只有爱因斯坦是正确的，其他人都错了。这既不符合事实，也不公平，容易误导大众。造成这个结果的原因往往是某些媒体误导大众，这并不是某某科学家的错误。
历史上还没有人可以一步建立一个完善的科学理论，不需修正。历史上也还没有出现一个科学家只有他一人正确，其他科学家都错了。科学是由许许多多的科学工作者的不断努力，相互不断修正，相互不断完善，相互不断推动而发展的。相对论理论的发展史就是一个很好的例子。维基百科有一篇较完整狭义相对论的发展史。
当一个理论造成许多人困惑和质疑时，往往暗示着该理论中存在某些概念混淆或逻辑不清。而这些恰恰为后人提供了一个不断修正和进一步发展该理论的机会。
什么是相对论的核心
定义相对论根本不需要光速不变作为核心之一，它的核心只需要相对性原理。该原理最早由伽利略根据已观测到的动力学现象提出来的假设，是物理学的基本原理。该原理提出物理定律在一切惯性参考系中具有相同的形式，任何动力学实验都不能区分绝对静止和运动，所有的运动是相对的。当时人类对动力学的认识很少，直到牛顿之后。当时对电磁学根本不知道。所以之后由庞加莱于1904年将该原理推广到电磁学和其它所有的物理定律。但这不应该认为是纠正了伽利略的错误，而只是个简单的推广。推广后的相对性原理为：任何物理实验都不能区分绝对静止和运动，所有的运动是相对的，所有的物理定律在一切惯性参考系中都是相同的。
推广后的伽利略相对性原理可以通俗地理解成万物在物理定律下皆平等。具体来说，对任何观察者，在任何时间、任何地点，不管其运动速度，只要没有加速度，物理定律对该观察者来说都是一样的。或者来说，如果该观察者换一时间，或换一地点，或变化一下速度后，物理定律仍保持不变。世间万物皆受物理定律约束。但是，不管任何时间，任何地点，任何运行速度，约束万物运行的物理定律却不变。这才是相对论的核心。而没有加速的观察者在物理学中称为惯性参照系。
万物皆平等的重要性
一般人在学习相对论时对相对性原理的印象是有个趣的物理现象。譬如，在飞机火车或轮船上，不管它们动与不动，只要它们没有在加速或减速，抛向头顶上方的物体永远落在脚下，不管乘坐的飞机火车或轮船动与不动。如果物理定律随着飞机火车或轮船的速度变化而变化，抛向头顶上方的物体我们将不知道将落向哪里，而我们平时掌握的经验将无法使用。
但物理定律不变的实际意义要远远大于此。由于物理定律决定所有的原子分子结构与特性，及其运动规律。如果它们随时间地点和运动速度的变化而变化，则世间万物皆将处于一片混乱，而所有的生命将不复存在。这是由于所有的生命是由蛋白分子构成的，这些构成生命的蛋白分子就像构成汽车的零件。物理定律的变化将导致蛋白分子的结构与特性的变化，这将使得它们不能合在一起构成生命。抛向头顶上方的物体是否落在前面后面或脚下，相比之下就不是很重要了。
试想如果物理定律1,000年前和现在不同，那么1,000年前的DNA码现在还能用吗？如果物理定律白天与晚上不同，冬天与夏天不同，那么地球上生命还可以形成吗？如果地球与月球的物理定律不同，人类还敢登月吗？如果不同，问题不简简单单是抛向头顶上方的物体是否落在前面后面或脚下，而是构成生命的蛋白分子就有可能变性和瓦解，而那时宇航员生命就有可能不保。
再例如，地球的自转造成我们白天和晚上相对太阳的速度不同。试想如果物理定律随着地球表面的速度变化而变化，则我们白天的物理定律将和晚上的不同。 其结果就有可能造成白天的红光晚上变成绿光，白天的交通红灯晚上变成绿灯，导致晚上的交通大乱。再试想如果有时水零度结冰但有时则１００度结冰是因为物理定律随空间时间和速度的变化而造成的，别说饭做不了，就连生命都不可能在水中形成。
从相对性原理到极限速度不变
