牛头梗小城堡
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这要从何说起啊你怎么知道时间慢
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学术动态 №1213 卢所北京部 2005/06/3 p.7001-7031摘 要 主要介绍目前国内非主流派研究相对论，挑战相对论的简况。在论述对单纯从数学完美出发的广义协变原理的研究与挑战时指出，毛泽东于1974年与李政道谈话时表示，他完全不能理解对称在物理学中会被捧到如此高的地位。实际上，数学完美方面的对称理论依赖于极为高深的数学工具，单纯为了普及的目的也要发展数学完美方面的不对称理论（但其符合物理方面的对称性，如能量守恒原理等）；即从物理意义出发而不是从数学完美出发，发展和应用这种不对称理论以取代广义相对论等对称理论。这可能是一个正确方向，也可能是中国人的优势和特长。我国部分学者已经在建立这种不对称理论以取代相对论方面迈出了重要而坚实的步伐。另外，针对等效原理，时空理论，相对性原理，光速不变原理和超光速，洛仑兹变换，相对论的若干结果（尺缩钟慢等）以及统一理论等问题论述了研究与挑战相对论的主要成果。超越相对论的途径主要有三个。第一个：完全抛开牛顿理论和爱因斯坦理论，建立全新理论。其中部分新理论可以导出或涵盖牛顿理论和相对论的有关公式。第二个：保留相对论的合理部分，修改和革新爱因斯坦理论。第三个：回到牛顿的出发点，修改和革新牛顿理论。最后，包括超越相对论在内，更广泛更重要的问题是中国科技界如何重现四大发明时代的辉煌，对于这个问题，许多人认识到：中国科技界绝对不能跟在别人的后面爬行，必须尽量发挥自己的优势，包括从几千年灿烂文化和科技成果中吸取营养，实现跨越式的前进。中国科技界最大的优势是什么？是中国科技工作者对唯物辩证法与自然辩证法的理解与掌握超过其他任何国家的科技工作者，而且在应用唯物辩证法与自然辩证法方面已经取得初步成果。关键词 相对论；研究；挑战；超越前言2004年6月，联合国大会第58次会议通过决议，确立2005年为“国际物理年”。中国物理学会在2005年新年寄语中说，伴着新年的钟声，“世界物理年”——每个物理学工作者自己的节日终于来到我们身边。在这激动人心的时刻，让我们追忆过去，展望未来，使“物理”这一基础学科重新辐射出迷人的光彩。新年寄语中还说，爱因斯坦在1905年完成那些旷世之作时只有26岁，他对自然界运行规律的非凡洞察力令所有物理学家赞叹不已。可是，百年已过，爱因斯坦并未被超越。爱因斯坦真的无法超越吗？1988年诺贝尔物理奖得主L.M.莱德曼坚信，在全球60亿人口中，一定有一颗年轻的、与爱因斯坦同样智慧的心等待着被发掘。让我们去寻觅，共同努力创造物理学光辉的未来！提到“世界物理年”，必然要提到爱因斯坦，必然要提到相对论。然而不同的人，对于爱因斯坦和相对论的评价是不一样。至于如何超越爱因斯坦，如何超越相对论，更是仁者见仁，智者见智。在古老而辽阔的中华沃土之上，包括主流派与非主流派在内的一大批有识之士正在为超越爱因斯坦，超越相对论进行艰苦卓绝的奋斗。特别值得提出的是，在资金极少、条件奇差的情况下，在研究相对论与挑战相对论的非主流派之中产生了许多可歌可泣的事迹与众多的丰硕成果。由于这些成果只有极少数能够公开发表，为了比较全面地反映国内非主流派研究相对论与挑战相对论的主要成果，根据北京相对论研究联谊会和吴水清会长的工作安排，在许多同行与前辈的大力支持下，我们在力所能及的范围内，根据收集到的远非全面的资料写成此文。希望对今后研究相对论与挑战相对论的工作能够有所裨益，更希望能够起到抛砖引玉的作用。本文主要包括对相对论的总体评价及部分评价，以及对狭义相对论和广义相对论主要观点、主要理论依据的研究与挑战。其中以非主流派的成果为主。北京相对论研究联谊会吴水清会长对《格物》杂志提出的审稿规定为：所有稿件均以“创新”、“自恰”和“文责自负”三条标准衡量采用，不作立论正确与否的评判。这也是本文收录有关研究成果时的准则。1 对相对论的总体评价及部分评价关于对相对论的总体评价，北京相对论研究联谊会网站（）曾对以下五种观点进行过投票，自2003年9月23日12时起至2005年5月2日10时止，共有1425人参加，其结果如下：（1）绝对错误，736人，占51.65%；（2）完全正确，188人，占13.19%；（3）需要修正，406人，占28.49%；（4）无所谓了，40人，占2.81%；（5）没有必要，55人，占3.86%。从上面的结果可以看出，认为相对论完全正确的只占极少数，而认为相对论绝对错误的竟然超过半数。考虑到一些人并未对相对论做出过总体评价，另外“需要修正”的观点还可以进一步细分。