摘要:对时空问题进行交叉学科创新研究,就可以给爱因斯坦相对论时空观和牛顿绝对时空观建立共同的实验基础。把爱因斯坦时空观洛伦兹变换和牛顿时空观伽利略变换摆放在一起,进行比较研究,可以认识到:在相对匀速直线运动的甲系乙系建立洛伦兹变换和伽利略变换的时候:甲系至少应该出动三个观测者,并使用同步时钟和同长量尺;乙系也至少应该出动三个观测者,并使用同步时钟和同长量尺;两系至少应该出动六人六钟六尺,在测速起点和测速终点,进行测速实验;在上述情况下,甲系乙系测量对方的运动速度值,甲系可以测得乙系相对甲系的速度值u1=△x/△t,乙系可以测得甲系相对乙系的速度值u2=△X/△T;甲系乙系测量同一光的光速值,甲系可以测得特定光的光速值C1=△s/△t,乙系可以测得同一的光速值C2=△S/△T;上述测速实验,及其测得的四个速度值u1、u2、C1和C2,就是牛顿时空观、爱因斯坦时空观和交叉学科时空观等,共同的实验基础。伽利略变换创建者相当于提出两系互测等速假设u=u1=u2,简称u假设,就把两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T缩写成了一个速度值u,据此写出了伽利略变换,给出了牛顿绝对时空观的数学形式;爱因斯坦提出光速不变假设C=C1=C2=299792458米/秒,简称两系测光等速假设或C假设,就把两个光速值C1=△s/△t和C2=△S/△T缩写成了一个光速值C。依托u假设和C假设,爱因斯坦就假设推理出了洛伦兹变换,给出了狭义相对论时空观的数学形式。在伽利略变换和洛伦兹变换中,u假设的成立条件是:甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺;在洛伦兹变换中,C假设的成立条件为:甲系时钟跟乙系时钟必须遵守动钟变慢假设,是非同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺必须遵守动尺变短假设,是非同长量尺。如上所述,把爱因斯坦时空观洛伦兹变换和牛顿时空观伽利略变换摆放在一起,进行比较研究,先进行六人六钟六尺测速实验,把洛仑兹变换里的速度值u和C扩写成四个速度值u1、u2、C1和C2;再提出u假设C假设把四个速度值u1、u2、C1和C2缩写成两个速度值u和C,这是前所未有的创新研究;通过上述广泛深入研究,就可以看清楚,在洛伦兹变换里,u假设和C假设的成立条件自相矛盾,逻辑不自洽,速度值u和C不能共同成立,洛伦兹变换和狭义相对论时空观存在违反逻辑规律和违反实验事实的内容。所以,人们应该面对实际的物理现象,进行交叉学科创新研究,发现更多真相,更上一层楼。这样,就可以给爱因斯坦相对论时空观填补认识空白,解决有关的100多年矛盾和争论,走向科学技术创新发展的新天地。
关键词:六人六钟六尺;测速实验;四个速度值;u假设;C假设;自相矛盾
1、对时空问题和爱因斯坦时空观进行创新研究的重要意义
据媒体报道,中国计划投资364亿元人民币,在2027年建造世界上最大的粒子对撞机。届时,微观粒子的最大“人造速度值”有可能会在中国诞生。
光速值C=299792458米/秒,是衡量速度值大小的参考标准。目前,美国费米实验室的微观粒子“人造速度值”,可达光速值C的0.99999956倍。欧洲核子研究中心大型强子对撞机的微观粒子“人造速度值”,已经达到光速值C的0.999999991倍。
爱因斯坦狭义相对论时空观,与加速器存在密切关系。相对性原理、光速不变假设、洛伦兹变换、动钟变慢、动尺变短、同时的相对性、速度值变换关系和质速关系等,都是狭义相对论时空观重要内容。面向未来,在新的视角,对时空问题和爱因斯坦的时空观等,进行创新研究,尤其是填补认识空白,破解长期存在的争论,具有重要意义。现在,大家可以一起做一个实验,对爱因斯坦狭义相对论时空观进行切身体验。
——体验动钟变慢假设,考察爱因斯坦狭义相对论时空观
假设一个读者手握手机坐在家里,手机里有时钟,这就是读者手握时钟,静止在地球上。在读者四周,从近到远,有各种各样的运动物体,从缓慢爬行的蜗牛,到高速行驶的汽车,从天上飞行的卫星,再到宇宙空间中的近光速宇宙线,它们以不同速度值和不同运动方向,相对读者的时钟在运动。
根据爱因斯坦的动钟变慢假设,只要存在相对运动,就一定存在动钟变慢效应,使用洛仑兹变换可以计算出动钟变慢效应的量值。因此,读者坐在家里,可以在自己的参照系,使用动钟变慢假设公式,给其它运动物体计算动钟变慢效应量值。例如计算蜗牛、汽车、卫星和宇宙线的动钟变慢效应程度。
根据爱因斯坦的动钟变慢假设,反过来,也可以在各种运动物体上建立参照系,并使用动钟变慢假设数学公式,给读者的时钟计算动钟变慢效应。例如在蜗牛、汽车、卫星和宇宙线上建立参照系,就可以计算出读者时钟应该遵守的,分别来自蜗牛、汽车、卫星和宇宙线参照系的“动钟变慢命令”。
根据爱因斯坦的动钟变慢假设,只要读者的手机时钟相对其他物体存在相对运动,就一定存在动钟变慢效应,即使不使用洛伦兹变换进行计算,这种动钟变慢效应也依然存在。因为相对读者而言,实际上存在数不胜数的运动物体,所以,实际上也可以给读者的手机时钟计算出成千上万种“动钟变慢命令”。
尤其是在地球上,当费米实验室产生速度值达到0.99999956C的运动粒子时,在这个近光速运动粒子上建立参照系,给读者计算的“动钟变慢命令”就相当惊人,具体为:读者的手机时钟的1秒过程,在近光速粒子参照系说,要膨胀成1066秒,要增加1000倍以上。
与此同时,在上述近光速运动粒子参照系,还可以根据质速关系,给读者计算出“质量增加命令”,读者参照系的1千克质量,在近光速粒子参照系说,要膨胀成1066千克,增重1000倍以上。若据此推理质量增加导致的引力增加后果,可能会发生天翻地覆的变化。
那么,读者手握时钟,坐在家里,对于来自相对论时空观的成千上万种“动钟变慢命令”,读者的手机时钟该如何执行“动钟变慢命令”呢?都必须执行吗?是分别执行?还是累加执行?
