对双生子佯谬及超距作用的一种可能性解释

对双生子佯谬及超距作用的一种可能性解释作者：秦盛成都钧盛私募基金管理有限公司邮箱：qinsheng@摘要：本文主要是基于一种更严格的双生子佯谬的假设前提和惯性系假设，在完全对称的前提下讨论时间和空间性质，并且得出了一种新颖的结论：不同参考系同时性是可能实现的、空间具有相对独立性。并以此为基础，对双生子佯谬、宇宙暴胀、量子纠缠的超距作用、粒子的微观空间运动、测量问题等现象从一个新的角度进行了尝试性的解释。这种解释是探索性的和全新的。同时，作者还提出了一种对空间相对独立性的实验检验方式。关键词：同时性的绝对性；空间的相对独立性；狭义相对论；宇宙暴胀；超距作用；测量问题

ApossibleexplanationfortheparadoxoftwinsandoverdistanceactionShengQinChengduJunshengPrivateEquityFundManagementCo.,Ltd，ChengDu610000E-Mail：qinsheng@Abstract:Thispapermainlydiscussesthepropertiesoftimeandspaceonthepremiseofcompletesymmetrybasedonamorestrictassumptionoftwinparadoxandinertialsystem,andcomestoanovelconclusion:thesimultaneityofdifferentreferencesystemsispossibleandspaceisrelativelyindependent.Onthisbasis,wetrytoexplainthetwinparadox,cosmicinflation,theoverdistanceeffectofquantumentanglement,themicrospatialmotionofparticles,measurementproblemsandotherphenomenafromanewangle.Thisexplanationisexploratoryandnew.Atthesametime,theauthoralsoputsforwardanexperimentaltestmethodfortherelativeindependenceofspace.Keywords:Theabsolutenessofsimultaneity;Therelativeindependenceofspace;Specialrelativity;Cosmicinflation;Overdistanceaction;Measurementproblems.1.引言爱因斯坦曾经讲过，解决时钟佯谬的问题超出了狭义相对论的范围[1]。虽然宇宙线中的粒子衰变能一定程度上的证明时钟变慢效应[2][3]，但是双生子佯谬依旧困扰着很多物理学家。例如“孟广达”等人认为，在狭义相对论范畴内解决双生子佯谬是不可能的[4]。而“钱尚武”在分析此问题时曾经提到一种方法，那就是利用不同参照系的时间变换进行解释[5]，其前提条件依旧是运动过程的不对称性。例如穆勒最早于1972年解决该问题一样，其前提条件依旧基于非对称的参考系[6]。而本文希望把双生子悖论的前提条件设置得更严格，建立在完全对称的基础上进行讨论，以此为基础我们将推论出与以往不同的结论，那就是在不同的参考系中同时性是可以成立的。另外，我们还推论出了另一个有趣的结论，那就是空间似乎是相对独立的。虽然过去我们有很多的实验来证实惯性系空间的统一性,即光速在惯性系中的不变性[7][8]，但是作者在本文中提出的这种方式是独特的，是基于不同惯性系之间的一种检测方式。作者发现用这两个结论可以很好的解释很多现象，例如：双生子佯谬、量子纠缠的超距作用、宇宙暴胀等现象。作者认为这种尝试性的解释是可能的。2．对狭义相对论中同时性及空间的一种尝试性解释2.1 对爱因斯坦狭义相对论中的“同时性”进行一种新的尝试性阐释图1爱因斯坦火车实验如上图1所示，这是经典的爱因斯坦思想实验中对同时性概念的描述。火车以速度向X轴方向运动，从站台两端分别同时发出一束光。在站台上中点的观察者看来这两束光是同时到达的；然而在火车上的人看来，运动前方的光将比后方的光先到达。