因此为了便于讨论，对相对论的总体评价及部分评价主要包括以下几种观点：（1）相对论完全正确，在其框架内就可以进一步发展和提高；（2）相对论绝对错误，需要完全重开新路取而代之；（3）相对论功大于过，需要纠正其部分错误并修正相对论；（4）相对论过大于功（或功过相当），需要在吸收其合理部分的基础上重开新路取而代之；（5）不涉及对相对论的总体评价，只讨论与相对论直接或间接有关的具体问题。在非主流派中，持第一种观点的人极少；持第二种观点的人要比持第一种观点的人多得多。也有为数不少的人持第三到第五种观点。需要特别强调的是第五种观点。因为持第五种观点的人所涉及的范围最广泛。其中不但有自然科学工作者，而且有社会科学工作者，特别是包括一些举足轻重的哲学大家。实际上，本文将用一定篇幅依据第五种观点对一些问题进行讨论和展开。下面列举一下对相对论的总体评价及部分评价的主要观点和较有影响的观点，以及有关的历史事实。宋健院士大胆质疑爱因斯坦，呼唤青年科学家敢于创新。他在第242次香山会议上宣读了题为《航天、宇航和光障》的科学报告。其中指出，整整100年前，爱因斯坦在他发表的那篇震惊世界科学界的关于狭义相对论的论文中，曾经提出过一句名言：“不可能存在任何大于光速的运动。”当今的科学界将此称为“光障”。然而，这个“外推”至今并没有任何直接试验的证明。近年来航天技术的发展，已经促使科学家们细察和反思：为什么飞船不能超过光速呢？目前飞船的最高速度为每秒16公里，即使再提高两个数量级，达到每秒3000公里，往返离太阳系最近的另一个类似太阳的半人马座比邻星，起码需要400年!宋健等航天科学家们心里清楚，火箭发动机喷气速度必须接近或超过每秒30万公里的光速，人类才有可能在3至5年内完成这段4.2光年的宇宙往返旅程，否则就永远只能在太阳附近打转转。卢鹤绂格物研究所所长，加拿大福特贸易公司总裁卢永亮于2004年6月11日在北京相对论研究联谊会首届年会上的讲话《挑战爱因斯坦相对论的前前后后》中指出，卢鹤绂院士在研究中发现爱因斯坦相对论有许多不足之处，所以他从1976年开始研究宇宙真空场结构。在1991年与他的助手王世明先生写出了《对马赫原理的一个直接检验》的论文，出版在美国《迦利略电动力学杂志》1995年最后一期11月—12月合刊上。杂志主编海顿在这篇论文的前言中，评论说这篇论文开辟了挑战爱因斯坦理论的新方法。论文发表后，曾为论文立下汗马功劳的西敏?里和休斯顿大学物理系主任汉格弗立即写出评论，祝贺这一惊人的重要成就，说它超前了科学30年。美国各主要中文报刊根据我大哥拟就的新闻稿要点，分别报道物理学上这一最新进展。我大哥草拟的新闻稿要点如下： 它是根据由光子的惯性运动引起的横向多普勒效应，对照美国物理学家IVES和STILWELL的实验数据，经过周密的计算，得出2个重要的结论：1、 横向多普勒效应在宇宙空间是各向异性的。2、 光子的惯性属性是由整个宇宙结构所决定，是符合MACH原理的，而以一种直接的方法检验了MACH原理的正确性，这种检验是对爱因斯坦理论的一个严肃挑战。试想爱因斯坦的相对论讲的是纯引力的，而宇宙不是纯引力的，怎么能用纯引力论的爱因斯坦相对论来概括宇宙的演化规律，爱因斯坦在1920年阿姆斯特丹讲话也说过现在物理还不完备，还是二元论——电磁力和引力的二元论，空间和星球的二元论，卢鹤绂的理论已冲向霍金所指望的终极理论，霍金思维没有摆脱爱因斯坦，而卢鹤绂的理论已超出了爱因斯坦理论。我父亲在越洋电话里接受美国各方祝贺时，概括地说，这篇论文“不过把天空戳了一个洞罢了”，也就是说把爱因斯坦的引力论戳了一个洞。我父亲认为他的论文是赞成马赫的理论，马赫的理论不片面，不分离看问题，将整个宇宙连在一起分析，而爱因斯坦理论在地球及其附近可用，但远了就不适用，我父亲认为：爱因斯坦的理论和现在主流物理学是局部看问题，把宇宙分开来研究，对此表示很不赞成。这篇论文是我父亲挑战爱因斯坦的第一篇，是序幕，他还准备了许多篇，准备分期分批的发表，遗憾的是他不幸走了，经过他草拟的第二篇论文，在2000年7月俄罗斯圣彼得堡开的会上，我们宣读了，提出了宇宙量子引力方程，把4种力统一起来，电磁力、引力、强、弱相互作用力，但由于没有我父亲的最后定稿和润色，它的发表没有像第一篇论文那样引起轰动。北京相对论研究联谊会名誉副会长、中国科学院高能物理研究所前所长、美国《格物》杂志名誉总编、《高能物理与核物理》杂志总编郑志鹏研究员明确指出:对于相对论研究，应该允许有不同意见，让不同意见的人发表看法。我们提倡'百花齐放，百家争鸣'的方针，摆事实，讲道理，不抓辫子，不扣帽子，不打棍子，不进行人身攻击，这才是正确的态度。什么事情都应该讲究创新，那能够一成不变。对于相对论研究，也应该这样。只要拿出事实来，用实验来证明，有科学的依据，我们就应该承认。对于相对论不能说'不'字，这才是不正常的。在爱因斯坦相对论问题学术会议（2000年7月29-30日，北京）上，许少知、郝建宇和李映华等10余位学者坚持：会上揭示出的论据足以证明，相对论是一个建立在错误的数学基础和虚妄的理论前提上的理论体系，无科学价值，说它"已获实验验证"是失实的。