尤其是对于来自近光速运动粒子的“动钟变慢命令”,读者的手机时间会膨胀1000倍吗?读者的寿命会延长1000倍吗?读者的体重会增加1000倍吗?质量增加会导致引力也增加吗?面对加速器实验每次产生的近光速运动粒子,及其发布的“动钟变慢命令”,地球人及其时钟每次都得陪着一起折腾吗?地球人及其时钟必须在“时间膨胀”和“恢复正常”两种状态反复闹腾吗?
面对上述有趣的科学问题,读者只要进行一定的科学技术研究,就可以发现,实际上,读者手握的手机时钟,作为一种科学技术产品,它是一个复杂的动力学系统,它有自己的运行规律,跟内部结构运动和所受外界作用密切相关。
具体说,现代科技制造的时钟,由基准系统、动力系统、传动系统和显时系统等子系统联合构成,是开放复杂动力学系统,时钟显示的时间值,是动力学系统运动的一部分内容。时钟的系统运动和所显示的时间值,跟系统内部的结构、运动和作用,跟系统所受的电磁力、引力、温度、湿度、压强、辐射等外界作用,均有密切关系。
而且,其它事物相对读者的手机时钟运动时,如果其它事物的相对运动这种表面现象没有导致手机时钟的内部结构运动和所受外界作用发生变化,那么,使用狭义相对论时空观动钟变慢假设数学公式计算获得的“动钟变慢命令”,就是一种“别人的想法”。这种“别人的想法”它没有“特异功能”,它并不能导致手机时钟真实地发生动钟变慢效应。
否则,狭义相对论时空观的动钟变慢假设这种“别人的想法”,就是具有超能力的“心灵感应”和“特异功能”,它就可以违反能量守恒定律,去改变时钟运动,导致动钟变慢结果。
对于读者的生命活动,身体质量来说,也是类似的情况。来自其它运动物体和运动参照系的“动钟变慢命令”和“质量增加命令”,都是一种“别人的想法”,不是可以导致真实改变的力量,不会导致可观测的变化。所以,对于狭义相对论时空观的动钟变慢假设和质速关系假设,还有使用狭义相对论时空观解释的现象,都值得重新研究。
——给爱因斯坦的时空观和牛顿的时空观建立共同的实验基础
把现代科技的计量学、物理学、天文学、宇航学、系统学、数学、逻辑学、科学史、科学哲学和心理学等学科的众多内容给予综合集成,创新发展,就可以发现更多真相,创建交叉学科时空观。
基于交叉学科时空观进行创新研究,可以给爱因斯坦相对论时空观、牛顿绝对时空观和交叉学科时空观建立共同的实验基础,这是前所未有,具有重要意义的创新研究。
具体说,把伽利略变换和洛伦兹变换摆放在一起,进行比较研究,就可以针对建立伽利略变换和洛伦兹变换的情况,设计六人六钟六尺测速实验,由此可以测量获得四个速度值u1、u2、C1和C2。这样,就可以把伽利略变换的一个速度值u扩写成两个速度值u1和u2,把洛伦兹变换的两个速度值u和C扩写成四个速度值u1、u2、C1和C2。
在上述认识基础上,提出u假设,就可以把两个速度值u1和u2缩写成一个速度值u,据此可以写出伽利略变换,创建牛顿绝对时空观。提出u假设和C假设,就可以把四个速度值u1、u2、C1和C2缩写成两个速度值u和C,据此可以写出洛伦兹变换,创建狭义相对论时空观。
上述六人六钟六尺测速实验,及其测得的四个速度值u1、u2、C1和C2,它是伽利略变换和洛仑兹变换的共同实验基础。也可以成为爱因斯坦相对论时空观、牛顿绝对时空观和交叉学科时空观共同的实验基础。
通过上述研究,还可以证明,在洛伦兹变换里,u假设和C假设的成立条件自相矛盾,速度值u和C逻辑不自洽,不能共成立,洛仑兹变换存在违反逻辑规律和实验事实的情况。这就是围绕爱因斯坦的时空观存在100多年矛盾和争论的主要原因之一。由此,就可以破解100多年矛盾和争论。
2023年11月15日,中国科学院高能物理研究所网站发布文章,并通过媒体介绍了他们主持的“拉索”项目的重大成果:“被认为是爱因斯坦狭义相对论基础的洛伦兹对称性有可能就要被破坏”“光速就不再是个常数了”“对传统的相对论理论造成破坏”“爱因斯坦的相对论在低能物理情况下是正确的,然而在高能物理情况下它可能就不太适用了”“开启了新物理探索之门”。
中国交叉学科时空观与中国科学院“拉索”重大发现具有遥相呼应,相互支持的关系。从交叉学科理论视角,从“拉索”等大科学装置实验角度,研究洛伦兹对称性有无更多“被破坏”的情况,研究传统的相对论理论有无更多“造成破坏”的情况”,在更加广阔的视野对时空问题和爱因斯坦相对论时空观进行交叉学科研究,都具有重要意义,都可以取得重大突破。
2、六人六钟六尺测速实验,给各种时空观建立共同的实验基础
——计量学规定,必须使用时钟测量时间值
在物理学中,时间这个名词术语、物理概念,对物质的可观测时间现象给出了定性描述。例如一个人从生到死,会经历一个一个具体状态,经历一定的变化过程,可以被眼睛观察到,可以被仪器测量到,这就是时间现象。
