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，主体观测结果与客体实

2、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；物体的运动速度因与其他物体相互作用而改变，均速直线 运

3、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

4、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 WC表示。其中W=V/C,在客体 世界运动速度（0WW1）,相对运动速度（0WBW2）;在主体世界中，0WBW2。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Co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

5、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

6、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（Tn）,则有时间关系：T甲=丁叶T信止一T信起。当T信起=0时（主体与对象相遇起点），Tn= T甲一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

7、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 a ,则观测路程（S测）=S -+S甲22COSx SS甲1/24、测量值计算以最简化的测量条件图 1所示为例。设 AD= So,物体M的运动速度为 V 从A到D所用时间T。；终止 信号为速度为 C的光子、其运动时间 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，丁测=丁甲，T信= （Vm V甲）/（C +V甲），甲与 M相对速度 丫乂甲=

8、丫乂一 V甲丁测=五十丁信=丁0 1+（V M- V 甲）/（C +V 甲）=To （C + Vm）/（C +V 甲）=T0 3 甲式（1）$测=VMT。一V甲（To+T信）=To（Vm V甲）C/（C+ V 甲）=S （1 V甲/ V M）C/（C+ V 甲）式（2）丫测=$测/T测=（VmV甲）C/（C+ VM）=Vm（1V甲/VM）C/（C+ Vm） 式（3）3 甲=（c + vm）/（c +V甲）。6 甲=（1 V 甲/ V M） C/（C+ V 甲）。科甲=（1 V 甲/ v M） C/（C+ vM）。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，

9、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（V乙）,则两主体相对速度V乙甲=V乙一V甲,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 甲乙的测量差异 AT测、AS测、A V测如下：AT 测甲乙=T0 （C +Vm）（ V 乙一V 甲）/ （C +V 甲）（C +V 乙） 式 （4）AS测甲乙= CT）（C +V）（ V 乙一V甲）/ （C+V甲）（C +V乙） 式 （5）A V测甲乙=（V乙一V甲）C/（C+ V 诩 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

10、测、V#变成“感受值（T感、S感、V感）”。T 感=丁。+丁信=丁0 1+（V m- V甲）/（C +V 甲）=T0 （1 +VMC）S 感=丁0（丫乂一 V 甲）C/（C+ V 甲）=T0VM= SoV 感=（Vm V 甲）C/（C+ V M） =VM（1+ V MC）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，VMC成为影响主客差异性的唯一变量。此时，对象M与甲的相对速度 Zm= Vm- V甲，信号与乙的相对速度Z信 = C V甲；Zm与Vm的同步变化率 。个（1 V甲/Va, Z信与C的同步变化率 。信=（1 V甲/C）。只有当。=1时，才有Zm = V

11、m、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ZmVm （用相对速度代替运动速度）=C和2信=a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（

12、VJC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，丫甲=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

13、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（Vk *= V乙一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：T k 测=测（C +V甲）/（C +V乙） 式（7）S K 测=&测(C +V 甲)(Vm V 乙)/ (VM- V 甲)(C+ V 乙)式(8)V K 测=V测(Vm V乙)/( V M V甲) 式(9)在具体观测环境中 C、V乙、V甲、VM都

14、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3、8、科。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

15、论是使用“V甲=0、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）、VM=C时，N乙=& &从式（7）、（8）、（9）得到下面关系式：T测=测 C/(C+Vkk) 式(10)S k=Sou(C Vk k)/ (C+ V K k)式 (11)V K 测=V 测(1 -Vk k/C)式(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（一W卜）的惯性系。按K与K的换算关系，将（一W卜）代入（10）、（11）、（12） 得如下关系式：T K 测=测 C/(C - Vk k)式(13)S km=Sk

16、测(C + Vk k)/ (C - Vk k)式 (14)V K 测=V1 + 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”相对速度的正负。爱因斯坦狭义相对论（以及洛仑兹变换）认为，在（Vk *）、（V H量值相等为V的情况下，K与K”应当有相同换算系数。为使Tf = Tk则能够成立，只好硬性采用把式（10）、（13）换算系数的几何平均数作为“共轲换算系数”丫=（1 - （V/C） 2）-1/2。同理，式（11）、（14）的“共轲换算系数”为 1,式（12）

