爱华网对爱因斯坦《狭义相对论》的质疑
中国三江航天集团研究员刘世良
1、从“绝对时空观”发展到“相对时空观”
大家都知道，意大利科学家伽利略和英国科学家牛顿是经典力学的创始人。
1687年牛顿发表了著名的《自然哲学的数学原理》，完成了具有历史意义的发现——运动三大定律，又讨论了万有引力和天体的运动。牛顿用他自已发明的微积分，成功地处理了引力理论中的双体问题和三体问题。可以说，经典力学在当时的历史条件下，对人类的进步和发展作出了重大贡献！
经典力学中有一个名词，叫做惯性系。它是指一切容许匀速直线运动定律成立的参考系。若要使力学定律成立，坐标系的运动状态不能任意，必须没有加速度（只是匀速运动），也没有转动（只是直线运动）。例如在太阳系中，对太阳而言地球并非作匀速直线运动，所以严格地说地球并不是惯性系。但我们在考虑地面上一些运动现象时，地面参考系仍可作为惯性系看待。
经典力学认为：力学定律、时间、长度、加速度、质量以及同时性等都是绝对的，只有物体运动的坐标和速度才是相对的。这就是牛顿的“绝对时空观”。但是，这种“绝对时空观”和不与高速运动相适应的缺陷直到19世纪末才逐渐暴露出来。1891年由于电子的发现，使科学家们第一次面对高速运动的微观粒子。这时，牛顿的经典力学就显得无能为力了，它已无法正确解决质点高速运动的力学问题。因此，经典力学只是一种仅适用于作低速运动的宏观物体的力学理论。
恰逢此时，艾伯特·爱因斯坦大师在德国小城乌尔姆诞生了（生于1879年3月14日）。1905年9月，年方26岁的爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上相继发表了《论动体的电动力学》和《物体的惯性同它所含能量有关吗？》两篇文章。1907年爱因斯坦又发表了一篇长文《关于相对性原理和由此得出的结论》。这三篇文章包含了狭义相对论的基本思想和主要内容，也是我们讨论的依据。
那么，爱因斯坦《狭义相对论》就竞与牛顿《经典力学》的基本思想有什么不同呢？爱因斯坦认为：宇宙中只有物理定律、光速两者是绝对的，其他（包括时间、长度、质量、同时性等）都是相对的。于是，长度、时间都随参考系的运动而改变，故空间、时间都是相对的，并且互相关联。这就是爱因斯坦的“相对时空观”，也正是“相对论”一词的由来。为什么又叫“狭义相对论”呢？这是因为这部分理论只适用于作相对匀速直线运动的惯性系统。
2、《狭义相对论》主要内容的回顾
爱因斯坦的《狭义相对论》可概括为10个主要方面，即1个变换、2个公设、3个公式、4个推论。下面就简略介绍一下这10个方面的主要内容：
（1）、1个变换就是洛伦兹变换，它与伽利略变换不同，伽利略变换认定不同参考系中时间是绝对的，速度（包括光速在内）是相对的。而洛伦兹变换则认定时间是相对的，光速是一个恒量。如果物体的运动速度远远小于光速时，那么洛伦兹变换就简化为伽利略变换了。
（2）、2个公设：第一个公设就是物理定律在一切惯性系统中都相同，也就是我们通常说的“狭义相对性原理”。这意味着在一切惯性系统中不但力学定律同样成立，电磁定律、光学定律、原子定律等物理定律也是同样成立的；第二个公设就是“光速不变性”公设：即真空中光速是一个常量，与观察者或光源的运动无关，与光的颜色无关。更明确地说，真空中光速c与光的频率、光源的运动、观察者的运动无关，而总是保持为恒定的数值（c=299792458m/s）。
（3）、3个公式就是速度合成公式、质量速度公式和质能关系式：
a、速度合成公式：当某系统以速度v运动时，如系统中某物体又以速度u向同方向运动，则狭义相对论的合成速度w如下式表示。显然，只有当u<<c、v<<c时，该式才与牛顿力学一致：w=v+u。
b、质量速度公式：m为任何粒子或物体的动质量，mo为其静质量，如果其运动速度v>c，则m成为虚数。因此，爱因斯坦认为虚质量是无意义的，这也是狭义相对论说“不可能有超光速运动”的理由之一。