时间值是定量描述时间现象的物理量。为了对可观测时间现象给出定量描述,计量学约定了国际单位制的“秒”:铯133原子振动9192631770次所需的时间定义为1秒。在计量学中提供国际单位制“秒”的装置,是“第一时钟”。
可以说,在现实中使用的各种时钟,都是“第一时钟”的代表物。各种时钟显示的“1秒”时间值,都是“秒”的代表物。人们在实际情况中使用的时钟,都是遵守国际单位制秒定义的科学仪器、测量工具。
把具体的时间现象,跟一个时钟显示的时间值进行比较,就可以观测确定时间现象的时间值和时刻值,给出定量描述。使用时钟比较测量时间现象的时间值,在计量学中有具体要求。在一些具体的实验和实践中,还有更详细要求。
应该指出,时间和时间值有关系,但是不是一回事。在以往,使用时间这个名词术语既指时间现象,又指时间值,导致了一些混乱和矛盾。在今后,需要注意,必要时,应该给予区别。
应该强调,在物理学的有些理论研究中,一些理论研究者假设想象出的、不遵守国际单位制秒定义的时钟,类似科幻故事里的科幻时钟、魔术时钟,在实际中根本不存在。一些理论研究者脱离实际的时钟,随意假设出的时间值,不能得到实际时钟和测量实验的支持,在实际中无法存在,只能存在于理论研究中,存在于假设猜想中。
——计量学规定,必须使用量尺测量长度值和空间值
在物理学中,长度和空间这两个名词术语、物理概念,对物质的可观测长度现象和可观测空间现象给出了定性描述。例如一个人,身高是长度现象,所在位置、外观体积和内部结构等是空间现象,都可以被眼睛观察到,都可以被仪器测量到。
长度值和空间值,是定量描述可观测长度现象和空间现象的物理量。为了对可观测的长度现象和空间现象给出定量描述,计量学约定了国际单位制的“米”,光在真空中1/299792458秒内所经过路程的长度定义为1米。在计量学中提供国际单位制“米”的装置,是“第一量尺”。
在现实中使用的各种量尺,都是“第一量尺”的代表物。各种量尺显示的“1米”长度值,都是“米”的代表物。人们在实际情况中使用的量尺,都是遵守国际单位制米定义的科学仪器、测量工具。
把具体的长度现象和空间现象,跟一个量尺显示的长度值进行比较,首先可以观测确定长度现象的长度值;其次通过观测和计算,还可以确定空间现象的空间值,例如对物体的相对位置、外观体积和内部结构等给出定量描述。使用量尺去测量长度现象的长度值和测量空间现象的空间值,在计量学中有具体要求。在一些具体的实验和实践中,还有更详细要求。
应该指出,长度和空间是物理概念,侧重于定性描述物理现象。长度值和空间值是物理量,侧重于定量描述物理现象。它们有关系,但是不能混为一谈。在以往缺乏明确区分,导致了一定的混乱和矛盾,在今后,需要注意,必要时,应该给予区别。
应该强调,在物理学的有些理论研究中,一些理论研究者脱离实际的量尺,随意假设出的长度值,不能得到实际量尺和测量实验的支持,在实际中无法存在,只能存在于理论研究中,存在于假设猜想中。一些理论研究者假设想象出的、不遵守国际单位制米定义的量尺,类似科幻故事里的科幻量尺、魔术量尺,在实际中根本不存在。
——计量学规定,必须使用时钟量尺测量速度值
平均速度值的定义是v=△s/△t,物理意义如下:运动物体的平均速度值,是相对参照物,测速起点的观测者和测速终点的两个观测者,他们使用量尺联合测得物体的运动距离值△s,使用时钟联合测得物体的运动时间值△t,计算二者的比率v=△s/△t,得到的实验量值。对平均速度值求极限,就可以得到瞬时速度值这个物理量。
在实际情况中,例如在科学实验和工程实践中,根据平均速度值定义,使用时钟量尺测量运动物体相对参照物的速度值,具体方法相当众多,基本原理和方法如下。
如图1,设在地面上有一个小汽车在匀速直线行驶。选定直角坐标系oxyz, 让小汽车沿x轴向正方向行驶。在直角坐标系x轴上分别选定测速起点x1和测速终点x2,让观测者甲一处在测速起点,让观测者甲二处在测速终点,让他们使用自己的时钟量尺测量小汽车的运动时间值和运动距离值。
设甲一使用自己的时钟测得小汽车途径测速起点x1的时刻值为t1,甲二使用自己的时钟测得小汽车途经测速终点x2的时刻值为t2,由此,他们可以计算获得小汽车的运动时间值为△t=t2-t1。甲一和甲二还可以使用他们的量尺测得小汽车在测速起点的坐标值x1和测速终点的坐标值x2的具体数值,由此,他们可以计算获得小汽车的运动距离值为△x=x2-x1。
这样,甲一和甲二就可以计算获得小汽车的平均速度值为v=△x/△t=(x2-x1)/(t2-t1)。这是测量速度值的基本原理。按照上述测量速度值基本原理,可以在各种具体问题中,具体问题具体解决,测量获得速度值。
——谈论速度值,必须说清速度值六要素
应该强调,测量速度值,谈论速度值,都必须对速度值六要素给出详细说明:
1、运动物体是谁?