卢鹤绂格物研究所研究员，卢鹤绂格物研究所北京工作部顾问，北京相对论研究联谊会名誉副会长，美国《格物》杂志编委郑铨（1924-2004 ），于1961年提出“迈克尔逊实验否定光速与光源无关”的论点，还在世界上首次提出光子具有静止质量等观点。1990年1月，正式出版我国第一本非物理专业学者评论相对论的专著《近代物理学问题——相对论质疑》。并从2000年起刊于自办网站（Http//quanzheng.yeah.net）。他的《我对当前相对论研究的看法》和《我之研究相对论经历》分别在卢鹤绂格物研究所北京工作部主办的《学术动态》第180期第542页至第543页和第181期第544页至第546页发表。在第12届卢鹤绂论坛发表《时空观是物理学的基础》长篇报告，发表了研究相对论以来的主要观点。雷元星所著由四川科技出版社2001年出版的《时空大乱——爱因斯坦相对论批判》一书附录《质疑与否定“相对论”的部分学者及其论著简介》中，首推郑铨和他的专著《近代物理学问题——相对论质疑》，写道：“郑铨是科学出版社的编审，1982年10月就完成了《近代物理学问题——相对论质疑》一书，因众所周知的原因，拖到1990年1月才得以在学术书刊出版社出版。”他在《近代物理学问题——相对论质疑》一书中的主要观点有：①哥白尼的日心说是经受过大量事实所检验的。爱因斯坦没有回答应该回答的各种问题，仅仅根据运动只具有相对性的理由，轻描淡写地把托勒密系统和哥白尼系统放在等同的位置，是不能令人信服的。②相对论所用的公式和牛顿的没有什么两样，在惯性质量和引力质量相等的这一点上也没有什么两样，却好像发现了什么牛顿力学没有发现的新东西，不免令人有一种故弄玄虚的感觉。③相对论把质量增加效应和时空变易效应联系了起来，从而认为光子的静止质量等于零。接纳这种理论，其结果必然导致经典物理学质量守恒和能量守恒两定律的否定，而这两个定律的否定又是产生各种分歧意见的一个重要原因。④如果实验结果是飞行原子钟与地面原子钟走得一样快，相对论者又会说这是因为向东和向西飞行的原子钟与观测者的相对速度一样。也就是说不论任何情形的发生，均可说相对论得到了验证。岂能令人置信？⑤有人把黑洞看成为广义相对论的验证，其实黑洞仅只是一种密度大的天体。这种天体是否存在尚难肯定，即或是存在，并不能说是对广义相对论的验证。因为按照牛顿力学的观点，也可以得到相同的观点。郑铨在《相对论的关键》中指出，相对论有以下几个关键问题：1、相对时空观是相对论的核心观点，也是最有争论的观点。所根据的是由迈克尔逊实验得出的两项光速基本原则，这两项基本原则是否能同时成立，是最主要的关键。2、爱因斯坦认为旋转圆盘上的观察者有权说圆盘是不转的，信奉相对论的先生们大概不是外星人，是不是有权说地球是不转的。3、相对论认为光子静止质量为零，质量可以变成能量，但实验证明光子是有静止质量，相对论者如何解释。相对论者除了用单程光速不可观测的理由为光速问题进行辩解，其它问题则避而不答。只是，利用人们对数学的敬畏心理用抽象数学的公式，给人们一种神圣不可侵犯的印象，应该承认在物理学中数学的确起着重大作用，但也常常造成紊乱。章钧豪从1980年起，根据国外有关科学观察、实验的结果和最新变化，开始了对引力的理论探索，他以“时空是平直的”为基础，提出了一个新的引力理论———狭义相对论引力理论。章钧豪告诉记者，牛顿的引力理论主要包括两条公式，即“能量变化公式”和“角动量不变”。爱因斯坦在“角动量不变”这点上与牛顿相同，但在“能量变化公式”上，爱因斯坦的值是牛顿值的两倍。到了大约1980年前后，人们又做了一个叫“光红移”的实验，在实验中，人们发现，实验测出的能量变化值是牛顿值，而不是爱因斯坦值。这些实验综合起来告诉人们，牛顿的“能量变化公式”没有错，“角动量不变”错了。这进而可以推导出的结论是，爱因斯坦广义相对论导出的基本两个公式全都错了，由这两个公式去推导物体的运动轨迹就完全失去意义。章钧豪说：“我的理论的第一个结论，就是爱因斯坦的广义相对论与实验不符，这个极简单的推理是无可争辩的。已做过的实验是探测静止物体产生的引力场，全部的实验结果都表明，时空不是弯曲的，而是平直的。” 1990年至1995年间，章钧豪相继在著名的《国际理论物理杂志》发表了5篇论文，比较系统而完整地阐述他在引力方面的理论研究成果。（以上见：2004年06月22日广州日报大洋网）宋文淼在参考文献[1]中，从工程科学发展的角度探讨了相对论、量子理论和宏观物理学之间的关系,它们之间的矛盾和共同点,以及如何在共同的发展中寻找建立更加深刻的物理理论的可能途经。李映华在参考文献[2]中，提出了系统地修正牛顿力学，指出爱因斯坦相对论是谬误体系。江正杰在《对爱因斯坦《相对论》的综合评述》中指出，爱因斯坦《相对论》是面对任何科学难题当从科学角度不能解释时，从相对不科学的角度都能够解释的全能理论，它是不严肃科学的化身！他告诉我们不用追求科学难题的解决， “用相对不去解决的好办法什么都可以解决”。什么科学上几朵乌云的否定！