c、质能关系式：E =mc²1922年爱因斯坦曾对该式作了如下说明：由此可见质量和能量在本质上是类同的，它们只是同一事物的不同表达形式而已。物体的质量不是一个常数，它随其能量的改变而变化。
（4）、4个推论就是运动方向的长度缩短，运动的时钟变慢，光子静止质量为零，物质和信息不可能以超光速运动。
从以上回顾可以看出，《狭义相对论》主要内容集中体现在“1个变换、2个公设”之中，它们之间又紧密地联系在一起。至于“3个公式、4个推论”则是从以上三者派生出来的东西。
3、爱因斯坦《狭义相对论》中的主要问题及质疑
《狭义相对论》从提出至今已有103年的历史。目前由于《狭义相对论》无法园满解释许多现代物理学问题，中国、美国、德国的一些科学家正设计各种实验以重新检验《狭义相对论》的正确性。近十几年来，国际科学界的质疑主要集中在：“光速不变性”公设、“运动方向的长度缩短”推论、“光子静止质量为零” 推论，以及“物质和信息不可能以超光速运动”推论等四个方面。产生质疑的原因，归根结底还是实验的确证不足，而反证实验却不断增加。
（1）、关于对“光速不变性”公设的质疑：
光是一种电磁波，是一种在电磁场中传播的波动，电磁场中的波动应该有其特征速度，这一速度等于光速，就像静止的空气中的声波的速度是一确定值一样。又因为光速与源速无关，光速对于绝对坐标系而言是一个常数（这点实际上在麦克斯韦及洛仑兹的电磁理论中已得到了证明）。它可以体现出绝对坐标系的某些特征，所以光速有其不变性的一面。
另外，《狭义相对论》认为对一切观测者而言光速都是等同的，光速与接受者的速度是无关的。而我们则认为光速与接受者密切相关，即观测者的速度将直接影响接受者所测得的光速：与光同向运行的接受者测得的光速要变小，与光逆向运行的接受者测得的光速将要变大。例如对3K微波辐射及对射电星系的无线电波进行的观测均发现了在地球运动方向有明显的各项异性。这些天文学实验确切地证明了光速与接受者的速度相关。因此光速又是可变的。
总之，光速仍然扮演着一个重要而又特殊的角色。其重要性是指一些基本的概念需要由它来定义（如绝对坐标系等），其特殊性是指它是一个既变又不变的量等等。
（2）、对“光子静止质量为零”推论的质疑：
“光子静止质量为零”实际上是《狭义相对论》第二个公设的推论，因为爱因斯坦认为：光在真空中相对一切惯性系都以不变速度c传播，就不会有光子的静止系，因此光子静质量必须为零。同时，按《狭义相对论》推论，光子将尺缩为零，光子是没有体积的质点。与此相仿，光子的钟将停滞不前，失去时间概念。这件事一直使科学家放心不下，为此进行了多项实验。在20世纪70年代，著名的实验物理学家丁肇中在汉堡的加速器上做光子和电子的实验时，他发现光子并不是没有静质量。当光子能量很高时，会迅速成为有一定寿命和质量的粒子，他给这种现象起名叫重光子。1998年日本人小柴昌俊公布的实验结果：中微子有静质量，其值约为10¯³³克，并因此获得2002年Nobel物理奖。我们知道，光子与中微子极为相似，这是很值得注意的。2003年2月28日出版的美国《物理学评论快报》刊登了中国华中科技大学物理系教授罗俊及其课题组在“用精密扭秤检验光子静止质量的上限”的课题研究中取得新成果。在任何情况下，光子的静止质量都不会超过10的负54次方千克，这一结果是之前已知的光子质量上限的1／20。或者说是一个电子质量的10的负24次幂。对此美国物理学家R勒克评论说：“你决不能肯定地说什么东西绝对就是零”。
（3）、对“不可能有超光速”推论的质疑：
我们知道，1925年一批欧洲的物理学家创立了《量子力学》，尽管它描写的量子世界与人类的生活经验常常大相庭径，但83年来的科学史实证明，它绝非一种空洞而不切实际的理论，它已解决了许多科学技术发展中亟待解决的实际问题。因此说它是科学上极有成就的科学分支，完全具备现代科学理论的特征。
