摘要　本文通过对一些实验的分析，讨论了狭义相对论是否存在实验基础。

　　关键词　洛伦兹变换，相对论，时间膨胀

　　中图分类号：042.1 文献表识码：A

　　狭义相对论问世已有近百年了，狭义相对论的实验基础是什么？狭义相对论有没有实验基础？这些问题始终叫人感到不甚了然。有些物理学家认为“人们反复不断地采用各种新的实验方法和测量技术进行了观察，为这个理论（指狭义相对论）提供了丰富的实验证据[1]，”并把所谓的能证实狭义相对论正确性的实验如数家珍似的列举了一遍：迈克尔逊--莫雷型实验、原子钟的环球航行实验、飞行介子的寿命延长……。这些实验能不能用来证实狭义相对论？这些实验究竟说明了什么？这值得人们细细的推敲。

一、浅述时间膨胀的绝对性与相对性

　　为解释迈克尔逊--莫雷型实验的零结果，洛伦兹提出了在运动惯性系内时间膨胀、空间收缩的假说。洛伦兹认为以太是存在的，时间膨胀效应只会发生在相对于以太运动的钟上而不会发生在静止于以太的钟上。

　　假设 是静止于以太的优越参考系， 是相对于以太运动的参考系，某两个事件的时间间隔被 系内静止的钟记为 ，被 系内静止的钟记为 ，根据洛伦兹变换式可求得 和 之间的关系：

　　 （1）

　　由于 是由 系内静止钟所记录的，对于这个钟而言显然有 ，所以 和 之间的关系可更简单地表示为：

　　 （2）

　　洛伦兹借助以太把(1)式转化成(2)式，许多精度很高的实验已证明(2)式是正确的。在洛伦兹的假说中相对于以太运动的钟“真”的走慢了，洛伦兹对时间膨胀效应赋予了绝对性。

　　爱因斯坦在狭义相对论中对洛伦兹变换式的物理意义重新作了解释。爱因斯坦认为优越的参考系是根本不存在的，如果两个有相对运动的惯性系 和 ， 和 中的观察者都可以认为自己是静止的对方是运动的，都可以认为对方的钟发生了时间膨胀，即时间膨胀是相对的。

　　洛伦兹依靠以太完成了(1)式向(2)式的转化工作，爱因斯坦在狭义相对论中是如何完成这项工作呢？为使 ，以消去(1)式中的后一项，爱因斯坦明确指出，在测量过程中惯性系 内必须安放无数个钟，用这无数个钟同 系内的一个固定的钟相比， 系内的观察者会发现 系内的钟变慢了，反之亦然[3]。爱因斯坦用这种方式完成(1)向(2)式的转换。根据爱因斯坦的观点，观察到时间膨胀效应必须有两个先决条件：其一，两个惯性系必须有相对运动；其二，在测量中观察者必须用自己参考系中的无数个钟和另一个与自己有相对运动的惯性系内一个固定的钟相比较，才会发现对方钟走慢了。没有这两个条件根本不可能观察到时间膨胀。在狭义相对论中时间膨胀并不意味着钟“真”的走慢了，时间膨胀是在测量过程中发生的[2][4]。

　　对时间膨胀的解释物理学界始终存在两种针锋相对的观点：洛伦兹认为时间膨胀有绝对性，而爱因斯坦则认为时间膨胀是相对的。由于以太在解释一系列物理实验过程中遇到了麻烦，洛伦兹假说倍受冷落，而狭义相对论则得到追捧。受到追捧的狭义相对论是否经过了实践的检验以及是否经得起实践的检验，这是本文以下所要讨论的内容。

二、狭义相对论是否有实验基础？

　　现对验证狭义相对论的一系列实验进行分析。验证时间膨胀最经典的实验是对运动μ介子半衰期变化情况的观察[1 ]。一些物理学家在宇宙射线中看到了相对于地球以0.995c速度运动的μ介子半衰期延长了，于是就认为狭义相对论所预言的时间膨胀被证实了。其实这个实验充其量只是证实了在地球上静止于地球的钟走得最快，钟相对于地球运动速度越大走得越慢，这丝毫也说明不了时间膨胀有相对性。在观察者还没有站到以0.995c高速运行的惯性系上，也并没有在这个高速运动的惯性系中同样看到静止于地球的μ介子半衰期也延长的情况下，又怎能说这个实验证实了相对论的正确性呢？

