绝对时空观下的狭义相对论重构

1、绝对时空观下的狭义相对论重构吴建国摘 要：本文从“物体两次相遇间的存在时间相等”出发，从观测的物理过程性角度重构了物体运动 参数（时间、路程、速度 ）的“客体存在值” 、“主体测量值” 、“主体感受值”之间的物理换算关系；推导出 物体运动参数在不同惯性系间的“量值”换算关系；使“相对论”重新站在“绝对时空观”的基础上，消 除了数学神秘和概念混乱，让诸多“爱因斯坦相对论难题”由此获得能够简明确切地物理性解释。关键词：相对论 光速不变 惯性系 绝对时空爱因斯坦说： “相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界，是一切科学的基础。” 相对论是讨论主体对客体运动观测结果差异性问题的科学理论：其一， 主体观

2、测结果与客体实际运动过程的差异性；其二，主体间对客体运动观测结论的差异性。伽利略变换就是最为初级相对论建构。爱因斯坦相对论已被视为现 代科学支柱，但它也在对“客体世界”唯一性与“主体世界”差异性关系上存在致命问题，而无法用明晰 说明差异产生物理过程，甚至用“主体世界”的差异性 （相对时空观 ）否定了“外在世界 （客体世界 ）”的唯 一性 （ 绝对时空观 ） 。或者说，它没有正确理解“客体唯一”与“主体相异”间的换算关系。一、客体运动的唯一性 客体世界由物体和物体间关系 （事件 ）所组成。在客体世界中，没有不在空间中运动的物体，也没有不 运动的观测者。在空间中，物体间相互作用着；物体的运动速度因

3、与其他物体相互作用而改变，均速直线 运动是一种理想状态。所有物体在空间中均有唯一的运动轨迹、运动速度、运动时间（ 存在时间 ） 。物体的某一段空间运动轨迹称为路程 （S） ，完成这段路程所需要的时间 （T） 称为“运动时间”或“存在 时间”。其中空间距离是最短的路程。所有物体都有对于空间的运动速度（即绝对速度或即时速度） ，路程 （S） 与运动时间 （T） 的比值即为运动速度的平均值 （V） 。即时速度是物体存在状态的一种参数，可采用微积 分方法算出。时间与路程的长度与测量工具无关。量尺、时尺也都是客体，不随运动速度而改变。存在时间相等原理：物体两次相遇间的存在时间相等；主体对自身的测量时间等

4、于存在时间。 客体运动唯一原理：客体在空间中运动的路程、时间、速度都是唯一的，不依是否被观测而变化。 真空光速不变原理：光与其他物体一样都是运动客体，光在真空中直线传播速度最快并衡定为C。依据“真空光速不变原理” ，其他物体的运动速度（绝对速度）可用C 表示。其中 V/C，在客体世界运动速度（ 01），相对运动速度（ 0 2）；在主体世界中， 02。当然所谓“真空”是 不考虑物体间相互作用，在各种非真空状态（如水中、空气中）空间中光速不为C。二、主体观测差异的过程解释1、测量环境1977 年第 1 版，第 292 页爱因斯坦文集第一卷，许良英等编译，商务印书馆（北京）任何主体都是具有某一运动速

5、度 （V 主） ，不存在运动速度为零的主体。 不同主体有不同的测量环境。 相 同测量环境的主体间相对静止。任何物体都在客体世界中有唯一的 “运动速度 （V 物）”, 作为“观测对象” 时才在主体世界中对应的 “观 测速度 （V 测） ”（ 即观测路程与观测时间之比 ） 。不同的主体与被观测物体间构成不同的测量过程和观测环境。 观测过程与观测环境决定着 V 物与 V 测的差异性及换算关系。2、时间测量 理论上，主客时间的相对性的产生与钟表等计时工具的准确性无关。按“存在时间相等原理” ，主体 对自己的存在时间是可以测准的， 手表所显示时间， 就是主体自身的存在时间； 因为主体与手表时时相遇。主体