因此，爱因斯坦认为同时性是相对的[9]。然而，本文要指出的是：如果火车相对地面的运动速度是已知的，那么火车上的人对于这种站台上的发光先后到达的“现象”实际上是可以计算并修正的，火车上的人可以通过计算来消除前后两束光到达的时间差异，进而修正所谓的“同时性”困惑。经过修正后，会使得火车上的人同样认识到两束光发光的时间也是相同的。如果火车上的人看到运动前方光速到达的时间为，到达时相距前方站台发光点距离为；后方的光速到达的时间为，到达时距离后方站台发光点距离为，火车与地面相对运动速度为v。那么，经过计算前方站台发光的时刻为：，其中；后方站台发光的时刻为：，其中；经过修正后，实际上火车上的人看起来，站台两端发光这事件也是同时发生的，即。2.2对狭义相对论中空间的认识进行一种新的尝试性解释图2不同参考系看到的光速轨迹如上图2所示，一个物体以速度v相对地面沿X轴方向匀速运动，运动物体内部有一束光从A点发射到B点。假设运动物体观察系为系，地面坐标观察系为系。在系的观察者看来，这束光是从A到B直线运动的，运动距离为AB之间的直线距离，速度为光速c；但是在系看来，这束光其实是斜线运动的（图2右方）。根据光速不变原理，系观察者就要求系时间变慢，否则就会产生超光速困境。本文要对此修正的是：实际上系和系空间是相对独立的。对于系观察者，除非进入到运动物体系的惯性系中，否则这束光对系而言是“看不见”的。系的观察者要看见系上的一束光的传播过程，其前提条件是系观察者首先要对这束光进行观察，而观察的前提是：要么这束光与处于S系观察者惯性系的物质发生了作用；要么系观察者进入系进行观察。因此，所谓的“光速不变”，前提条件是在某个惯性系对光速进行测量得到的。任何对光速的测量，都至少需要该惯性系中的两点作为参考。因此，在不进行测量的前提下说：“同样的时间内，在系看来这束光传播的距离比系要长”，这是不允许的。2.3 狭义相对论对双生子佯谬的解释我们知道目前对于双生子佯谬的理论解释方式，主要集中在两个参考系之间的非对称性，很多文章中会解释为“火箭加速”的过程导致了这种时间上的差异[10]。然而我们可以对双生子佯谬的实验进行重新设计以更好的说明“加速过程”不是造成时间变慢的原因：假设A和B是完全一样的刚体，上面放置着两个构造完全相同的时钟且时钟指针初始位置一致。双方以同样的受力获得加速后（可以通过连接A和B的弹簧来加速），A和B相对运动速度为v。双方约定好在时钟的某个“时刻t”以某种设定好的相同的程序减速并返回，最终经过同样的方式减速达到相对静止状态。在这样一个实验过程中：物体A和B的所有运动过程都是完全对称的。根据狭义相对论：当A和B回归到最终相对静止状态时，A会看到B上的时钟变慢了；B同样会看到A上的时钟变慢了。如果相对于A和B，有一个地面观察者是第三观察者，会发现A和B的整个运动过程是完全对称的，包括时钟指针的位置。整个过程我们不可能发现A或者B相对于对方在运动过程中有任何独特的优势，因此我们难以解释狭义相对论中“时钟变慢”的困境。因此，双生子佯谬的困境，是实实在在存在的，不能通过加速过程的差异得以消除。3．定义惯性系中的时间、空间及同时性3.1论惯性系我们假定任何惯性系物理定律是相同的，实际上就相当于假定任何惯性系中的全同物质之间相互作用的物理规律都是相同的。例如，我们假定电子、质子、中子是全同粒子，以此构成的原子核、原子核与核外电子的作用、质量、能量之间的物理关系在任何惯性系中都是一致的。在任何惯性系中，我们都可以用某个固定能量的光子作为基础来定义统一的能量、质量、长度、时间等物理单位标准。例如，我们可以用某个已知的氢原子能级对应频率为的光子，来统一的定义任何惯性系中的1秒钟时间为该能级的光子震荡次对应的时间；同时,可以以该光子的波长来定义长度单位；以该光子的能量来定义质量单位等等。我们首先认为，在所有惯性系中，由这样统一定义的时间、空间、长度、能量等物理单位都是一致的，由这样统一定义的单位所衍生出来的物理定律都一致。而对于非惯性系，如果我们能计算出其中的非惯性因素（例如引力场、电磁场、加速度等）对这些基础全同粒子的质量、能量、长度的影响，那么我们也同样可以一致的定义非惯性系中的时间、长度、质量等基础物理量。而隐藏在：“所有惯性系物理定律都相同”这条假设的背后，我们将发现需要有一个更深刻的前提条件：空间的相对独立性。