对于解释不了的科学难题，他都用剔除法解决掉。以至于现在谁要是投稿一篇关于以太（以太已被他称作一朵乌云用剔除法剔除掉）的文章，世界上任何杂志没人敢发表，严重阻碍了物理学科学研究的发展！《相对论》这种“对于不解决一切科学难题的相对解决方案”，对科学的发展毫无意义！这种无所不能的诡辩术对科学无益！二十世纪人类科学的发展不是《相对论》理论的作用发展起来的，而是通过实践的道路发展起来的。齐新在《智胜爱因斯坦——发展科学宇宙认识》中指出，从二十世纪中叶开始，爱因斯坦相对论就被少数人推举到了科学史上最伟大科学理论的巅峰，他们宣称相对论是关于时间、空间、相对运动、相互作用和物理参照系等事物的伟大真理，由于这种说法的长期广泛传播，相对论是伟大科学理论的说法似乎已经成为人们的共识。但是，事实表明，关于相对论，自始至今只有少数相对论专家敢于宣称眼见心明（实际上也未必是全都真的眼见心明！），绝大多数阅读过相对论的人则都表示难于理解这个伟大科学理论。这是一本旨在帮助公众增长智慧的科普书。本书介绍了作者研究爱因斯坦相对论问题和科学宇宙认识问题的起因，探索过程，已经获得的独立认识。作者希望，通过阅读本书指出的关于时间、空间、相对运动、相互作用和物理参照系等事物的客观事实，以及把爱因斯坦相对论与上述客观事实所作的比较和评述，读者能够广泛深入地了解有关的客观事实，并对爱因斯坦相对论到底是什么获得独立认识。走到这一步，就达到本书所说的"智胜爱因斯坦"的追求目标了。杨本洛在《自然哲学基础分析——“相对论”的哲学和数学反思》一书中，遵循自然科学的物质第一性基本原则及科学陈述的逻辑自洽化基本原则，注重理论研究的整体分析和历史分析，对相对论，以及对自牛顿力学开始的自然科学，从哲学和数学两个方面进行了涉猎较为广泛的研究，提出了系列属于他个人的原创性观点。周江华在《对爱因斯坦《相对论》的综合评述》中指出，广义相对论从不同时空观角度对引力进行思辨方式的解释，根本无法回答最现实的引力本质问题。如：地球（星球）自身物质凝聚引力是怎样形成的，直到现在引力的本质仍然是需要人们揭示的物理科学难题。试问相对论 “物体近光速物体质量无穷大理论”，是否意味着人类只需要生产一个馒头，只要提高这个馒头的速度就会变成质量无穷大的馒头，满足全人类粮食的需求？当我们读完爱因斯坦《相对论》时，你是否有这样的感觉，首先他自己先把名词概念搞混淆，然后把你带入到这个搞混淆的名词概念当中去，使你在混淆的名词概念中纵横驰骋，给你带来无限的勇气从事着混淆名词概念的专项研究，你看懂了你就成才了，你便可以揭示一切科学难题。当然，也有一些学者对相对论的评价很高。沈惠川在《我的世界线：相对论》中指出，Einstein和相对论成了我的信仰，并成了我自己的一部分。在物理学中，能够“永远站得住脚”的，除了分析力学（包括Lagrange力学，Hamilton力学和Birkhoff系统动力学），热力学外，就是相对论（包括狭义相对论和广义相对论，或称为特殊相对论和一般相对论）。这三门学问可说是物理学中的“铁三角”，是其它物理学科必须遵守的“约束条件”；是物理中的物理，是物理中的哲学。其余的学问，包括量子力学在内，都是在变化的，不一定全对。……相对论要求一直是我审视其它文章（包括自己文章）的基本标准。值得重视的是，曾康一在参考文献[3]中，不但对牛顿力学、相对论、量子力学提出挑战，论证了物质运动在时空、物质、能量、力场等方面的广泛统一，建立了物质运动的一种普遍性定律体系，证明了超光速运动的存在，预言了基本粒子的深层结构等；而且提出新的数学理论—函变微积分理论。目前，对于相对论最有力的挑战之一，可能来自作为哲学家的毛泽东。这一点似乎尚未得到足够重视。其原因这也许是由于这一挑战是间接进行的。如所周知，广义相对论是最成功的从数学完美出发的对称性理论。而且到目前为止对称性理论几乎统治了物理学界。关于对称问题，许多西方自然科学家的认识水平远在中国现代哲学家之下。毛泽东于1974年与李政道谈话时表示，他完全不能理解对称在物理学中会被捧到如此高的地位[4]。如果按照这一观点，就应当将“对称”从物理学的神坛上拉下来，这就从根本上构成了对相对论的挑战和动摇。关于这一点，我们还将在下面详细论述。从数学完美出发的对称理论依赖于极为高深的数学工具，这是广义相对论至今不能普及的根本原因。单纯为了普及的目的也要发展不对称理论。发展和应用不对称理论可能是中国人的优势和特长。实际上，我国部分学者已经在建立不对称理论方面迈出了重要而坚实的步伐。崔君达在《关于量子力学的解释》中，针对有人提出他的“复合时空论不满足协变性要求”时说，是的！是这样！但并不能为此而说复合时空论是错的！实际上，各位“量子力学大家”们应该有一点量子力学的最起码的常识，就是薜定格方程本来就不满足相对论协变性要求！那他们为什么不对薜定格方程提出指责？！实际上，复合时空论在1979年召开的数学物理讨论会上，已有不少人对我提出协变性问题。我自己的思想也在发展。