2、运动参照物是谁?
3、在运动参照物上如何选定测速起点和测速终点?
4、在测速起点和测速终点测量运动时刻值的时钟是否遵守计量学“秒定义”并同步运行?
5、在测速起点和测速终点之间测量运动距离值的量尺是否遵守计量学“米定义”?如需要使用多个量尺,它们是否为同长量尺?
6、使用时钟量尺测量运动时间值和距离值的具体方法是啥样的?如何计算平均速度值并确定测量误差?
无论是在实际中测量速度值,还是在理论上谈论速度值,都应该说清速度值六要素。否则,就可能产生有关的矛盾和争论。
——根据第一时钟和第一量尺,约定光速值C=299792458米/秒
根据国际单位制“米”约定,在提供国际单位制“米”的装置中,特定光在真空中1/299792458秒时间值里行进的路程,被约定为1米。这就相当于约定,在提供“米”的实验装置中,特定光相对装置本身,也就是相对静止在装置中的光源,特定光的平均速度值为v=Δs/Δt=1米/(1/299792458)秒=299792458米/秒。这个特定的光速值,可以写成C=299792458米/秒。这相当于在特定条件下,使用“第一时钟”和“第一量尺”,观测确定的特定光相对光源的光速值为C=299792458米/秒,这相当于实验结果。
在物理学的电磁学中,人们约定真空中的介电常数和磁导率时,也约定在特定的条件下,特定的电磁波,相对电磁波源的速度值为C=299792458米/秒。这就是人们可以从电磁学的麦克斯韦方程中推导出电磁波速度值是C=299792458米/秒的原因。这样约定的电磁波速度值,也相当于根据国际单位制,使用特定时钟和特定量尺测量确定了特定电磁波相对特定参照物的速度值,这也相当于实验结果。
应该指出,上述光速值和电磁波速度值C=299792458米/秒,都是特定条件下的约定,是基于国际单位制,针对特定光、特定电磁波、特定参照物、特定时钟、特定量尺、特定测量方法,所做的有限约定。不是针对所有单位制、所有光、所有电磁波、所有参照物、所有时钟、所有量尺、所有测量方法,所做的无限约定。所以,这样约定的两种速度值C=299792458米/秒,不具有无限推广的实验依据和理论依据。若无条件地推广到所有情况,就难以得到实际的时钟量尺测量实验的支持。
应该强调,在物理学的有些理论研究中,一些理论研究者脱离实际的时钟量尺,随意假设出的速度值和光速值,不能得到实际时钟量尺和测量实验的支持,在实际中无法存在,只能存在于理论研究中,存在于假设猜想中。一些理论研究者假设想象出的、不遵守国际单位制秒定义的时钟和不遵守国际单位制米定义的量尺,类似科幻故事里的科幻时钟和量尺,类似魔术时钟和魔术量尺,在实际中根本不存在。
——给牛顿时空观和爱因斯坦时空观建立共同的实验基础
根据交叉学科时空观研究,就可以给牛顿绝对时空观、爱因斯坦相对论时空观和交叉学科时空观等各种时空观,建立共同的实验基础。
把爱因斯坦时空观洛伦兹变换和牛顿时空观伽利略变换摆放在一起,进行比较研究,就可以认识到:在相对匀速直线运动的甲系乙系建立洛伦兹变换和伽利略变换的时候:甲系至少应该出动三个观测者,并使用同步时钟和同长量尺;乙系也至少应该出动三个观测者,并使用同步时钟和同长量尺;两系至少应该出动六人六钟六尺,在测速起点和测速终点,进行测速实验;这样,甲系乙系测量对方相对自己系的速度值,甲系乙系测量同一光的光速值,就可以测得四个速度值u1、u2、C1和C2。
设在真空中惯性系条件下,如图2.1所示,有相对匀速直线运动的甲系乙系,甲系乙系的x、X轴是相对匀速直线运动方向且两轴重合,y、Y轴平行,z、Z轴平行。
设甲系时钟跟乙系时钟时间值关系为t1=T1=0秒时刻,甲系乙系原点o、O重合;此刻,静止在甲系x轴上的甲一观测者,静止在乙系X轴上的乙一观测者,他们对齐在甲系乙系原点o、O点;静止在甲系x轴上的甲二观测者,静止在乙系X轴上的乙二观测者,他们对齐在x、X轴上a点;甲系甲三观测者静止在任意位置b点,乙系乙三观测者静止在b点左侧。在上述情况下,可以设计和进行四个“测速实验”。
首先,在上述情况下,甲系可以把乙系乙一选定为运动者,把甲系甲一所在处选定为测速起点,把甲系甲二所在处选定为测速终点,让甲一甲二使用甲系的同步时钟和同长量尺,联合测量乙系乙一相对甲系的速度值。
在图2.1所示情况,甲系甲一使用自己的时钟量尺,可以测得乙系乙一在测速起点的运动时刻值和x轴坐标值为(0、0)。
在图2.2所示情况,甲系甲二使用自己的时钟量尺,可以测得乙系乙一在测速终点的运动时刻值和x轴坐标值为(t2、xa)。