17、、（15）的“共轲换算系数”为1/ 丫 =1 （V/C） 21/2。就得到如下关系式：T k 测=T测 =Tk测（1 一 （V/C）式（16）S 测=& 测=&测=So 式（17）Vk=Vk2=Vk测1 （V/C） 21/2 式（18）其中丫 =（1 - （V/C） 2）T/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0 =1条件下，坚持米用V k2=V k2=V=Vm;当被测速物体是光时，即为V kf

18、=V k2=Vu=Co为保证“速度为路程与 时间之比”这物理规律在所有惯性系中成立 （C= X/T K= Xk ZTk）,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 丫 =（1 - （V/C） 2）T/2的膨胀，就只好解释为衡量路程长度的“尺或量杆”按 1/ 丫 = 1 （v/c）21/2系数进行收缩。伽利略变换（X=X- VT）作为物理定律在K惯性系中形式为 =Xk- VTk,而K与K惯性系有治，=yXk变换关系，故得到爱因斯坦狭义相对论的坐标变换公式：X，= 丫（Xk VTk）。再将C= XKTk=X / 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

19、= 丫 Tk （1 - V/C）。其实，爱因斯坦如能够正确理解“光速不变”与 0 =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

20、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（或者让灯可开灭，都是向观测者发射信号光子），即发生事件A与区在客体世界中，在甲发射光A子后，经L/（C +V甲）时间，事件 *,J.BB发生；甲发射光子后，经 L/（C4v甲）时间，事件a发生。在物二i 图2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Tao=L/（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Tbo = L/（C +V甲）。首先，在甲的观测环境下：对于事件 A,当把 V C、T

21、ao=L/（C V甲）代入式（1）得：t 甲人测=丁人0 （C + Vm）/（C +V 甲）=2CL/（C2V甲 2）对于事件B,当把Y户C、V甲变为（一V甲），则Tbo=L/（C +V甲）代入式（1）得：t甲8测= 2CL/（C2V 甲 2）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/（C2V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, Tao= L/（CV甲），丁信=丁人。（C-V乙）/（ C +V乙）代入式（1）得：T 乙人测=丁人0+ 丁信=皿9 V 甲）1 +（C-V 乙）/（ C

22、+ V 乙）=2CL/（C +V 乙）（C V 甲）对于事件 B, Tbo= L/（C+V甲），丁信=丁8。9 + V乙）/（ C V乙）代入式（1）得：T 乙 B测=2CL/（C V 乙）（C+V甲） T 乙 AB = T 乙 A 测一T 乙 B 测=4C2L（V 甲-V乙）/（C 2- V 乙 2）（C2- V 甲2） W0所以在V= V甲-V乙0条件下，主体乙看到事件 B先发生（即后车门先开）；AT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

23、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、迈克尔逊一莫雷实验案例“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ACM束M所用时间（Tac。：设观测路程 AB长为L,则Taca 2V 甲 2（Tacd/2） 2+ L2 1/2/C = 2L/（C 2V 甲

24、2）1/2其次，计算AEF光束N所用时间（Taef）:此时观测路程也是L,则与甲先是差程时间 L/（C V甲），后是相遇时间 L/（C +V甲）；两部分时间之和为Taef。Taef = L/（C V甲）+ L/（C + V 甲）=2LC/（C2V 甲 j =2L/（C 2 V 甲2）1/2 C /（C 2V甲 2）1/2比较上面两式可知：Taef= T acdC/(C 2 V 甲 2) 1/2 = Tacd/(1 V 甲2/ C 2) 1/2 式(19) T=Taef Tac=2L/(C 2_V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

25、仑兹因子。由式 （20）可知， TW0,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一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 2。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：T=T。； S= L; V= L /T 。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（1 V甲/ Vm）, 一级速变系数也为（1 V甲/ V*。变换公式如下：T测=1* T 0； S测=（1 V甲/ V m）L ; V测=（1 V甲/ V m）L/T 0。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（C+V）/（C +V甲），二级尺变系数为C/（C+ V甲）,二级速变系数