6、可借助信号 （可以是任何运动物体 V 信，但通常是声波、电磁波、光等 ）来实现与观测对象的间接 两次相遇。当物体 （N） 开始某段路程时，它须先向主体发出一起始信号并需要时间（T 信起）；主体（甲）遇到这个起始信号时开始计时，并在遇到终止信号 （用时 T信止）时计时结束，用时为 （T甲）。设物体 （N）完成某路 程用时 （T N） ，则有时间关系： T甲TNT信止T信起。当 T信起0 时（主体与对象相遇起点 ），TNT甲T信止。3、路程测量 为简便，下面讨论设所有物体（包括主体）均以某一固定速度在空间中运动（即假设空间中没有力的作用）；并设 T 信起 0 时（ 主体与对象相遇在起 点）。以伽利

7、略变换推导为例 （如图 1） ，设主体 （甲） 使用坐标系 （xyz） 并与物体 M同时从 A 点沿 X轴 作匀速直线运动。当物体 M到达路程终点 D 时， 在客体世界中实际的运动路程为 AD。按伽利略变 换，主体 （甲） 获得的测量路程为 BD。主体（甲）在与物体 M此运动路程的终止信号相遇点为C，测量路程是 CD而不是 BD或 AD。考虑到主体运动（ V 甲）与对象速度的角度，则观测路程（S 测 ）22S MS 甲 2COSSMS甲1/24、测量值计算以最简化的测量条件图 1所示为例。设 ADS0，物体 M的运动速度为 VM、从 A到 D所用时间 T0；终止 信号为速度为 C的光子、其运动

8、时间 T 信；主体的运动速度为 V甲。此时，主体获得 M此运动的测量时间 （T测） 、测量路程 （S 测） 、测量速度 （V 测） 。在此测量条件下， T测T甲， T信（VMV甲）/（C V甲） ，甲与 M相对速度 VM甲VM V甲甲（C VM）/（C V 甲）。 甲（1V甲/ V M） C/（C+ V 甲） 。 甲（1V甲/ V M） C/（C+ V M） 。T 测T0T信T0 1+（V MV甲）/（C V甲） T0 （C VM）/（C V甲） T0 甲 式 （1） S测VMT0V甲（T0T信）T0（VMV甲）C/（C+ V 甲） S0 （1 V甲/ V M）C/（C+ V 甲） 式 （2）

9、 V测S测/ T 测（VMV甲）C/（C+ V M） VM（1 V甲/ V M）C/（C+ V M） 式 （3）依据式 （1） 可知：此测量条件下，主客时间变化系数依据式 （2） 可知：此测量条件下，主客路程变化系数依据式 （3） 可知：此测量条件下，主客速度变化系数设在客体世界中还存在与甲仅运动速度数值不同的主体乙（V 乙） ，则两主体相对速度 V 乙甲V 乙V甲，甲乙的测量差异 T 测、 S测、V测如下：T测甲乙T0 （C VM）（ V 乙 V甲）/ （CV甲）（ CV 乙） 式（4）S测甲乙CT0 （C VM）（ V 乙 V甲）/ （C V 甲 ）（ C V乙） 式（5）V测甲乙（V 乙

10、V甲）C/（C+ V M） 式（6）5、感受值计算 当主体假设自身为静止（等于把自己作为客体世界的中心）时，把 V甲 0 代入式 （1） 、（2） 、 （3） ，则 主体“测量值 （T 测、S测、V测）”变成“感受值 （T 感、S感、V感） ”。T 感T0T信T0 1+（V MV甲）/（C V 甲） T0 （1 VM/C）S 感 T0（V M V 甲 ）C/（C+ V 甲 ） T0VM S。V 感 （VMV甲）C/（C+ V M） VM/（1+ V M/C）在此情况下， VM代表观测对象 M的空间运动速度， C 代表终止信号的空间运动速度， VM/C 成为影响主 客差异性的唯一变量。此时，对象

11、M与甲的相对速度 ZMVMV甲，信号与乙的相对速度 Z信CV 甲；ZM与 VM的同步变化率 M （1 V甲/V M） ， Z 信与C的同步变化率 信 （1 V甲/C） 。只有当1时，才有 ZM VM、Z 信C成立，才能用 ZM代替 VM、用 Z 信代替 C成立。只有在主体计算 “感受值 （T 感、S感、V感）”时， V甲 0，有 1 成立。爱因斯坦相对论推导中，强调“光速在所有惯性系中不变” ，用 ZM VM（用相对速度代替运动速度） C和 Z信 C，这说明是用感受值 （T 感、S感、V感）来说明惯性系间相对性。但从计算“感受值（T 感、S感、 V感） ”公式可知，它不同于爱因斯坦相对论的换算