但最后我可以明确地讲，我们不得不放弃狭义相对论原理，也就是放弃协变性条件。也只有这样，量子力学才能找到与之相协调的时空结构，那就是复合时空论，在此基础上发展量子理论才是比较恰当的。宣和在《有所突破——隐参量在现代物理学中的作用和地位》中，展示的是物理学家在研究系统时还没有觉察到的动力学参量所派生出的时空观。由于这个隐参量可以直接测定，并且对于质量、时间和空间有着影响，因而新时空观在物理学上有它相应的位置。诚然，这个参量的引入破坏了相对论数学表述的基础的广义变换群所固有的对称性，是不受人们的欢迎。不受欢迎总是新发现经常遇到的，因为它常常动摇了旧的信仰。下面对一些具体问题进行论述。2 对广义相对论的研究与挑战广义相对论是研究物质在时间和空间之中进行引力相互作用的理论。其基础是由爱因斯坦于1915年完成的。自从20世纪60年代以来又有了一些新的进展。广义相对论的基本原理是等效原理和广义协变原理。下面讨论对广义相对论的基本原理和主要结论的研究与挑战。林金：说来话长。70年代初，在下放劳动中，闲暇时突然想到：导航测量原理可能和相对论有点关系。从此，我就把它当作业余爱好坚持下来。后来我发现美国的GPS系统从70年代开始布网，到1994年才组网成功。凭美国的航天发射能力，24颗卫星不可能需要这么长的时间来发射，可能是卫星与地面站或卫星间时间同步问题没解决，即没对好钟，需要长时间的调试。后来，从上海天文台杨福民副台长处证实了我的猜测。在一次出访美国时，我曾见到GPS系统的第一代总设计师，跟他提起这问题，他不否认GPS系统确实有对不好钟的问题，并送给我两本书，并祝我研究试验成功。从书中，我发现GPS系统在相对论修正方面漏了半项。根据爱因斯坦的狭义相对论，相对运动中的物体时间会变慢。人们常以此推断，参加星际旅行的哥哥还是小伙子，留在地球上的双胞胎弟弟已成了老人，这就是“双胞胎佯谬”。其实，根本不可能有这种情况发生，这种推理只是从洛伦兹变换外推的结果。GPS系统测量原理的核心是对钟问题，GPS是用单程信号传递时间间隔来度量距离，GPS卫星上的钟和地面监控网的钟及用户的钟处在引力场中不断的相对运动状态。通过研究，我发现，GPS系统把各运动中的导航卫星上钟的时间都统一到地面静止钟时间，正好重蹈“静止以太”绝对参考系的覆辙，违背了爱因斯坦静止系同时性的相对性理论，即：对电磁现象（包括电磁信号传播）不存在任何优越参考系，所有惯性系都是平权的
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美国国家标准技术研究所和麻省理工学院的物理学家说，他们通过迄今最直接、最精确的实验证明了爱因斯坦狭义相对论中著名的质能公式。 质能公式（E＝MC2）指出，物质的总能量相当于其质量乘以光速的平方。它表明能量和质量可以互相转换，而光速是恒定不变的常数。这一公式是爱因斯坦1905年发表狭义相对论时提出的，被认为是狭义相对论的基础，也奠定了新的时空观。 此前，其他物理学家曾用多个间接实验证明了质能公式的正确性。但科学家认为，这些实验存在一定前提条件，可能引起对质能公式广泛适用性的质疑。美国科学家在12月22日出版的《自然》杂志上发表论文说，他们所采用的方法已能直接支持质能公式。 这一实验的原理是：按照质能公式，当一个原子核捕获新的中子时，它的质量就会变成原先原子核和中子质量之和、再减去这一过程消耗的中子结合能，中子结合能包括放射出的伽马射线能量以及原子核碰撞后的反冲。因此，只要分别测出原子核被中子轰击前后质量的变化以及轰击期间发出的能量，然后进行比较，就可以验证质能公式是否准确。 科学家选用了硅和硫原子来进行实验。国家标准技术研究所的科学家依据伽马射线在晶格中的散射角来测量其波长，波长就决定了伽马射线的能量。而麻省理工学院的科学家则用电磁阱“固定”住捕获中子前后的原子，并精确测定其质量。 他们的测量结果表明，质量和光速的平方的乘积（MC2）与能量（E）的差异，大约为千万分之四，足以表明质能公式的正确性。科学家在论文中称，这是“迄今为止对质能公式最精确的直接验证”，比此前的证明精度高了55倍。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。1642年12月25日牛顿生于林肯郡伍尔索普村的一个农民家庭．12岁他在格兰撒姆的公立学校读书时，学习成绩并不出众，只是爱好读书，对自然现象有强烈地好奇心。1661年，牛顿就读于剑桥大学的三一学院，成了一名优秀学生．1669年，年仅27岁，就担任了剑桥的数学教授．1672年当选为英国皇家学会会员．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。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。艾伯特•爱因斯坦于1879年3月14日在德国小城乌尔姆出生，他的父母都是犹太人。