　　用来验证相对论的另一个很有名的实验是Hafele和Keating在1971年做的[1]。Hafele和Keating把铯原子钟分别放在地面和飞机上，据说飞机向东绕地球一周返回地面，飞机上的铯原子钟比地面的慢，而飞机向西绕地球一周返回地面，飞机上的铯原子钟比地面的快，最后的结论是在误差的范围内实验结果与相对论的预言相符合[1]。无论是Hafele还是为Hafele实验叫好的物理学家，似乎都没有发现这个实验完全违反了狭义相对论：一、 Hafele没有用自己参考系内无数的钟与相对于自己运动的另一个参考系内一个固定的钟相比较，因此这个实验如何完成从(1)式到(2)式的转换工作？对此Hafele本人未作交代，为这个实验叫好的物理学家也未作解释。二、Hafele把静止于地球的钟和曾经相对于地球运动过的钟放在同一个惯性系中进行比较，这说明他并不是在两个参考系有相对运动的情况下去观察时间膨胀效应，而根据狭义相对论时间膨胀效应是相对的、是在测量过程中发生的，因此在两个惯性系没有有相对运动的情况下不会有时间膨胀效应。但Hafele却声称，他在实验中不仅观察到了这个效应，而且还得到了相对论所预言的结果，这倒是令人奇怪的。

　　Hafele实验确是属实的话，它所产生的结果必须引起人们的高度重视。因为这个实验至少已说明了以下几点：

　　1． Hafele发现相对于地心坐标系运动的钟走的慢，静止于地心坐标系的钟走得快，这已清楚地证明了时间膨胀具有绝对性，因而实验的结果同狭义相对论的结论恰好相反。

　　2． Hafel没有在自己参考系内设置无数个钟也没有在两个参考系没有相对运动情况下观察到时间膨胀效应，可见出现时间膨胀效应并不需要爱因斯坦所提出的先决条件。

　　3． 按照狭义相对论时间膨胀并不涉及到原子内部某种神秘的过程，是在测量过程中发生的[2]，Hafele并没有在钟运动期间作过任何测量，只是在运动的钟停止运动后，Hafele从钟的读数上发现钟在“运动”（此处运动指的是相对于地心坐标系的运动）期间真的走慢了，这恰恰说明在运动钟内部原子的周期性运动会变慢（因为Hafele用的是铯原子钟）。

　　Hafele的实验足以给狭义相对论的正确性打上一个大问号。一个似乎已否定了相对论的实验却被当成说明相对论正确性的真凭实据来摆弄，这样的怪事在相对论的研究中屡屡出现。一些物理学家在使用相对论结论的时候往往都忽略了产生这个结论的前提，而没有这些前提也就决不会有相对论以后的一切结论，把违反相对论基本原理的实验用来证实相对论这似乎成了一些人的通病。物理学界之所以有不少人认为相对论已被实验所证实，原因在于他们错误地把发现时间膨胀效应的实验一概视为狭义相对论的实验基础。他们似乎不明白，时间膨胀是由洛伦兹提出的，洛伦兹和爱因斯坦的分歧在于前者认为时间膨胀有绝对性而后者认为时间膨胀有相对性，因此只有时间膨胀效应而并未能证实这种效应具有相对性的一切实验，根本不能用来证实相对论是正确的；他们似乎不明白，实验只有在完全符合爱因斯坦所提出的两个先决条件的情况下才能去证实时间膨胀的相对性，目前在文献中所能查到的实验没有一个符合爱因斯坦符所提出的要求，这些实验充其量只能能证实时间膨胀是存在的并且具有绝对性，根本谈不上去证实相对论有什么正确性。

　　限于篇幅，笔者无法把所有实验在此一一列举。著名物理学家康特（W. Kantor）在剖析用来证实相对论的六十多个实验后指出：这些实验全都基于无效的逻辑或错误的方法。通过以上讨论，笔者同样发现狭义相对论并无任何实验基础。

三、用加速度无法解释狭义相对论中的疑点

　　验证狭义相对论的实验大多数都是在地球上做的，物理学家通常都是以地心为原点建立坐标系并进行实验。遗憾的是到目前为止实验只能证实静止于地心坐标系的钟走快，相对于地心坐标系运动的钟走得慢，实验只显示出时间膨胀的绝对性。