12、公式。在日常行为中，主体通常使用“感受值 （T 感、 S 感、V感） ”来工作和讨论问题，这让具有相同测量条件 的人们能够进行沟通和校对，并且更接近客体“实际值（T 、S、V）”。在 VM/C 值很小时，使用“感受值”不会显示出问题。只有当面对高速物体（VM/C 大） 才会导致“感受值”与“实际值”差异呈现。6、惯性系间换算 在客体世界中想指定空间中某物体的位置，至少要明确它与四个不共面物体的位置关系。这四个物体 构成一个参照系。坐标系是主体建构“主观世界”的工具，其中三维坐标系最简洁。主体将客体的运动参 数与自建三维坐标系中数值关系相对应。这种对应关系是 “实际值 （T 、S、V） ”与“测

13、量值 （T 测、S测、V测） ” 关系。原点运动的三维坐标系都是动坐标系。主体只能使用动坐标系，且把自身设为原点的坐标系最常用 （此坐标系的运动速度为 V主） 。静坐标系 （也称绝对坐标系， V甲0） 是理想化的公共坐标系。 以固定速度 （V） 运动的坐标系称为惯性系。对于图 1 所示的甲 （V 甲） 主体所使用的惯性系 K（xyz） ，式 （1） 、（2） 、（3） 说明了它与客体 M运动参数 所具有线性对应关系。设有主体乙 （V 乙）惯性系 K，K与 K仅为运动速度的大小不同 （VKKV乙V甲） ，同 理代入式 （1） 、（2） 、（3） 得到惯性系 K与 M运动参数具有线性对应关系。而且

14、还可换算得到K与 K 两惯性系 “测量值 （T 测、S测、V测） ”具有的对应关系：（7）T K测TK测 （C V甲）/（C V乙）S K测SK测 (C V甲)(VMV乙)/ (V M V甲)(C+ V 乙) 式 (8)V K测 VK测(V MV乙)/( V MV甲) 式 (9)在具体观测环境中 C、V乙、V甲、VM都是定值，式 (7) 、(8) 、(9) 显示 K与 K惯性系在“测量值 (T 测、 S测、V 测) ”上呈差异性，也说明惯性系间“测量值(T 测、S测、V测)”具有的线性关系。综上所述，式( 1)至( 9)构成了“狭义绝对时空观相对论” ，可得如下结论： 其一，仅主体才有“尺缩钟

15、慢”的相对性。它由空间中的主体运动、对象运动、信号运动等构成的物 理观测过程所导致，并决定了主客间换算系数、 。其二，当其它条件相同、 V 乙与 V甲确定时， T 测、 S测、 V测的比与差均确定，在惯性系间具有等效性。其三，当其它条件相同、主体均假设自身静止时，T 感、S感、V感均相等，物理定律也均能同样适用。三、释解爱因斯坦相对论推导前面已知爱因斯坦相对论是使用“V甲0、 1”条件来讨论问题。在此条件下，可设V 甲 0 (主体把自己当世界中心时) 、VMC时，V乙VKK，从式(7) 、(8) 、(9)得到下面关系式：T K测TK测 C/(C VKK)(10)S K测 SK测(C VK K)

16、/ (C+ V KK)(11)V K测 VK测(1 VK K/C)(12)其实，这就是把“感受值(T 感、S 感、V感) ”在不同惯性系 K 与 K间进行同质化的换算公式。设 K”是与 K 相对速度为( VKK)的惯性系。 按 K与 K的换算关系， 将(VKK) 代入(10) 、(11) 、(12)得如下关系式：(13)S K“测 SK测(C VK K)/ (C VKK)(14)V K“测 VK测(1 VK K/C)式(15)爱因斯坦狭义相对论(以及洛仑兹变换)推导中，均只有惯性系间相对速度(V) 这一个变量。设默认 K为静止惯性系，因无法确定 K的运动方向，导致无法区分其与K、 K ”相对速