这样,甲系的甲一甲二就可以使用平均速度值公式计算出乙系乙一相对甲系的速度值u1=△x/△t=(xa-0)/(t2-0)=xa/t2。这也就是乙系相对甲系的速度值。
其次,在上述情况下,乙系可以把甲系甲二选定为运动者,把乙系乙二所在处选定为测速起点,把乙系乙一所在处选定为测速终点,让乙二乙一使用乙系的同步时钟和同长量尺,联合测量甲系甲二相对乙系的速度值。
在图2.1所示情况,乙系乙二使用自己的时钟量尺,可以测得甲系甲二在测速起点的运动时刻值和X轴坐标值为(0、Xa)。
在图2.2所示情况,乙系乙一使用自己的时钟量尺,可以测得甲系甲二在测速终点的运动时刻值和X轴坐标值为(T2、0)。
这样,乙系的乙二乙一就可以使用平均速度值公式计算出甲系甲二相对乙系的速度值u2=△X/△T=(0-Xa)/(T2-0)=-Xa/T2。负号表示u2的方向与X轴正方向相反,若只取量值,可写成u2=Xa/T2。这也就是甲系相对乙系的速度值。
另设甲系乙系原点o、O重合,甲系时钟和乙系时钟的时间值关系为t=T=O秒的时刻,甲系原点处点光源发出了一个球面光波。
设经过相对运动,甲系的同步时钟都显示t秒时刻值,乙系的同步时钟都显示T秒时刻值的时刻,球面光波膨胀运动,变成了半径一定的球面,图2.2简示了球面光波的局部情况。
在这里,使用物理学在理想条件下,建立理想化物理模型的方法,来研究问题。假设甲系甲一及其时钟量尺,甲系原点处点光源,甲系甲三及其时钟量尺,乙系乙一及其时钟量尺,乙系乙三及其时钟量尺等,都可以看成是没有形状和大小的质点。这样,就可以假设,在t=T=0秒时刻,甲系甲一及其时钟量尺、点光源,还有乙系乙一及其时钟量尺等,他们重合在同一点,也就是重合在甲系乙系的原点处。
另设在甲系的同步时钟都显示t秒时刻值,乙系的同步时钟都显示T秒时刻值的时刻,球面光波上的一个点光子,甲系甲三,乙系乙三,他们三者恰好重合在b点,如图2.2所示。
首先,在上述情况下,甲系可以把球面光波上的任意光子,选定为运动者,把甲系甲一所在处选定为测速起点,把甲系甲三所在处选定为测速终点,甲一甲三可以使用甲系的同步时钟和同长量尺,联合测量上述点光子相对甲系的光速值。
在图2.1所示情况,甲系甲一使用自己的时钟量尺,可以测得点光子在测速起点的运动时刻值和xyz轴坐标值为(0、0、0、0)。
在图2.2所示情况,甲系甲三使用自己的时钟量尺,可以测得点光子在测速终点的运动时刻值和xyz轴坐标值为(t2、xb、yb、zb)。
这样,甲系的甲一甲三可以计算获得球面光波上点光子到甲系原点的距离值为
甲一甲三可以使用平均速度值公式计算获得上述点光子相对甲系的光速值为C1=△s/△t=r/t2。
上面的光速值C1,是一般情况下,甲系观测者测得的球面光波上任意点光子相对甲系的光速值。在特殊情况下,对于球面光波上沿x、X轴正方向运动的光子,甲系观测者可以使用甲系的同步时钟和同长量尺,测得该光子相对甲系x轴的运动距离值△s=xb,运动时间值△t=t2,光速值C=△s/△t=xb/t2。这个特殊情况下的光速值C=xb/t2,是一般情况下光速值C1=r/t2的一个具体情况。
其次,在上述情况下,乙系可以把球面光波上的同一点光子,选定为运动者,把乙系乙一所在处选定为测速起点,把乙系乙三所在处选定为测速终点,乙一乙三可以使用乙系的同步时钟和同长量尺,联合测量同一点光子相对乙系的光速值。
在图2.1所示情况,乙系乙一使用自己的时钟量尺,可以测得同一点光子在测速起点的运动时刻值和XYZ轴坐标值为(0、0、0、0)。
在图2.2所示情况,乙系乙三使用自己的时钟量尺,可以测得同一点光子在测速终点的运动时刻值和XYZ轴坐标值为(T2、Xb、Yb、Zb)。
这样,乙系的乙一乙三可以计算获得球面光波上同一点光子到乙系原点的距离值为
乙一乙三可以使用平均速度值公式计算获得同一点光子相对乙系的光速值为C2=△S/△T=R/T2。
上面的光速值C2,是一般情况下,乙系观测者测得的球面光波上一个点光子相对乙系的光速值。在特殊情况下,对于球面光波上沿x、X轴正方向运动的光子,乙系观测者可以使用乙系的同步时钟和同长量尺,测得该光子相对乙系X轴的运动距离值△S=Xb,运动时间值△T=T2,光速值C=△S/△T=Xb/T2。这个特殊情况下的光速值C=Xb/T2,是一般情况下光速值C2=R/T2的一个具体情况。
上面介绍的六人六钟六尺测量速度值实验,及其测得的四个速度值u1、u2、C1和C2,这是根据计量学和物理学的测量速度值要求,进行测量速度值模拟实验,所得到的结果。这是对科学实验和工程实践中的测量速度值活动,进行概括总结的结果。