和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了4岁多还不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿。1888年他9岁，进入了中学，学业也不突出，除了数学很好以外，其他功课都不怎么样。12岁时爱因斯坦放弃了对宗教的信仰，他发现周围有一个巨大的自然世界，它离开人类独立存在，就象一个永恒的谜。因此，少年时代的爱因斯坦就特别喜爱科学事业，希望掌握这个自然世界的奥秘。1896年，爱因斯坦考进了苏黎世的联邦工业大学。大学期间，爱因斯坦迷上了物理学。他阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作，钻研了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学，并经常去理论物理学教授的家中请教。1900年，爱因斯坦大学毕业。1902年，在他的朋友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦才在伯尔尼的瑞士联邦专利局当上了一名普通的技术员。1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，稍后（也是在1905年）接着发表了另一论文《物体的惯性同它所含能量有关吗？》。此外，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、 对《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<
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广义相对论在1915年建立后，爱因斯坦就提出了可以从三个方面来检验其正确性，即所谓三大实验验证。这就是光线在太阳附近的偏折，水星近日点的进动以及光谱线在引力场中的频移，这些不久即为当时的实验观测所证实。以后又有人设计了雷达回波时间延迟实验，很快在更高精度上证实了广义相对论。60年代天文学上的一系列新发现：3K微波背景辐射、脉冲星、类星体、X射电源等新的天体物理观测都有力地支持了广义相对论，从而使人们对广义相对论的兴趣由冷转热。特别是应用广义相对论来研究天体物理和宇宙学，已成为物理学中的一个热门前沿。
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To楼主：在爱因斯坦看来，是广义相对论内在的简单性保证了它的“正确”性。从科学史上来看，精密的数理科学的进步模式确实有着这样的规律和特点：它们往往是运用了当时已有的最高深的数学知识而构建起来的一些精致的理论模型，它们的“正确”性很大程度上由它们内在的简单性和统一性所保证。虽然它们必然会给出可供检验的预言，譬如哥白尼曰心说预言了恒星周年视差，爱因斯坦广义相对论预言了光线弯曲，霍金的黑洞理论预言了霍金辐射，但不必等到这些预言被证实，那些理论就应该并可以被当做科学理论。 ：）补充：1.实验是把测量到的静止介子的衰变寿命，同实验测量到的高速运动介子的衰变寿命比较。发现运动介子的寿命比静止介子的寿命长了很多。洛伦兹变换的计算结果也和实验数据相同。2.在1974年到1975年间，福马伦特和什拉梅克利用甚长基线干涉仪，观测了太阳对三个射电源的偏折，最后得到太阳边缘处射电源的微波被偏折1.761〃±0.016〃。终于天文学家以误差小于1％的精度证实了广义相对论的预言，只不过观测的不是看得见的光线而是看不见的微波。 3.还有其它证实来让更多的人“相信”广义相对论是“正确”的，但这种证实很大程度上只是起到了“说服”的作用....Are you clear?再补充，哈哈：参看今年7月号的"Science&Via(新发现)"，美国科学家在10^-6的精度下承认了相对论的正确性(超出这个精度人家可不承认啊！)：-O
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相对论5：穿越到未来 1905年是大清光绪三十一年，可是直至今天，狭义相对论仍然是个激动人心的理论……而我有时候感觉仍然生活在清朝。 现在有些知识分子还在反对相对论。我曾经看到一篇来自燕山大学的、2007年发表的正规论文，叫《狭义相对论的本质及对科学哲学和社会的影响》，列举了各种反对相对论的观点，引用了50多篇参考文献，说狭义相对论是“科学体系中的一颗毒瘤”。 这些反对者连基本概念都没搞明白，但是他们仍然能找到发论文的地方。所以我有一点感慨。任何一个理论，你要想找都能找出它在历史上的争议，包括各路权威的反对意见。如果你没有区分对错的能力，你只能说这个学问“非常复杂”，越琢磨越糊涂。而如果你想专门去黑或者去捧一个学说，你完全可以得出自己想要的任何结论。 面对这样的事儿，你很可能会陷入虚无主义……难道这个世界就没有对错了吗？ 