论坛世界（258）郭德强的来信和他的《关于诚请百名学者共同撰写论文剖析狭义相对论的公告》、《百名学者剖析狭义相对论》（ 续） 

3  光速不变原理

Einstein在【1】中提出的光速不变原理为：任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度 运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。

光速不变原理一直倍受争议。Einstein承认光速=路程/时间。我们必须清楚的是，该关系式只有在发射点与接收点之间保持相对静止，光的路程可以被确定的条件下才能成立；若发射点与接收点沿彼此连线相对运动，则因发射点与接收点之间的距离是时间和速率的函数，光的路程并无法确定，故该关系式不能被有效运用。

通过对连续光谱进行观察，我们根本无从区分各种色光究竟是来自静止物体或是运动物体。在地球上测量到的真空中光速越来越xx，最可靠值已经达到299,792,458±1米/秒。我们知道，越来越xx的真空中光速值都是在地球表面的实验室里测定的，将这样一个真空中光速的测量值假设为宇宙的一个基本物理常数，无论在理论上，还是在实验上，都缺乏可信的依据。研究表明，“常数”一词可能是不恰当的说法，因它们或许随时间、空间而变^[5]。

Sagnac效应表明，当光源和探测器随圆盘一起旋转时，两束沿互为相反方向传播的光在同一闭合光纤回路中所经历的时间不同。王汝涌将Sagnac效应进行了有效的推广，通过实验发现，Sagnac效应仅做为一个特例而被囊括其中，在任意形状的转动的闭合光纤回路中，光纤总长度对干涉条纹移动数有直接的贡献^[6]。对于王汝涌实验而言，根据光速=路程/时间计算，证明光速可变，根据光速=波长×频率计算，证明光速不变。这也使得长久以来关于光速可变或不变的争论遭遇到尴尬。

光波与声波之间、光速与声速之间存在着许多可以类比的现象。在介质中运动的物体的速度超过声速，实际上仅仅存在于气体中，这是因为气体的分子间距远远大于分子本身的直径，尚未发现运动的物体在液体中的速度能够超过声速。这意味着，关于真空中光速是运动物体的速度上限的判断在某些逻辑条件下应该符合事实。

Einstein创立狭相的初衷是为了解决Maxwell方程应用到运动的物体上所引起的一些不对称的问题，因此而提出光速不变原理。我们无理由不认同，Maxwell方程既可在地球上适用，也可在月球上适用，而月球围绕地球运动着；同样，在地球上测量的真空中光速是一恒定值，在月球上测量的真空中也必是一恒定值，与月球围绕地球运动着并无关。相对性原理可被理解为，在物理基本要素相同的条件下，所有物理学定律都有与时间和空间无关的相同的数学表述形式。光速不变原理则至少在内涵上需要进行修正。

4  同时性的相对性

相对性原理从力学领域扩大到电磁学领域以后，利用力学中的速度合成法则可知：对不同的参照系，光速不会是一个常数。Einstein认为，问题出现在一个最不容易被人怀疑的基本思想观念，即同时性上，只要时间的{jd1}性或同时性的{jd1}性这条公理不知不觉地留在潜意识里，那么任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试，都是注定要失败的。Einstein在【1】中写道：

“我们进一步设想，在每一只钟那里都有一位运动着的观察者同它在一起，而且他们把§1中确立起来的关于两只钟同步运行的判据应用到这两只钟上。设有一道光线在时间 从 处发出，在时间 于 处被反射回，并在时间 返回到 处。考虑到光速不变原理，我们得到：

和 ，             （2）

此处 表示运动着的杆的长度——在静系中量得的。因此，同动杆一起运动着的观察者会发现这两只钟不是同步进行的，可是处在静系中的观察者却会宣称这两只钟是同步的。”但若用几何图示来描述关系式组（2）的话，实在令人觉得上述论证不明不白。Einstein在《狭义与广义相对论浅说》（简称【3】）中又利用铁路路基和行驶火车对同时性的相对性来进行解释，也令人感到疑惑。假定与路基保持静止的所有钟xx同步，且在 处发生雷击的时间 与在 处发生雷击的时间 是同时的，即设

再设在路基上任意处的观察者通过闪光看到这两个雷击的时间分别为 和 ，观察者到 处和到 处的距离分别为 和 。因在彼此保持静止的两点间光速 为恒定值，故有

和 。

当 时， ；当 时， 。这意味着，即使在实际上是同时发生的两个事件，相对于事件发生处静止的观察者通过有限光速所载信息进行观察，并不能一定保证同时发生的两个事件被同时观察到，甚至经常出现先发生的事件后被观察到，后发生的事件先被观察到的现象。Einstein提出的同时相对性在逻辑学上似乎站不住脚。

5  Lorentz变换

Lorentz变换是狭相的数学基础。Einstein在【1】和【3】中采用两种方法推导Lorentz变换，但这两种方法在逻辑上都未能令人感到满意，后来也未被相关著作和教材所采纳。20世纪70年代在美国大学里较为流行的基础物理学教材《伯克利物理学》给出推导Lorentz变换的另种方法也同样不能令人感到满意，且包括所有关于狭相的著作和教材中给出的推导Lorentz变换的其它各种方法。