这个六人六钟六尺测速实验及其测得的四个速度值u1、u2、C1和C2,它们就是伽利略变换和洛伦兹变换共同的实验基础,也是牛顿绝对时空观,爱因斯坦相对论时空观,还有其它时空观,例如交叉学科时空观,是各家时空观共同的实验基础。是各家时空观都能接受,也必须接受的公共认识。
从上述共同的实验基础出发,不同的时空观做出了不同的假设,就得出了不同的观点,因此就产生了差别,所以就产生了矛盾和争论。
——u假设和C假设,是伽利略变换和洛伦兹变换的理论基础
在牛顿绝对时空观中,伽利略变换创建者相当于提出了两系互测等速假设u=u1=u2,可简称u假设。据此,就把两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T缩写成了一个速度值u。基于一个速度值u,伽利略变换创建者就创建了伽利略变换,给出了牛顿绝对时空观的数学公式和定量描述。
简略地说,牛顿绝对时空观伽利略变换里的速度值u,它的实验基础是测速实验和两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T,它的理论基础是两系互测等速假设u=u1=u2。
爱因斯坦在创建狭义相对论时空观的时候,他无条件地继承了牛顿绝对时空观伽利略变换的速度值u,爱因斯坦把速度值u直接写进了洛伦兹变换。
与此同时,爱因斯坦还提出了光速不变假设C=C1=C2=299792458米/秒,对此也可简称为两系测光等速假设或C假设,据此,爱因斯坦就把两个光速值C1=△s/△t和C2=△S/△T缩写成了一个光速值C。
基于速度值u和C,爱因斯坦假设推理出了洛伦兹变换、动钟变慢、动尺变短、同时的相对性和速度值变换关系等假设和数学公式,建立了狭义相对论时空观,以及狭义相对论。
在爱因斯坦狭义相对论时空观洛伦兹变换里,光速值C的实验基础是测速实验和两个光速值C1=△s/△t和C2=△S/△T,理论基础是两系测光等速假设C=C1=C2=299792458米/秒。速度值u的实验基础依然是测速实验和两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T,它的理论基础仍然是两系互测等速假设u=u1=u2。
那么,在洛伦兹变换里并肩而立的速度值u和C,他们各自得以成立的时钟量尺条件是什么?速度值u和C能共同成立吗?上述问题,是爱因斯坦相对论时空观,也是牛顿绝对时空观,必须回答的问题。
3、在实际中测量速度值和理论中谈论速度值,不是一回事
——在实际中测量速度值,一定会存在“测不准”
使用时钟量尺测量时间值、长度值和速度值,有两种具体情况值得认真研究。一是在实际情况中,在科学实验和工程实践中,使用实际的时钟量尺、真实具体地测量;二是在理论研究中,基于虚拟的时钟量尺、纸上谈兵地测量。
在科学实验和工程实践中,按照计量学要求,可以使用实际的时钟量尺,进行具体测量,获得关于时间值、长度值和速度值的测量数据。然后,可以进行数据处理,确定测量误差,得到实验结论。这样获得的结果,大多是近似结果。
首先,在科学实验和工程实践中,使用时钟量尺测量时间值、长度值和速度值的时候,时钟显示的时间值和量尺显示的长度值都可能发生波动和变化,这会对测量结果产生重要影响,因此会导致“测不准”。
在实际情况中,根据计量学要求和原理,所制造的时钟和量尺,都是开放复杂的巨系统、科学仪器。时钟显示的时间值,量尺显示的长度值,它们的工作稳定性,既跟时钟量尺的内部结构运动密切相关,也跟时钟量尺所受的外界作用和外部影响密切相关。
例如使用现代科技方法制造的时钟,是由基准系统、动力系统、传动系统和显时系统等子系统联合构成的开放复杂的动力学系统,时钟显示的时间值,是动力学系统运动的一部分内容。时钟的系统运动和所显示的时间值,跟系统内部的结构、运动和作用,跟系统所受的电磁力、引力、温度、湿度、压强、辐射等外界作用,均有密切关系。使用现代科技方法制造的量尺,跟时钟的情况具有相似性,大同小异。所以,使用时钟量尺测量时间值、长度值和速度值的时候,时钟显示的时间值和量尺显示的长度值都可能发生波动和变化,因此就会导致“测不准”。所以,必须先搞清时钟显示时间值规律和量尺显示长度值规律,及其对测量结果的影响。
其次,在实验、实践和工程上,使用时钟量尺测量时间值、长度值和速度值的时候,因为测量技术和测量方法都存在局限性,因此,也会导致不可避免的“测不准”。
例如测量一个小汽车相对地面的速度值,需要在小汽车上选择确定运动点,代表小汽车的运动;需要在地面上选择确定测速起点和测速终点,作为测量依据。
那么,应该在小汽车上选择哪个点,来代表小汽车,来作为小汽车的运动点?在地面上应该如何选择两个点,作为测速起点和测速终点?