从相对性原理可以直接推导出极限速度不变，而从它就可以推导出洛仑兹时空变换公式。这里根本就不需要光速不变的假设，光速变与不变该原理都成立。
根据相对性原理，任何惯性系统皆平等。那么物理定律在任何惯性系统中运行的结果也是一样的，只要初始条件相同。譬如，在一惯性系统K中，有一静止的物体发出一束光，其传播速度为c。根据相对性原理，在任一其它惯性系统K'中，任何静止的物体发出的光的传播速度，在该惯性系统K'中仍为c。
如果在一惯性系统K中，有一物体是以速度v匀速运动并且在运动方向发出一束光。若其传播速度为c’，根据相对性原理，任一其它惯性系统K'中，任何以同样速度v匀速运动物体并且在运动方向发出一束光，则其传播速度在该惯性系统K'中则为c’。c可以等于c’，也可以不等于c’，都不违反相对性原理。换句话来说，光速变与不变都可以不违反相对性原理。c是否等于c’要靠实验说话。同样，不同频率的光的传播速度是否一样，也要靠实验说话。这时，光速变与不变也都可以不违反相对性原理。
因为在任何惯性系统中物理定律保持不变，则这些物理定律所表现的特性也是一样的，譬如极限速度。极限速度定义为所有物体运动时或波传播时所能达到的最大速度。它可以是无穷大，也可以是一有限值。根据该相对性原理，如果极限速度在某一惯性系统中为无穷大，则在所有其它惯性系统中也为无穷大。如果极限速度在某一惯性系统中为一有限值c，则在所有其它惯性系统中也为同样的有限值c。
如果有一任何物体或波在一惯性系统以极限速度c运动或传播，那么，该物体或波在其它惯性系统中同样也是以极限速度c运动。换句话来说，任何以极限速度c运动的物体或波相对于任何惯性系统来说永远是极限速度c运动。极限速度无以复加。否则，如果极限速度可以通过速度叠加而突破，那么极限速度将不再是极限速度。同样，换另一个参照系来看，极限速度无以复加就成了极限速度无以复减。但是，其它任何小于极限速度的速度都可以通过速度叠加而增加。只要叠加的速度小于极限速度，则叠加后的速度必小于极限速度。
由此可以得出结论：当一物体或波在任何惯性系统中其速度都不变时，这只能说明该物体或波是以极限速度运动。因为目前发现光速相对于任何观察者，在目前测量仪器所能达到精确度之内都不变，这说明光极有可能是以极限速度运动传播的。
如何从极限速度不变推导洛仑兹时空变换公式
前面已说明，极限速度不变只需要假设相对性原理成立。而从极限速度不变就可推导出洛仑兹时空变换公式。把光速不变作为核心，逻辑上没有必要也不合理， 因为光速变与不变相对性原理都可成立。另外，到目前为止也并没有任何实验完全验证光速绝对不变。譬如在一百万光年的尺度，光速还是不变的吗？同时也没有物理实验可以达到无穷高的精度以保证两个测量出来的结果是完全绝对相等的。当利用光速不变去推导洛仑兹时空变换公式时，容易造成许多人的困惑和不解。从极限速度不变出发去推导出洛仑兹时空变换公式时，可以修正过去相对论理论中逻辑的不合理和假设的不可靠，以便后来人正确理解相对论。
洛仑兹根据迈克耳孙－莫雷的光速不变实验，于1904年首先提出洛仑兹时空变换公式。爱因斯坦在1905年根据光速不变原理再次推导洛仑兹时空变换公式。现代许多物理学教科书都有不同的推导方法。所有这些推导过程都可以用来从极限速度不变推导出洛仑兹时空变换公式。这里面只需要把光速替换成极限速度，推导的数学过程是一模一样的。结果相同但概念和过去不同。以前是以光速不变为前提，后者是以极限速度不变为条件。前者推导出的方程里的常数c是光速，而后者里的常数c是极限速度。
洛仑兹时空变换公式与极限速度不变
洛仑兹时空变换公式是两惯性参照系的时空坐标的线性变换方程。具体来说，如有两惯性参照系K和K'，K的时空坐标为(t,x,y,z)，K’的时空坐标为(t’,x’,y’,z’)。如K'沿K的x轴方向以速度v平移，则洛仑兹时空变换公式为：
