Question

从相对性原理和洛伦兹变换的分析探讨相对论

Answer 1

前言：由洛伦兹变换发展来的相对论指出时间和空间是交织和相对的，让人遐想无穷。本文从相对性原理分析，指出了洛伦兹变换的真实含义。在此基础上，进一步对相对论做了分析，指出其存在的问题。

相对性原理指出，所有的惯性系都拥有完全相同的力学规律。例如，一个人在一艘封闭的船里面，无法判断船是静止的还是在匀速运动，以船为惯性参考系。从纯运动学和牛顿定律的角度来说，这都是没有问题的。但是当物质均匀运动的速度大小会影响其作用力的时候，就不能成立。

例如，在电磁场中，一个带电荷的粒子分别以V1和V2做匀速直线运动。两种状态下，其受的作用力大小不同，某些物理性质（如振动频率、衰变周期）可能也会发生改变。又如，电荷随速度大小会产生不同大小的电流。伽利略变换能让描述物质规律的牛顿定律的方程协变，但不能让麦克斯韦方程组协变。这是因为，在牛顿定律方程中，物质的匀速运动的速度大小不影响其受到的作用力，而麦克斯韦方程组中速度大小和作用力是联系在一起的。

怎么才能让麦克斯韦方程组协变呢？这就必然找到一种变换可以使物质粒子的速度大小和受力不发生关系。这只有当粒子的运动速度是一个绝对的定值(常数)，才能做到这点，洛伦兹变换就是这样产生的，其中隐含了一个粒子运动速度不变的必要条件。洛伦兹变换能使麦克斯韦方程组协变，这必然也要求光速不变。也就可以说通，为什么由光速不变和相对性原理就可以导出洛伦兹变换。

伽利略变换是洛伦兹变换在低速情况下的近似的说法也是错误的，因为两种变换有本质的区别，速度的大小对物质的作用力有没有影响。例如，在麦克斯韦方程组中，不管粒子的速度是多么的小，用伽利略变换也不能协变；牛顿方程中，不管粒子的速度多大，用伽利略变换都可以协变。洛伦兹变换本就不具有什么真正的物理含义，就像当初那样，洛伦兹为了使麦克斯韦方程组协变而凑出来的。

引力场和电磁场无处不在，惯性系实际是不存在的，等效原理（局部引力场中自由下落的参考系与无引力场的惯性系不可区分）也是有问题的。对于处在引力场和电磁场中的参考系，通过牛顿定律用加速度消除引力场的影响，又用速度不变消除电磁场的影响，有加速度和速度不变是矛盾的，得到的惯性参考系是不存在的。惯性系只能存在于纯运动学的分析中，涉及到作用力时，就不能用。那么，相对性原理和相对论还能成立吗？

让粒子的运动同时满足一个绝对的定值速度（速度不变）和相对性原理，就必然会导致时间和空间是交织在一起的、相对的结论。爱因斯坦把光速也看成是光粒子的运动，从而赋予了洛伦兹变换的物理意义，即狭义相对论（时空交织在一起，是相对的）。由于光子没有质量，具有最快的直线运动速度。如果把光速的时空看成一个标尺（平直时空），来度量有质量物质的运动时空，则都是弯曲的。再反过来理解质量和引力，则质量和引力是时空弯曲的结果，即广义相对论（物质决定时空怎么弯曲，时空决定物质怎么运动）。

即使光是光粒子（一种没有质量和作用力的粒子）的运动，也只能推导出光的相对论观（时空交织相对），不能用光子的情形去推导有质量物质的情形。因为有了质量，就有作用力。涉及到作用力时，惯性系不能用，相对性原理失效（可以推导的依据）。相对论更像是站在光的角度，看到现实物质世界的幻境（如同镜中的像，好像是那样），没有真实反应事物的本质。光子和有质量的物质粒子无法统一起来（光可能就不是光粒子的运动），相对论很可能把我们的物理学带入了歧途。

推测：物质运动的速度和加速度都会引起其作用力的改变。只是对于以原子结构系统构成的宏观物质，低速度的影响可以忽略不计。牛顿定律只考虑了加速度对物质作用力的影响，是一个近似的定律，只对宏观物质成立。不具有原子结构系统的粒子的运动主要由其速度决定作用力（如电子），所以我们只提它们的动质量，而且速度越大，质量越大。更精确的定律是麦克斯韦方程组，牛顿定律只是麦克斯韦方程组描述的规律在宏观物质上的一种近似表现形式。

龚国江 85707083@qq.com