在原子层次说,小汽车的表面充满运动的原子,遍布运动轨迹“测不准”的电子云,在地面上的原子和电子也是如此。而希望中的小汽车代表点、运动点,地面上的测速起点和测速终点,却都是理想化的数学点,希望它们都是没有大小和形状,一直稳定不变的数学点,这种理想化的数学点,在实际情况中根本不存在、根本无法获得。
对于上述问题,计量学虽然有具体解决方案,但是,终究无法完全消除测量误差,无法彻底消除“测不准”。所以,在实际中使用时钟量尺测量获得的时间值、长度值和速度值,一定存在测量误差,一定是近似结果,只不过是近似程度不同而已。
在实际中测量时间值、长度值、速度值和光速值,总会存在“测不准”。但是,在有些物理学理论中,在有些物理课本中,经常可以看到测量时间值、长度值、速度值和光速值,得到了精确测量结果。
实际上,这样的精确测量结果,大多是在理论研究中,在头脑思维中,在理想条件下,在假设的物理模型中,进行虚拟测量的结果,相当于假设想象出来的时间值、长度值、速度值和光速值。
例如在牛顿绝对时空观中,理论创建者谈论的使用时钟量尺测量时间值、长度值、速度值和光速值,得出伽利略变换等,就是在理论研究中,在头脑思维中,在没有外力作用的真空中、惯性系、质点和刚体等理想条件下,使用显示着绝对的、数学的时间值的理想时钟,使用显示着绝对的、数学的长度值的理想量尺,不考虑时钟量尺的内部结构、系统运动和外界作用等影响,对质点或刚体进行精准测量,在假设模型中,测到了精确的时间值、长度值、速度值和光速值等。
再例如在爱因斯坦狭义相对论时空观中,理论创建者谈论的使用时钟量尺测量时间值、长度值、速度值和光速值,得出洛伦兹变换等,也是在理论研究中,在头脑思维中,在没有外力作用的真空中、惯性系、质点和刚体等理想条件下,使用符合动钟变慢假设要求的理想时钟,使用符合动尺变短假设要求的理想量尺,不考虑时钟量尺的内部结构、系统运动和外界作用等影响,对质点或刚体进行精准测量,在假设模型中,测到了精确的时间值、长度值、速度值和光速值等。
如上所述,在理论研究中,在理想条件下,在头脑思维和假设的物理模型中,进行假设想象的测量实验,获得的时间值、长度值、速度值和光速值等,可能相当精准,但不过是理论研究中、理论图像中的假设值,或者是约定值。在实际情况中,可能根本测不到、无法获得这种假设值。所以,需要使用逻辑和实验等方法,对它们进行严格检验,判断优劣真伪。
——对物理模型、理论图像,应该使用实验和逻辑进行检验
形象地比喻,实际的宇宙就像大象,科学家就像摸索大象和想象大象的盲人探索者。科学家对宇宙大象进行认识活动的方法,科学的认识方法,包括如下主要内容:确定认识对象,进行眼睛观察,进行仪器实验,产生头脑反映,给出语言描述,进行数学描述,建构假设模型,进行逻辑推理,建立科学理论,进行逻辑检验,进行实验检验,进行实践完善。
使用科学认识方法,科学家可以把宇宙大象某一方面和某一层次的内容反映进头脑里,在头脑里产生大象反映、大象图像。科学家可以使用语言文字、数学公式、图画图示、符号数据等形式,对其头脑里的大象反映、大象图像给出描述,构建关于宇宙大象的理论图像、科学理论。
一般情况下,科学家建立的科学理论、理论图像,包括如下内容:眼睛看到的现象,仪器实验的结果,头脑反映的内容,语言文字的描述,数学公式的内容,假设想象的模型,逻辑推理的结果,综合起来的图像。
对于科学家奉献的关于宇宙大象的理论图像、科学理论,大众学进自己头脑里,就可以在自己头脑里仿造科学家头脑里“原版的”大象图像、理论图像。
应该指出,实际的宇宙大象,科学家头脑里“原版的”大象图像、理论图像,大众头脑里“仿造的”大象图像、理论理解,三者有关系,但是却不是一回事。
一般情况下,根据科学理论与实际宇宙大象的相符程度、具体关系,可以把科学理论分为两种类型。
一是工程技术人员建立的科学理论,主要内容包括:眼睛看到的现象,仪器实验的结果,头脑反映的内容,语言文字的描述,数学公式的内容,逻辑推理的结果,综合起来的图像。这样的科学理论、理论图像,类似写真描述,大多都与实际的宇宙大象高度相符。
二是理论物理学家建立的科学理论,主要内容包括:基于眼睛观察的内容,根据物理实验的内容,在理想条件下,对研究内容进行简化,突出重点因素,省略次要因素,建立数学公式,建立假设模型,建立理论图像,建立科学理论。
如上所述的物理学理论、理论图像,有可能因为理想化而远离实际,简化掉了关键因素,制造了认识空白,其中的假设模型,还有可能虚构出了大象翅膀,掩盖了大象脑袋,导致了认识错误。
如上所述的物理学理论、理论图像,它们不是宇宙大象本身;不是关于宇宙大象的录像和拍照;不是全景写真,不是全息图像。不过是在头脑思维中,对宇宙大象进行假设想象,给出了理想化假设性的描述而已。它们的有些内容与实际的宇宙大象可能比较符合,有些内容跟实际的宇宙大象可能完全不符。
一般地说,科学理论、理论图像,是建立在基本概念、基本前提、逻辑推论、逻辑体系之上的大象图像、理论图像,所以,科学理论必须内部逻辑自洽、符合逻辑规律,这是对科学理论的第一个基本要求。其次,科学理论、理论图像,是实际宇宙大象的反映和描述,所以,科学理论必须最大限度地符合实际、符合实验事实,这是对科学理论的第二个基本要求。