-
t’=γ(t-vx/c2)
-
x’=γ(x-vt), y’=y, z’=z
这里c是极限速度，γ是洛仑兹因子， 。
其反变换为：
-
t=γ(t’+vx’/c2)
-
x=γ(x’+vt’), y=y’, z=z’
若两惯性参照系的时空变换满足洛仑兹公式，当有一物体或波在第一个惯性参照系中以极限速度c运动或传播时，不管该速度为无穷大或为一有限值，那么该物体或波相对于另一个惯性参照系，其运动或传播速度仍为极限速度c。
如何测量极限速度
极限速度可以用许许多多实验的方法来确定，其中包括利用静止物体发出的光速与极高速物体发出的光速的比较。只有完全确定这两个速度完全相等时，才可以用光速去替代极限速度。另外，利用相对论速度叠加公式，也可以用其它物体或基本粒子的运动去测量极限速度。
根据洛仑兹时空变换公式，相对论速度叠加公式为：
w=(u+v)/(1+uv/c2)
当极限速度c为无穷大时，也就是当没有极限速度时，w=u+v。该公式是经典速度叠加公式。
当u和v远远小于极限速度c时：
w≈u+v
也就是在这种情况下，可以用用经典速度叠加去近似相对论速度叠加。
从相对论速度叠加公式可以直接得出：
当u和v远远小于极限速度c时，上面计算极限速度的公式所得出的结果可能不准确。当u或v有一个接近或等于极限速度c时，上面计算极限速度的公式所得出的结果可以比较准确。当u和v都接近或等于极限速度c时，该公式可以准确得出极限速度。
在测量极限速度的实验中，我们可以用任何物体或基本粒子的速度叠加去测量极限速度。例如，可以用光子，电子，中子，中微子，氢原子等的速度叠加去测量极限速度。当然，用光子是最方便的。但是，当用其它物体或粒子同时去测量极限速度时，可以对比结果的一致性来验证相对论。也就是说，任何物体或粒子所测量出来的极限速度必需一致。否则，相对性原理不成立。
例如，当用电子的速度叠加测量出来的极限速度和光速不一样时，则宣布相对性原理被打破。这时，整个物理学都需要一个彻底的大修改。这是因为任何一个自然科学理论都需要不断的实验去验证，但只需要一个实验去推翻。过去的相对论实验太注重光速的测量，忽略了其它粒子的极限速度的测量。其实只有测量所有物体和基本粒子的极限速度后，才可以近一步验证相对论。
物理学是实验科学，只有实验可以断定结论，不能用公式推导来断定结论。换句话来说，我们不能仅仅用光子的极限速度来断定所有基本粒子和其它物体的极限速度。它们有相同的极限速度只是个根据相对性原理推导出的结论。只有实验才可以近一步验证这个结论，其中包括本节给出的实验方法。简单来说，实践是检验真理的唯一标准。任何专家的断言，天才的学说都不能作为标准。在科学实践面前，人人平等。
学习任何自然科学时要分清那些是假设，那些是推论，那些又是被实验反复验证过的假设或推论。假设到推论必须逻辑上正确，同时假设和推论在数理逻辑上可以互换。但是，物理机制上的原因和结果不可互换。光速不变不是时钟变慢尺子变短的原因。同样，时钟变慢尺子变短不是光速不变的原因。虽然我们可以在数理逻辑上用公式相互推导，但这并不代表光速不变是时钟变慢尺子变短的原因。从物理机制上来说，它们都是结果。
光速不变概念的常见误区
通常的光速不变有两个含义：
-
在所有惯性参照系中，只要发光物体的速度相同，则发出的光的速度是一样的。譬如，相对于任何惯性参照系静止的发光物体所发出的光的速度是一样的。又譬如，相对于任何惯性参照系沿x轴方向以速度v移动的发光物体所发出的光的速度也是一样的。
-
在一固定惯性参照系中，光速与发光物体的速度无关。换句话来说，发光物体的速度与光速不叠加。