在比较有代表性的推导Lorentz变换的方法中，如图所示，通常是取两个三维直角坐标系 和 ，并令 轴与 轴重合， 轴与 轴、 轴与 轴平行，两个坐标系沿 轴与 轴连线以速率 互作直线运动，在 正轴与 正轴的公共象限内有一个事件发生点 。这样规定的结果引出一个非常明显却难以克服的逻辑悖论，即点 究竟相对于 和 两个坐标系中的哪个是静止的，哪个是运动的？正是因存在着此逻辑悖论，故已有的任何一种推导Lorentz变换的方法在逻辑上都不能自洽。

Einstein在【1】中写道“在 时，这两坐标系共有一个原点，设从这原点发射出一个球面波，在 系里以速度 传播着。如果（ 、 、 ）是这个波刚到达的一点，那么

。               （3）

借助我们的变换方程来变换这个方程，经过简单的演算后，我们得到：

。               （4）

由此，在 系中看来，所考查的这个波仍然是一个具有传播速度 的球面波。这表明我们的两条基本原理是彼此相容的。”

因在Lorentz中， 、 ，故从方程（3）和（4）可得到

。

若设 、 ，根据 、 ，可得到

，

于是竟会有

。

易看出，只有在规定 、 或取消 、 的条件下，才能将上述矛盾在逻辑上化解，Lorentz变换却因此而面目全非了。

6  相对时空观

Einstein在【1】中是将 系的半径为 的光的球面波方程变为以半径为 的刚性球体的方程，进而将Lorentz变换中的 写为尺缩公式 （令其中 ）。Einstein在【1】中是将Lorentz变换中的 改写为 （令其中 ）。再将 代入Lorentz变换中的 ，于是得到钟慢公式 。

对于Lorentz变换而言，从其推导过程中即可知，当 时，必有 ，当 时，必有 、 。比较方程（3）和（4），更易于理解。鉴于尺缩公式和钟慢公式在推理过程中存在着某些逻辑应用的随意性，因此而建立起来的相对时空观实在令人难以置信。

7  速度变换式

因从方程（3）和（4）可分别得到

、 ，

故速度变换式 ，在逻辑上根本不该被推导出。

8  Doppler效应

1842年，Doppler提出（后来以他的名字命名的）Doppler效应。Doppler假设光是依靠以太传播的波，他给出三种在不同条件的光的发射频率与接受频率的对应关系式。1）当发射器在以太中静止，接收器沿与发射器连线靠近或远离发射器时， ；2）当接收器在以太中静止，发射器沿着与接收器连线靠近或远离发射器时， ；3）当接收器与发射器都沿着二者连线在以太中运动时， 。Einstein在【1】中推导出的光的发射频率与接受频率的对应关系式为： 。1938年，Ives和Stiwell通过实验证明，利用Einstein关系式给出的理论值比利用Doppler关系式给出的理论值更贴近实验值。

若设 、 ，并代入Einstein关系式中，则有

再设 ，并替换 项中的 ，可得

。                 （5）

若设 、 、 ，则由方程（5）还可得

。                 （6）

将方程（5）与（6）分别与Lorentz变换中 和 比较，即可发现，它们在数学表达形式上具有相仿的结构。

9  其  它

对狭相的其它结论，在此仅给出某些看法。1）在【1】中得出的振幅关系式 、在【2】中得出的体积关系式 和温度关系式 等，既未得到实验验证，也未再被后续的著作和教材所提及。2）在【1】中得出的质速关系式为：纵质量 、横质量 ，后来却演变成 。3）Bartocci经调查发现，Pretto在1904年2月《Atti Reale Lstituto Veneto di Scienze》（63卷439页）发表论文，提出物质的内能就是“禁闭”在物体内的以太的能量，物体的质量与其内能的关系为  ^[7]。

10  结束语

1945年，第二次世界大战结束后，Einstein致函周培源说：“罗马的壁钟使我心有余悸，我不再坚持认为光速不变性是自然定律，用一个不变的光速去确定不同参考系中时间的定义是逻辑上行得通的选择。一旦日后实验发现真空光速可变，相对论不致于彻底失败。我的理论会统治二十世纪物理学。到了下个世纪会有人修改甚至xx我的相对论。”^[8]

我们尊敬Einstein，也承认Einstein在物理学上做出的重大贡献。我们热爱科学、追求真理，不迷信xx，更不盲目崇拜。我们只是希望用我们的才智和心血为中国科学事业的发展尽一份力，发一份光。

参  考  资  料

[1] 爱因斯坦文集（第二卷），范岱年、赵立中、许良英编译，商务印书馆，1977.3

[2] 狭义与广义相对论浅说，杨润殷译，北京大学出版社，2006.1

[3] 窥见上帝秘密的人——爱因斯坦传，杨建邺，海南出版社，2003.4

[4] 利用同步卫星进行中日双向时间传递，李焕信、宋金安、李志刚、梁双有，紫金山天文台台刊，2006.6

[5] 10000个科学难题（物理学卷）——基本物理常数会不会变化，黄志洵，科学出版社，2009.5

[6] Generalized Sagnac Effect，Ruyong Wang，Yi Zheng，Aiping Yao，PHYSICAL REVIEW LETTERS，2004.10

[7] 相对论逻辑自洽性探疑，马青平，上海科学技术文献出版社，2004.3

[8] 用一个字改正爱因斯坦相对论，时永澄，北京相对论研究联谊会五届年会论文集，格物2009.4增刊