当然不是！科学之所以是科学，就是它有办法判断对错。科学方法首先就是一套判断对错的方法。 相对论是一个非常“对”的理论。当然我并不是说将来绝不会有更好的理论能取代它，但是在当前实验验证范围之内，这是一个特别好特别对的理论。 幸好科学结论不是投票选出来的。我们最终靠的是实验验证。科学家早就对相对论做了大量的验证，咱们今天先说几个。 1.真的能“长寿” 我们上一讲说到，相对论效应会让一个运动物体的时间变慢。这个效应叫 “时间膨胀”，它可以用实验验证。 我们设想有一个距离地球80光年远的星球。光走到那里都需要80年的时间，而如果我们有一个速度达到 0.8c 的飞船，它飞到那里就需要100年。但是，这只是在地球这个坐标系的计算。 对飞船上的宇航员来说，他们的时间会比我们慢。相对论预言，在飞船坐标系中，完成这趟旅行只需要60年。 我们可以选拔一批20岁的宇航员去做这趟任务。如果相对论是错的，飞船没有时间膨胀效应，那么飞船就得飞100年才能到达目的地，那时候这些宇航员就应该差不多都死了。 而如果你作为其中一名宇航员，到了目的地发现自己居然还活着，自我感觉也就80岁，你不就证明相对论是对的了吗？ 当然，拿宇航员的一生去做这个实验不太妥当……关键我们现在也没有速度能达到 0.8c 的飞船。但是，这个实验其实是可以做的，而且好几十年前就已经做过了，而且结果完美符合相对论。 科学家做这个实验用的不是宇航员，而是一种叫做“μ子”的基本粒子。μ子的可以视为是电子的一个变种，关于它你只需要知道一点：它非常、非常短命。 一个μ子很容易、无缘无故地、就变成一个电子和两个中微子 —— 物理学家管这个过程叫“衰变”。基本粒子的衰变是个很奇妙的事情。粒子不会变“老”，衰变总是突然发生的，而且是严格按照一定比例的随机事件。μ子在静止坐标系下的半衰期只有2.2微秒 —— 1微秒是一百万分之一秒，而这句话的意思是说，给你一堆μ子，它们每隔2.2微秒，就会死掉一半。 但是我们说了粒子不会变老，所以剩下的这一半μ子的半衰期，还是2.2微秒 —— 也就是说再过2.2微秒，它们还会再死一半。就按照这个固定的速率衰变。 地球天空中的高速宇宙射线中就有μ子，它们一边冲向地面，一边衰变 —— 你可以想象，能成功活着到达地面的μ子，应该是很少的。 1941年，物理学家拿μ子验证了相对论 [1]。他们首先在美国华盛顿山的山顶上用仪器测量了μ子流的密度，他们专门统计那些速度是 0.994c 的μ子，看看在一定的面积内，一小时能收集到多少个这个速度的μ子。 华盛顿山的高度大约是2公里。这些μ子从山顶到达山底大约需要走6.7微秒。如果这些高速μ子的半衰期跟静止μ子一样，那么这6.7微秒可是好几个半衰期，山底收集到的μ子数应该是山顶的 8.5 分之一。 可是，如果相对论是对的，那么这些速度是 0.994c 的μ子的时间就应该变慢，它们的半衰期就应该变长，那么你在山底就应该收集到更多的μ子。这就相当于飞船上的一群宇航员，走了很远的距离本来应该几乎全死了，结果却没有死多少。 实验结果，山底收集到的μ子数是山顶的 1.3 分之一。这些μ子真的通过高速运动保持了青春 —— 这正是相对论预言的结果，数值丝毫不差。 1979年物理学家又做了一次实验，他们用欧洲核子中心的粒子加速器把μ子加速到了0.9994c，结果这些μ子的平均寿命就被延长了29.3倍！ 相对论不但正确，而且非常精确。 2.双生子佯谬 你可能有点羡慕那些μ子。这难道不就是一个让人活得年轻的方法吗？的确是，而且我们后面讲广义相对论的时候还会介绍另一个让时间变慢的机制。科幻小说经常使用这种素材，比如电影《星际穿越》里，宇航员去黑洞附近执行任务，回来的时候还挺年轻，可是自己的女儿却已经很老了。正所谓“山中方七日，世上已千年”。我想提醒你的是这里说的时间变慢，只是不同坐标系对比的结果。对于参加星际旅行的你来说，你实实在在活过的时间，还是正常的寿命。相对性原理要求你根本感觉不到自己多出来什么时间 —— 如果你在地面一辈子能读一万本书，在飞船上这一辈子也只能读一万本书。你在山中过的这七日，也是吃21顿饭。 但是你的确比地面上的人老得慢。说到这里有个著名的问题，叫 “双生子佯谬” 。 比如说你有一个双胞胎妹妹。在你们20岁这一年，你乘坐高速宇宙飞船前往远方执行任务，你的妹妹留在地球上。在你妹妹看来，你这一走就是50年，你回来的时候她已经70岁了。可是因为相对论效应，你在飞船坐标系下体会到的这段旅程只有30年，你回来时候才50岁。 走的时候两人一样大，回来的时候你妹妹比你老了20年。 这个事实是没问题，但是人们会有一个疑问。 相对于你妹妹，你在飞船上是高速运动，所以会有时间变慢的效应，所以你比你妹妹年轻。可是反过来说，*相对于你*，你妹妹在地球上难道不也是在高速运动吗？那为什么不是她比你年轻呢？ 这个问题的答案是你和你妹妹所在的坐标系并不是等价的。你妹妹一直待在地球上，可以近似为一个匀速直线运动的坐标系。