　　一些物理学家断言时间膨胀的绝对性是由加速度造成的[6]，想以此来缓解狭义相对论在理论上、实践上所存在的矛盾。这种观点是否站得住脚暂不加以讨论。但必须指出的是，狭义相对论所阐述的是时间膨胀的相对性，某些物理学家想用加速度来解释的是时间膨胀的绝对性。即使加速度能引起的绝对性的时间膨胀，这同狭义相对论也是毫不相干，因为狭义相对论从不讨论加速运动，狭义相对论并不认为时间膨胀是绝对的。时间膨胀的相对性究竟存在不存在？究竟有没有被实验所证实？这是狭义相对论所不能回避的问题。加速论者并不想去着手解决这些问题，而是力图把讨论的议题从时间膨胀有没有相对性转移为时间膨胀的绝对性是如何形成的，这似有偷换概念之嫌，这样做对于弄清事实的真相没有任何一点好处。况且直到现在为止还没有一个数学公式、没有一个实例可表明加速度同钟周期延长有确切的联系，把时间膨胀绝对性归于加速度的论点能不能成立本身还是一个问号，因此要靠加速论去解释狭义相对论中所出现的疑点既不可能也不现实。

　　加速论者虽然在喋喋不休地解释两个有相对运动惯性系之间的对称性是如何被加速度破坏的，但却拿不出这种对称性得以成立的任何事实依据。时间膨胀、空间收缩的相对性根本无法在任何实验中有效的演示出来充其量只是体现了爱因斯坦丰富的想象力，这是一个不争的事实。现代物理学确实是处在一个两难的境地中，洛伦兹假说虽然受到以太困扰但洛伦兹所提出的时间膨胀的绝对性却为实验所证实，而狭义相对论虽避开了以太的困扰但时间膨胀的相对性却始终得不到实验的认同。洛伦兹的假说确实存在一些问题，但这并不能反证狭义相对论就一定是正确的。认为狭义相对论能使我们摆脱困境的想法，纯粹是自欺欺人。合理地解释时间膨胀效应，必须进行新的探索。为此笔者曾撰文指出，承认在宇宙局部空间里优越坐标系是存在的，这有助于物理学从这两难的困境中走出来。笔者认为优越的坐标系是同引力势场联系在一起的，在优越的坐标系内物体是运动还是静止的具有明确的意义。静止于这个优越坐标系的观察者会发现运动惯性系内时间膨胀、空间收缩，而相对于这个坐标系运动的观察者会发现静止惯性系内空间膨胀，时间收缩，两个存在相对运动的惯性系通常情况下并不具有对称性。笔者还曾提出了对上述观点进行验证的实验方案[7]。

　　四、狭义相对论可用实验来验证吗？

　　狭义相对论已被实验证实了吗？根据以上的讨论我们只能得出否定的结论。接下来的问题是狭义相对论能用实验来验证吗？在物理学界确实有一种意见认为相对论是无法用实践来检验的。理由是身处两个惯性系中的观察者是永远无法碰头的，因为这涉及到参考系要拐弯，而参考系一拐弯就有加速度，就不再是惯性系了，而狭义相对论只适用于惯性系[5]。平心而论，这是这段话倒是十分符合相对论的“原汁原味”。但这也使人感到奇怪，既然两个惯性系中观察者是永远无法碰头的，那么人们用什么方法才能知道这两个惯性系中的观察者都会发现对方发生了时间膨胀、空间收缩的效应呢？时间膨胀、空间收缩的相对性究竟是伟人的一种“直觉”还是一种科学的理论？这值得人们深思。

　　 结束语

　　本文的结论是狭义相对论无任何实验基础可言。任何人只要能举出一个完全符合爱因斯坦所提出的两个先决条件的实验作为反例，即可轻易否定本文的结论。但直到目前为止，这样的反例笔者还未曾发现。

　　参考文献

　　[1]张元仲著 狭义相对论实验基础 北京:科学出版社 1979 [1、64、80、61]

　　[2][美]C.基特尔等著 陈秉乾等译 力学 北京：科学出版社 1979 [454]

　　[3]A.爱因斯坦 L.英费尔德著 周肇威译 物理学的进化 上海：上海科技出版社1979[134]

　　[4]A.P French著 张大卫译 狭义相对论 北京:人民教育出版社 1980 [111]

　　[5]倪光炯 李洪芳著 近代物理学 上海：上海科技出版社 1979 [64]

　　[6]方励之 从牛顿定律到爱因斯坦相对论 北京：科学出版社 1981 [49]

　　[7]朱纪东著 时间佯谬问题重析 上海：上海电力学院学报 2001 第三期 [89]