也就是惯性系的空间必须是相对独立的，如果惯性系的空间不具备独立性而受到与其他惯性系相对运动状态的影响（例如相对运动速度、相对距离等），那么这些变量无疑将会直接作用到该惯性系所在的所有物质的相互关系。除非这种作用对于惯性系中的所有物质之间的物理关系，是完全等比例的且线性的，否则我们将很难得到“所有惯性系物理定律一致”这样的性质。3.2定义时间和长度根据前面的规定，我们就可以统一定义不同惯性系中的时间和长度：（1）以某种全同光子的频率和波长，统一定义不同惯性系中的时间和长度。（2）那么，我们可以推论两根构造完全相同的刚性尺子，在两个不同惯性系中对应的长度应该是一致的（以上述定义的长度分别在不同的惯性系中进行测量得到的结果应该相同），否则就需要不同的物理定律去解释其差异，这将违背我们对惯性系的假定。（3）在任何非惯性系（加速场或者引力场），在充分考虑了加速或者引力的影响后，我们以此为基础定义的时间和长度，所测得的相同的质量、长度、时间等物理量应该也是一样的。定义：同时性。两个事件同时发生，指的是在两个参考系系和系中，分别在某个时刻和向它们的中点发出一束光（或者按照某种相同方式定义的某个速度为的物体），在充分考虑了空间的对称性或非对称性的影响之后，它们是同时到达中点的。则我们称系中的时刻和系中的时刻是同时发生的。4同时性的绝对性和空间的相对独立性的证明4.1对于保持相对静止的两个参考系我们假设有两个相对静止的参考系系和系（例如两个相对静止的惯性系、引力场中两个相对静止的物体）图3静系中来回反射的光束从系中A点向系中B点发射一束光并来回反射。（注意，我们在此并不需要假设来回光速c一致，也不需要假设在系和系看来光速都一致，只需要保证来回反射的光子回到初始状态时频率一致即可，因为路径是重复的）假设每次光子被反射的“时刻”对应的系或系“当地”时间分别为：、、、、、、、、、，如图3所示。我们假设：，是系和系之间的时间变换函数。结论1：我们首先证明是线性的。证明：假设在系看来，从A到B光速传播需要时间，来从B回到A需要时间。相应的在系看来从A到B和从B到A需要的时间分别为和，则有如下关系：由于在系看来，，因此，等式左边是线性的，等式右边的变量关系也是线性的，两个坐标系的时间间隔和是线性关系，因此是线性的。证毕。因此，我们可以进一步假设系和系之间的时间函数的线性关系为，，实际上如果是一个真实的物理实验，我们马上可以通过实验数据求出系数b和k。结论2：证明k=1。证明：首先，根据惯性系的假设，在任何参考系中质能方程和普朗克公式：（为光子频率）均成立，并且可验证全同物质具有相同的质量（例如电子、质子、中子等）。我们假定已经按照前面所述的方式统一定义了系和系的时间，由于，那么，根据我们前面对时间的定义，如果k<1，按照同时性的定义，则意味着S系过去了1秒，而中并未过去1秒。也意味着相同能量的光子在S系中的“1秒钟”时间内震动了次，但是同时在系中只震动了次。然而在上述的思想实验中，光子在系和系看来，传播过程对应的时间分别为和、和，所对应的光子传播路程和是完全一样的。那么也就意味着光子无论在S系还是系看来，光子在这段距离和的传播过程中震动的次数n都是相同的。那么也就意味着无论从系还是看来，和、和都对应着能量相同的光子震动了相同次数n，因此根据我们前面对于时间的定义，将得到如下结论：，。因此，k=1。证毕。（备注：对于光子是否处于引力场或加速场，是否产生引力红移等效应并不影响以上结论。因为无论光子是否有引力红移，其传播过程中所震荡次数都不会改变）结论3：在任何相对静止的参考系中，我们只需要适当调整两个构造相同的时钟的指针位置，就能得到一系列在各处指针走势完全相同的同时性时钟。这既适合于惯性系，也适合于处于引力空间的两个相对静止的参考系，同时适合于处于相对静止状态的的加速系。4.2对于处于相对运动状态的两个参考系的证明4.2.1完全对称性情况两个构造完全相同的刚体A和B，获得相同的加速度过程后（例如用一根弹簧连接A和B两端获得加速），A和B的相对运动速度变为v，运动方向为X轴方向（A和B的X轴方向相同）。根据对称性，我们不应该认为A和B任何一方具有相对优势，例如认为A的时间相比B的时间更快，或者A的长度相对B在运动方向上收缩等。根据我们在静系中的结论，我们显然可以在A和B上都沿着其运动方向放置一系列等距离且走势一致的时钟，在A系看来A系上的时钟走势是完全同步且严格同时的；B系看来B系上放置的时钟也是完全同步且严格同时的。