《狭义相对论》在本质上具有经典性、宏观性和局域性，而《量子力学》则表现为非经典性、微观性和非局域性，因此两者在根本上不具有一致性。这也正是爱因斯坦坚持不渝地反对《量子力学》的原因所在。《狭义相对论》不允许超光速状态，但《量子力学》的非局域性表示出现超光速是可能的。实际上，超光速问题正好表现出《狭义相对论》与《量子力学》有尖锐矛盾的证明。
近十几年来，许多科学家相继报告了非实体物质（电磁场、波动、光脉冲等等）有关超光速实验及其结果。例如，1992年美国伯克利加州大学以R.Chiao为首小组所作的“光子赛跑”实验，得到光子速度1.7c(c是光速)；1992-1997年德国科隆大学G.Nimtz教授在微波测到的结果是4.7c和4.34c；2003年一季度北京广播学院由黄志洵教授、逯贵祯教授及研究生关健组成的课题组，进行了在无线电波频率上的实验，用模拟光子晶体的同轴系统获得了阻带中的超光速群速，数据分布在（1.5~2.4）c。目前的情况是，在各个不同的国家，都有经历背景、专业学科各式各样的专家学者，用理论或实验的方法研究超光速问题，得到了“超光速可能性”的肯定的结论。这绝不是偶然的现象。
4、只有突破“光障”，才是宇航科技发展的必由之路
纵观爱因斯坦的一生和贡献，他不愧是一位伟大而出色的科学家。我们知道，在自然科学研究中“实践才是检验真理的准一标准”。目前很多实验表明：爱因斯坦的《狭义相对论》并不是绝对真理，它仅是一种基本正确、只适用于亚光速、有自身局限性的理论。《狭义相对论》在某种程度上仍是一种经典理论，需要根据新的情况、新的实验作出改进和发展。
国家政协原副主席、中国工程院前院长、国家科委原主任、两院院士宋健教授说得好：“现在，超光速研究的环境宽松多了，不是离经叛道的事情了。爱因斯坦《狭义相对论》对速度的约束，到处起作用。从宇航角度讲，半人马座的比邻星距地球4.3光年，天狼星距地球8.8光年；飞船永远不能超光速，如果真的这样，人类大概永远不能飞出太阳系。宇航受到限制，只能在太阳系里打转，真是令人沮丧的限制。那么，人类永远只能被困在狭小的太阳系里等死，怎么能在浩瀚无垠的宇宙中自由翱翔呢！”
他又说：“据最新报道，慢光速、零光速都做成功了。超光速也可能会有突破。按狭义相对论，超光速时出现‘虚质量’，这或许不成问题——电磁学里的电感、电容，不也是‘虚’的吗？！另外，超光速问题也关系到未来的宇宙探索。物质究竟为何不能超光速呢？！据说是因为v>c时，一个式子的根号会成为虚数，但我们搞工程的人，有时不大承认那种“数学公式上的困难”是绝对不可克服的困难。总之，超光速研究涉及的面非常广，要解放思想来研究，要组织合理的实验。”
他还鼓励大家说：“从事基础科学研究必须解放思想，努力做原创性工作。光速在工程科学界的视角上来讲形成了“光障”。大家知道，1947年10月14日首架超音速飞机在美国试飞成功。而突破“音障”以后的航空业极大地带动了科学技术的发展。那么，今天摆在人类面前的“光障”能否突破呢？！工程科学界有自己的干法，要做实验；数学家、物理学家也要考虑这个问题。科学发展总是在不断地发现新矛盾，解决新问题，在探索中前进的。”
目前，国内、外有许多知名的科学家都同意宋健教授的观点，如中国科学院院士、电子科技大学教授林为干先生；北京广播学院的微波工程教授，博士生导师黄志洵先生；中国工程院院士、中国科学院院士王越教授；中国科学院院士黄宏嘉教授；中国工程院院士院士范滇元教授；德国科隆大学GünterNimtz教授:；美国Portland州立大学倪光炯教授--------等等。特别是近年来，有不少超光速论文已能在国际一流杂志上发表。事实证明，科学无禁区，科学在发展过程中并不承认“永久的权威”。
参考文献
1、狭义相对论研究中的若干问题北京广播学院黄志洵教授
2、狭义相对论的理论发展和实验检验北京广播学院 黄志洵教授
3、超光速研究的理论根据北京广播学院黄志洵教授