光的运行规律只要满足第一项则满足相对性原理。第二项只与极限速度有关，需要实验去验证。第二项是第一项的特例。
迈克耳孙－莫雷实验只与第一项有关。这是因为在该实验中，发光物体相对地球是静止的。也就是说，地球是被当做一惯性参照系，而相对于该参照系，发光物体的速度为零。该实验的零结果只说明光的运行规律满足相对性原理。不能说明上述第二项。而第二项是根据Maxwell方程推断出来的。当然，Maxwell方程是根据观测电磁实验总结出来的。
爱因斯坦在1905年相对论论文中假设第二项， 既不准确也不合理。这是因为相对性原理的成立不需要假设第二项，只需要第一项。从逻辑上来说，相对性原理只需要满足第一项，第二项满不满足没关系。同时，当时还没有一个实验可以确定当发光物体运动时所发出的光的光速绝对不变。直到目前也没有实验可以100%确定。实验的困难是，假设光速非常接近宇宙极限速度而不是相等，只有非常接近宇宙极限速度的发光物体所发出的光才有可能与静止物体所发出的光的速度有非常微小的差别。平时，就连飞速的子弹的速度与光速还差30万倍，所以只有测量到接近光速的高能粒子所发出的光才有可能确定第二项。即便如此，还没有实验可以达到无穷高的精度以保证光速在发光物体运动速度变化下绝对不变。
同样，直到目前为止也没有实验可以100%确定Maxwell方程无比精确。所以，根据该方程组得出的光速不变只能说明在可观测的电磁学实验精度范围之内，得出的Maxwell方程推导出的光速不变。
物理定律不变需要解释吗？
如何描述物理定律不变只解决什么是相对论。它并不等价于相对论的解释。爱因斯坦在他的１９０５相对论文章中把光速不变提升为公理只是为了讨论的方便，并不是说爱因斯坦解释了为什么光速不变。目前还有一些学者认为爱因斯坦把光速不变提升为公理解释了为什么光速不变。这是个概念错误。数学理论可以提出公理，不需要证明。但是物理学不能这样做。物理定律不变是需要解释的。只是如何描述相对性原理是不依靠如何解释它的理论的发现。只不过发现它的解释后有可能使得如何描述它变的更简单，更准确，更好理解。
大自然是如何实现相对性原理的
这仍然是一奥秘，是个自然界未解之谜。人们对其中机制知道得很少，没有人知道其背后的机制。当然理解它对物理学的进一步发展非常重要。物理定律不随时间地点和运动速度的变化而变化是自然界一个奇妙的设计，是一种物理定律在洛伦兹时空坐标转换下的对称。而这一对称是由庞加莱首先提出的。这种对称在理解相对论中非常重要。
结术语
相对论一百多年来造成许多大众困惑和不解的原因是错误的把光速不变作为核心之一。这在逻辑上是错误的，实验上也不完全可靠。相对论的核心应是万物在物理定律下皆平等，在物理学中称为相对性原理。描述该原理的关键是以洛仑兹为命名的时空坐标线性变换及其变换下的物理定律不变。光速变与不变都不违反这一原理。这一核心是保持宇宙中所有的原子分子有稳定的结构和特性的必要条件。只要物理定律不变，则原子和分子的结构与特性不变，万物运作规律不变。否则世界将沦为混乱与无序，所有的生命将不复存在。
一百多年来许多大众错误地把光速不变、运动时钟变慢、尺子变短和运动质量加大作为相对论的重点，可是这些都不是重点，另外，这些现象在现实生活中都可以忽略不计。而相对论真正的重点是宇宙中构成万物的所有的原子分子在任何时间、任何地点、以任何运行速度都保持结构和特性不变。在地球上的任何脚落，在月球、火星、水星、和木星上，在宇宙的任何角落，所有的氢原子都是一模一样的，所有的水分子也都是一模一样的。一亿年前所有的氢原子和现在所有的氢原子一模一样。现在所有的水分子也将和一亿年后的所有的水分子一模一样，不管宇宙是在膨胀或是在收缩。这才是相对论的重点，这才是大自然的奥秘。
| 