如下图4所示（假设加速后A向左运动，B向右运动）：图4对称加速的刚体及时钟假设这些时钟在各自坐标系的坐标位置分别为：其间隔在各自参考系中都相等，且在静止状态下比较A系和B系这些时钟的间隔都相等，即：且：我们假设A和B加速后，在时刻A系和B系坐标原点重合，且和正好处于A系和B系x=0的位置，此时A和B上的所有时钟指针位置都是时刻。假设在A系看来经过后正好与坐标重合（此时与重合……与重合），时间内A相对B运行的距离为。由于“重合”是一个事实，无论是A系看来还是B系看来，该事件都只会在某个时刻发生一次。那么我们显然就可以得出结论：在A系的某个时刻，(n=0,1,2,3,……)，将分别与依次相互重合（需要顺移相应位置顺序）。我们假设A系和B系之间的时间函数和长度函数为:那么根据对称性就有：因此,在每次A系和B系时钟重合时刻比对A系和B系上的时钟，那么一定能看到两个坐标系上面的时钟指针位置是一样的。同时，如果某两个时钟对应的坐标点在某个时刻不重合，就会产生相对运动速度不等于v的情形。例如，如果在时刻和重合，而时刻和不重合，那么当经过时间后，根据匀速运动的假设在的时刻我们将看到与重合。但是因为时刻和不重合，那么此时计算在时间内的运动速度将得到不是v。因此我们得到如下重要结论：结论4：A和B在运动方向上的相对长度实际上是无变化的。结论5：由于惯性系A和B的长度对应的是某个频率的光子震动的次数和传播的距离，因此又可以推论两个参考系A和B的时钟走势是完全同步且严格同时的。4.2.2对于两个非对称的，相对运动速度为v的物体C和D我们可以构建两个全同的刚体A和B，它们一开始相对静止，且分别相对于C和D的速度大小都相同，方向相反（例如相对C的速度为v/2，而相对D的速度为-v/2）。如下图5所示：图5非对称相对运动的物体然后令A和B分别向两个方向做对称的加速运动，加速后使得A相对于C保持静止，B相对于D保持静止。此时由于A和C相对静止，根据之前我们在静系中的结论，它们之间的时钟指针走势经过调整后将会是完全同步且严格同时的。同样的对于B和D也是如此。根据上面动系中的思想实验的结论：A和B之间无论是长度还是时间，都是对称且相等的。那么也就意味着C和D之间的时钟也是完全同步的。假如C和D是刚体，且处于惯性系中，其运动方向上长度也会完全相等。结论6：无论是静系还是动系，在惯性系中的同时性是严格成立的，不存在相对论时间变慢的效应；长度也是绝对相等的，不存在运动方向的长度收缩的问题。即使在非惯性系中，当我们充分考虑了非惯性因素的影响后，这些结论依旧成立。5空间的相对独立性解释及实验检验设计我们还是以两个全同的刚体A和B的思想实验为例，A和B相对运动速度为v。我们在前面已经证明了其长度和时间的相等性质。那么我们假设时刻和正好处于相同位置（X轴坐标重合），在时刻分别从A和B的和坐标位置同时向前方发射一束光，分别经过后（两个坐标系的时间一致），A系的光束到达，B系的光束到达，如下图6所示：图6空间相对独立性的实验检验时刻，和相距的距离为，也就是说实际上出现了我们所谓的“超光速”现象，假如我们在处放置一个镜子把B系的光束反射到A参考系中紧邻的一点（忽略两个参考系之间的距离），那么我们可以发现当A系的光到达时，B系的光经过镜子反射后将同时达到处，两束光是在时刻同时到达的。其原因并不是因为真的发生了“超光速”现象，而是由于A和B的空间的相对独立性引起的。以上的思想实验室可以通过实验进行检验的，我们的确可以通过这种空间的相对独立性，把同一束光先发射到B参考系，然后通过B参考系的镜子向前反射，最后到达某个点后再次通过镜子反射回A参考系。只要A和B相对运动速度足够大，我们就能获得一个非常显著的“超光速”效应。（备注：截止目前，作者还没查到有科学家做过类似的实验。我们以往的对光速进行测量的实验，都是基于同一个惯性系进行的）6.同时性的绝对性和空间相对独立性的应用：对量子纠缠、超巨作用、宇宙爆胀、牛顿水桶实验和马赫原理、测量问题的解释6.1量子纠缠态问题及超距作用正是由于空间具备相对的独立性，那么就会允许两个量子之间处于一种独立的纠缠态状态。测量，意味着对这种纠缠态独立空间的破坏，也意味着测量后纠缠粒子所在空间和测量所在的观察空间的统一。在测量以前，我们可以认为纠缠粒子处于一个相对独立的空间。如果空间不具备相对的独立性，我们是不可能在不影响被测量纠缠粒子的前提下，把两个相互纠缠态的粒子分开的。