17、度的正负。爱因斯坦狭义相对论(以及洛仑兹变换) 认为，在(VKK)、( VKK)量值相等为 V的情况下， K与 K”应当有相同换算系数。为使 TK”测TK测 能够成立，只好硬性采用把式 (10) 、(13) 换算系数的几何平均数作为“共轭换算系数”(1 (V/C) 2) -1/2 。同理，式(11) 、(14)的“共轭换算系数”为 1，式(12) 、(15) 的“共轭换算系数”为 1/ 1(V/C)2 1/2。就得到如下关系式：2 1/2T K“测 TK测 TK测 (1 (V/C) )(16)S K”测 SK测 SK测S。(17)2 1/2V K”测V K测VK测1 (V/C )2 1/2 其

18、中(1(V/C) 2) 1/2 为洛仑兹因子。因为洛仑兹因子大于1，所以爱因斯坦说，时间在有相对速(18)度 V 的惯性系 K或 K”中膨胀了。由式( 17 )代表所有惯性系 “感知值”均等于“实际值” ，路程不变。但爱因斯坦强调“光速在所有惯性系中衡定为C(即他的光速不变原理) ”，即默认 1 条件下，坚持采用 V K”测V K测 VK测 VM；当被测速物体是光时，即为V K”测V K测 VK测 C。为保证“速度为路程与T K“测TK测 C/(C VKK)时间之比” 这物理规律在所有惯性系中成立 （CXK/TKXK/TK），他就必须把 K惯性系中的路程在 K或 K” 惯性系中进行了与时间同倍

19、 （1 （V/C） 2） 1/2 的膨胀，就只好解释为衡量路程长度的“尺或量杆”按1/1（V/C）2 1/2系数进行收缩。伽利略变换（ X XVT）作为物理定律在 K惯性系中形式为 XK XKVTK，而 K 与 K惯性系有 XKXK变换关系，故得到爱因斯坦狭义相对论的坐标变换公式：XK （XKVTK）。再将 CXK/T KXK/ T K代入前式，即得爱因斯坦狭义相对论的时间变换公式：TK TK （1 V/C）。其实，爱因斯坦如能够正确理解“光速不变”与 1 条件，选用式（ 16）（17）（18）联立会好些，至少不会有“尺缩解释” 。“尺缩解释”对惯性系间量值变换时尚能作数学近似性描述，但它导致

20、人们对客 体运动路程、运动速度唯一性的误解，甚至抛弃绝对时空观，从此主客不分的物理学混乱甚重。由此可见，爱因斯坦狭义相对论因缺少主体自身运动速度 （V 主）这个参数，默认了 1 条件，仅用相 对运动速度 （V） 来说明惯性系间的量值换算，只能做到数学近似描述，不能做到物理过程确切描述。四、释解爱因斯坦狭义相对论案例1、“火车厢案例”如图 2所示，有一火车厢 （长度为 2L） 相对于站台以 V的速度匀速直线运动 （这会使问题变得简单些 ）； 在经过站台上某人 （乙）时，处于某车厢中间的某人 （甲）向车厢前端 A、后端 B各发一光子 （A 与 B）；当光子 到达车厢两端时车门打开 （ 或者让灯可开

21、灭，都是向观测者发射信号光子） ，即发生事件 A与 B。甲B在客体世界中，在甲发射光A 子后，经 L/（C V甲） 时间，事件V图2B 发生；甲发射光子后，经 L/（C V甲）时间，事件 A 发生。在物 理世界中，前者是光子 A 对前车 门的追击问题， 光子 A运动时间 TA0L/（C V甲） ；后者是光子 B与后车门相遇问题， 光子 B的运动时间 TB0 L/（C V甲） 。首先，在甲的观测环境下：对于事件 A，当把 VMC、TA0L/（C V甲） 代入式 （1） 得： t 甲A测TA0 （C VM）/（C V甲） 2CL/（C 2V甲2）对于事件 B，当把 VMC、V甲变为（V甲）, 则T

22、B0L/（C V甲）代入式 （1） 得：22 t 甲 B 测 2CL/（C V 甲 ）也就是说，尽管 A、 B 两事件在客体世界中不同时发生，但对于观测者甲来说这两件事都是在经过 2CL/（C 2 V甲2）时间之后同时观测到的，而且无论V甲、L 取何值均如此。其次，在乙的观测环境下：对于事件 A，TA0L/（CV甲），T信TA0 （C-V 乙）/（ C V乙） 代入式（1） 得：T乙A测 TA0T信L/（C V甲）1 （C-V 乙）/（ C V乙） 2CL/（C V乙）（CV甲） 对于事件 B，TB0L/（CV甲），T信TB0 （C V乙）/（ C V乙） 代入式 （1） 得：T乙B测 2CL