而你，离开地球必须首先加速到接近光速，到达目的地之后要减速、调头、再加速，然后回到地球还要再减速，你经历的并不是匀速直线运动。 考虑到这个，精确计算你在每个阶段相对于你妹妹是什么样的年龄就比较麻烦了 [2]，我们这里不讲。不过我们本周五会有一期“番外篇”，专门做一点技术性的讨论。 但是这个效应是真实的，你真的比你妹妹年轻了20年。双生子效应已经有实验证实。 你不需要星际旅行。有一种精度非常非常高的原子钟。你把两个原子钟先对好时间，然后一个放在地面不动，带上另一个坐民航的国际航班飞上一圈。你飞回来再把这两个原子钟放在一起，就发现它们的时间有一个极其微小的差异 —— 但是这个差异是实实在在的。参加了飞行的那个原子钟，现在比留在地面的那个要年轻一点。 那如此说来，那些经常在天上飞的飞行员和空姐，他们都比一般同龄人要年轻一点！当然他们速度不够高，一辈子也差不了一秒。 而如果你能把速度提高到无比地接近光速，那你的一天是地面上的人一年、甚至一千年，在理论上都是可能的。你就等于是穿越到了未来。 3.时空是相对的 跟时间膨胀相对应的一个效应是“长度收缩”。 我们还是说宇航员。同样是一段距离，我们在地面看他应该飞25年才能到，在他自己看来，飞15年就到了。而且请注意，不管在我们看来还是在他看来，飞船相对于这段距离的飞行速度可是一样的。 那么这就意味着，宇航员看到的这个距离，比我们看到的要短。 所以，长度是个相对的概念。一个物体的长度在相对于它静止的坐标系中是最大的，如果你跟它有一个相对的运动，你会觉得它比静止的时候短一些。这就是长度收缩。 我还记得小时候看过一个日本动画片，用极其夸张的手法描写了这个现象。几个孩子骑自行车，地面的人看他们感觉都变瘦了。 其实严格地说，有人计算得出，三维物体的长度收缩效应是你*观察*到的，而不是你*看*到的。考虑到物体各个部分的光到达你眼睛的距离不一样，你的眼睛实际看到的感觉只是这个物体旋转了一个角度而已。你在视觉上不会觉得它变短了，但是考虑到光速，你做一番计算的话，会得出它变短的结论……这个咱们也不必细说。 时间膨胀和长度收缩这两个效应告诉我们什么呢？空间的长短也好，时间的快慢也好，都跟坐标系有关。不同坐标系中的观测者看到的时间和空间是不一样的。时空并不是一个客观的、不变的、一视同仁的大舞台，每个坐标系有自己的时空数字。不同的坐标系要想交流，得先做“坐标变换”，把对方的时空数字转换成自己的。 但是，在每个匀速直线运动的坐标系*内部*，你所用的物理方程，都是一模一样的。 如果永远不联系，你在飞船的生活跟我在地面的生活就没有任何区别。可是一旦要联系，咱俩的数字就非常不一样。而所有这些不一样，又恰恰是因为光速在所有坐标系下都一样。 相对论是如此地让人不好接受，却又是如此的简单。 相对性原理是一个信念，但物理学家从来都没有把相对论当做“信仰” —— 科学的精神是实验结果说了算。物理学家始终对相对论保持开放的态度。2011年的时候，物理学家曾经一度以为中微子的速度能超过光速，但是后来发现那是一个乌龙，是实验设备有问题。 现在我们只能说爱因斯坦完全正确。不要轻易挑战我佛爱因斯坦。 【参考文献】 [1] John S. Reid, Why we believe in Special Relativity: Experimental Support for Einstein’s Theory, Report of Public Meeting held in Aberdeen University on March 21 2005. [2] David Morin 的 Special Relativity: For the Enthusiastic Beginner 一书中列举了双生子佯谬的五种计算方法。
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其实这些所谓的有力的实验事实也是有误差的，因为仪器、人、环境、温度等等诸多因素决定了数据不可能达到完美的无误，只是在尽可能剔除外界影响后能得到误差极小极小以致可以忽略不计验证狭义相对论的动量—动能关系（这个实验过程有很多图做说明，没法贴，有兴趣就看看吧，是通过同时测量高速运动的电子（速度接近光速）的动量和动能，验证狭义相对论的正确性。）验证质能公式－最精确的直接验证（质量和光速的平方的乘积（MC 2）与能量（E）的差异，大约为千万分之四，足以表明质能公式的正确性。）另外，还有一些实验是很早就被认为可以完美验证狭义相对论中的部分公式了，我写在下面了，但是具体实验过程我就不写了，目前认可的应该就这么多吧横向多普勒效应实验 高速运动粒子寿命的测定 携带原子钟的环球飞行实验PS：我只是一个爱好者，不是专家，或许还有遗漏，不要怪我，水平有限，本人更感兴趣的是关于霍金理论的一切：）
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