而对于纠缠态粒子的超距作用，实际上在我们严格证明了“同时性的绝对性”后，就会自然得到解释。“同时性的绝对性”保证了两个粒子之间的能量、动量、角动量的瞬时守恒问题。反过来，如果没有“绝对的同时性”作为保证，空间的相对独立性也就得不到保证。因为空间的相对独立性所造成的物质之间的能量、动量等守恒问题，必须通过绝对的同时性才能够得以保证。6.2原子中的粒子运行轨道问题我们目前以不确定性原理来回答粒子在微观层面的问题，其假设的前提是：我们一直认为微观粒子的时空与我们观测者的时空是统一的，只有在统一的时空中，我们才能统一的规定粒子的位置、速度等信息。然而如果粒子在微观领域其空间具有相对的独立性，那么我们在观测前将会无法预言其在独立空间中的状态，包括速度、位置等信息。在观测以前我们不能去定义另一个独立空间中的粒子的位置、速度等信息，除非我们对它进行测量。6.3宇宙膨胀的一个思想实验我们假设有物体，物体沿着X轴方向运动，每个物体上都有一个透镜。其中相对的速度为v，相对的速度为v，相对的速度为v，以此类推，后面的物体相对前面物体的速度都为v，如下图7所示：图7宇宙暴胀思想实验（备注：图中标注的速度v，指的是相对前一个物体的相对运动速度，而不是相对观察者）我们假设nv>c，其中c为光速。那么我们将得到如下结论：和之间的空间膨胀速度将会超过光速。如果有一束光从出发分别穿过、……上面的一个个透镜直到，上有一个反射镜，然后再把光束原路反射回来。为了简便计算，我们假设一共只有这四个物体，它们相对于前一个物体运动速度为c/2，即相对于以c/2运动，相对于以c/2运动，相对于以c/2运动，其中c为光速。我们假设时刻有一束光从出发向发射，时刻和、和、与的距离都是。这束光从到传播需要的时间为；光子到达的时刻为。时刻、之间的距离为，光束在时刻从出发到所需要时间为；因此光束到达时的时刻为，此时和的距离为；光束在时刻从出发到需要的时间为，光束到达是的时刻为。当光束到达时，时刻和的距离我们假设为，和的距离为，和的距离为，则有：此时到的实际距离为：，相比时刻到的距离，增加了；而光速从到所用的时间仅仅过去了，因此和之间的空间膨胀速度为：很显然和之间的空间膨胀的速度超越了光速c。同时，光子依旧可以原路返回，分别经过，最后回到，光子并不会因为和之间的空间的超光速膨胀而无法到达，因为空间是相对独立的。推论：宇宙的这种超光速膨胀并不意味着两端的光子将永远无法到达对方，而是会经过一个个相对独立的空间到达对方。然而根据狭义相对论的速度变换公式，我们知道和的相对速度不会超过光速，因此它们之间的距离增加速度不会超过光速。之所以会这样，是因为狭义相对论中没有对空间的相对独立性进行区分，把两个相对独立的空间混同成一个公共的空间。6.4对牛顿水桶实验和马赫原理的解释我们知道牛顿以水桶实验来理解绝对空间；而马赫以水桶中的水是相对整个宇宙运动来解释相对性原理[11]。那么，我们下面考虑如下思想实验：物体A、B和C、D静止质量分别为2m，一开始A、B、C、D与S系保持静止状态。然后通过消耗自身质量转化为相对运动速度，相对S的速度大小分别为v(沿着S系的X轴方向运动)，A、B和C、D分别消耗掉自身质量为m对应的能量。如下图7所示：图8对马赫原理的解释此时，根据动量守恒和能量守恒，在S系看来A、B、C、D的动质量相等且都等于：其中：，因此在S系看来A、B和C、D加速前后能量和动量都是守恒的。根据狭义相对论速度变换公式[9]，在A看来B和D的速度和为：而此时从A系的角度看，B和D的动质量和为：那么从A系的角度看到的A和B的总质量（对应总能量）为：也就是说，如果按照相对论变换公式计算，加速后在A看来，A和B的总质量和总能量增加了。然而根据能量守恒定律，这是不可能的。而如果A和D相撞，相撞后其静止质量将会是4m，而不会是。出现这种原因的解释：实际上物体A和B的加速过程是有意义的，我们谈论A和B的相对运动速度并不完全是仅仅和相对运动的物体A和B相关，而是同加速的过程及其加速的相对空间S系相关。而所谓的加速相对的空间，实际上就是由加速物体A和B及S系所构成的一个“相对独立”空间，这是加速前的惯性系空间。因此，正如马赫原理指出的，水桶里的水运动的相对的“空间”，是由我们宇宙物质所构成的总空间决定的，能量动量的守恒由“绝对的同时性”来保证。结论7：空间是由物质所决定和定义的，我们宇宙的能量守恒和动量守恒由“