23、/（C V乙）（C V甲）T 乙 ABT 乙 A 测 T 乙 B 测 4C2L（V 甲- V 乙 ）/（C 2- V 乙2）（C 2- V 甲2） 0所以在 VV甲- V乙0条件下， 主体乙看到事件 B先发生（即后车门先开 ）；T乙AB由 V甲与V乙共同决 定，并非由（ V 甲- V 乙）决定。2、双生子佯谬案例双生子两次相遇间的两者客体存在时间相等，不会出现一个年轻而另一个变老的现象。但在非相对静 止的期间内，由于双生子的客体运动速度不同，两人在观测同一个运动对象时，会产生不同的观测结果。3、迈克尔逊莫雷实验案例定观测路程 （L） ”的光速运动。这个实验设计是让一个观测者 （V 甲） 同时观

24、测两个运动方向互相垂直的如图 3 所示，这个实验是让观测者 （V 甲）观测到一束光从 A到 B 往返，这 在客体世界中实际运动是从 A经 C到 D（此光子 M与甲再次相遇于 D点）； 而同时发出的另一束光，则是从A经E到F（此光子 N与甲再次相遇于 F点） ；且两束光的观测路程相等 （ 同为 L）。首先，计算 ACD光束 M所用时间 （T ACD） ：设观测路程 AB长为 L，则 TACD 2V 甲2（T ACD /2） 2L21/2/C2L/（C 2V甲2） 1/2其次，计算 AEF光束 N所用时间 （T AEF） ：此时观测路程也是 L，则与 甲先是差程时间 L/（C V甲） ，后是相遇时

25、间 L/（C V甲） ；两部分时间之和为 TAEF 。2 2 2 2 1/2 2 2 1/2 TAEFL/（CV甲）L/（CV甲）2LC/（C2V甲2）2L/（C2V甲2）1/2 C /（C 2V甲2）1/2式 （19）比较上面两式可知： TAEF TACD C/（C 2V甲2） 1/2 TACD /（1 V甲2/ C 2） 1/22 2 1/2 2 2 1/2TTAEFTACD2L/（C 2V甲2）1/2 C /（C 2 V甲2） 1/2 1 式 （20）由式 （19） 也清楚地说明了为什么会有洛仑兹因子。由式（20） 可知， T0，就说明在客体世界中主体甲与两光子并非再次相遇于同一点，而是

26、D和 F两点。因为 L、V甲与 C相比数量级很小，则 T非常小；再者仪器与人甚至光的绝对运动也非一定是直线等因素影响；让D、 F 两点太接近了，甚至不足以让人们用仪器去察觉，导致人们认为在麦克尔逊莫雷实验中两束光用时总相等。4、重释“光速不变”“光速不变”是指光子 （电磁波 ） 作为客体在真空中传播速度衡定为C；但作为测量对象在不同主体 （ 惯性系 ） 中的测量速度以及与其他对象的相对速度均可不同、并可大于C，但均不能大于 2C。5、两级变换系数如图 1 所示情况下，在客体世界中物体 M的运动时间 T、运动路程 S、平均运动速度 V 具有客观唯一 性，不存在“尺缩钟慢”问题，其公式可表示如下：TT0；SL；VL /T 0。只在主体建构自己的主观世界时，才在主体的坐标系中产生“尺缩钟慢” 。在仅考虑主体运动因素影响情况下 （伽利略变换 ） ，产生一级变换系数。其中一级时变系数为1，一级尺变系数为 （1V甲/ VM） ，一级速变系数也为 （1V甲/ V M） 。变换公式如下： T测1* T0；S测（1V甲/ VM）L；V测（1V甲/ V M）L/T 0。（C VM）/（C V 甲） ，当同时又考虑到信号运动影响情况下，产生二级变换系数。其中二级时变系数为二级尺变系数为 C/（C+ V 甲） ，二级速变系数为 C/（C+ V M） 。甲、 甲、 甲均为两级变换