因此,通过逻辑检验和实验检验,就可以对科学理论、理论图像的优劣真伪进行检验,做出判断。科学界,整体上如上所述,理论物理学也是这样子,没有例外和特殊。
本文经常提到的“在理论研究上”,就是概指在头脑思维中,在理想条件下,在假设模型中,在理论图像中,讨论具体问题,得到假设认识,得到猜想结果。使用上述方法得到的假设结论,也需要使用逻辑和实验等方法,进行严格检验,判断优劣真伪。
——时钟是科学仪器,必须遵守时钟工作规律
进行交叉学科研究,就可以认识到,在计量实践、宇航科技、天文观测、工程技术的具体实践中,时钟是重要的计时工具、测时工具。
以原子钟为例说,原子钟是具有基准系统、动力系统、连接系统、显示系统的时间机器。原子钟显示的时间值,走快或走慢的影响因素,主要包括内因和外因两部分。
内因包括:原子钟自身原子频标的稳定性,时间偏差、频率偏差、频率漂移、工作电压稳定性、元件老化影响等,这是导致原子钟走快或走慢的内部因素。
外因包括:原子钟工作环境中的温度、湿度、压强、振动、辐射、磁力、电力、引力等因素的作用等,这是导致原子钟走快或走慢的外部因素。
上述内因和外因可以影响原子钟走快或走慢,这是原子钟作为动力学系统遵守能量守恒定律所决定的必然结果。
概括地说,现代科技制造的时钟,由基准系统、动力系统、传动系统和显时系统等子系统联合构成,是开放复杂动力学系统,时钟显示的时间值,是动力学系统运动的一部分内容。时钟的系统运动和所显示的时间值,跟系统内部的结构、运动和作用,跟系统所受的电磁力、引力、温度、湿度、压强、辐射等外界作用,均有密切关系。
与时钟的情况相似,目前人们使用的、作为现代科技产品的量尺,也是开放复杂动力学系统,量尺显示的长度值,也是动力学系统运动的一部分内容。
进行交叉学科研究可知,在惯性系理想条件下,内部结构相同,均不受外力作用,相对静止或相对匀速直线运动的两个时钟,以穿过两时钟连线中点且垂直连线的平面为对称面,具有镜面对称关系,这样的两时钟是同步时钟,所显示的时间值可以一直相等。如上所述两个同步时钟受到不同外界作用时,两个同步时钟会变成不同步时钟,所显示的时间值变成快慢不同,静钟变慢或静钟变快,动钟变慢或动钟变快,都可以发生。对上述内容,可称之为时钟显示时间值规律。
进行交叉学科研究可知,在惯性系理想条件下,内部结构相同,均不受外力作用,相对静止或匀速直线运动的两个量尺,以穿过两量尺连线中点且垂直连线的平面为对称面,具有镜面对称关系,这样的两量尺是同长量尺,所显示的长度值可以一直相等。如上所述两个同长量尺受到不同外界作用时,两个同长量尺会变成不同长量尺,所显示的长度值变成长短不同,静尺变短或静尺变长,动尺变短和动尺变长,都可以发生。对上述内容,可称之为量尺显示长度值规律。
在同一参照系校对不同时钟的时间值,获得同步时钟;校对不同量尺的长度值,获得同长量尺;在相对运动的两个参照系,对两系时钟的时间值进行校对和控制,获得同步时钟;对两系量尺的长度值进行校对和控制,获得同长量尺;对上述工作内容,在理论研究上,在实验实践上,都可以根据时钟显示时间值规律和量尺显示长度值规律来具体进行。
——关于同步时钟和同长量尺的定义,以及获得条件
设在一个特定参照系有相对静止的甲时钟和乙时钟,它们显示的时间值分别使用小写字母t和大写字母T来表示。
如果两个时钟均按照国际单位制秒定义显示时间值,甲时钟显示的△t=1秒,乙时钟显示的△T=1秒,能做到同时开始、同时结束,也就是甲时钟显示△t=1秒的起点和终点之间的过程,跟乙时钟显示△T=1秒的起点和终点之间的过程相等,这种“相等的时间值具有相等的时间过程”的两个时钟,就是同步时钟。对于上述情况,可以使用如下数学公式来表达
甲时钟(△t=1秒)=乙时钟(△T=1秒)…………(1)
在上面的表达式中,把△t=1秒写在括号里,表示甲时钟△t=1秒的起点和终点的过程。把△T=1秒写在括号里,表示乙时钟△T=1秒的起点和终点的过程。(1)式表达了甲时钟△t=1秒的过程,跟乙时钟△T=1秒的过程相等。
如果甲时钟显示的△t=1秒,跟乙时钟显示的△T=1秒,可以同时开始,却不能同时结束,也就是甲时钟显示△t=1秒的起点和终点之间的过程,跟乙时钟显示△T=1秒的起点和终点之间的过程不相等,这种“相等的时间值不具有相等的时间过程”的两个时钟,就是非同步时钟。对于上述情况,可以使用如下数学公式来表达
甲时钟(△t=1秒)≠乙时钟(△T=1秒)…………(2)
上面(2)式表达甲时钟△t=1秒的过程,跟乙时钟△T=1秒的过程不相等。
关于同步时钟,在理论研究上,还可以这样描述:类似给播放视频的手机按下暂停键,就可以获得平面的手机暂停图像,在理论研究上,设甲时钟显示任意时刻值t时,给宇宙“按下暂停键”,由此,可以获得t时刻立体的宇宙暂停图像,可简称为t时刻状态图。
设在这个t时刻状态图中,甲时钟显示着t时刻值,乙时钟显示着T时刻值,且二者相等t=T。设甲时钟显示时刻值t+△t时,再次给宇宙“按下暂停键”,由此,可以获得t+△t时刻立体的宇宙暂停图像。设在这个t+△t时刻状态图中,甲时钟显示的t+△t时刻值,乙时钟显示的T+△T时刻值,二者仍然相等为t+△t=T+△T,△t=△T,在此情况中,甲时钟和乙时钟,就是同步时钟。
如果在t+△t时刻状态图中,甲时钟显示的t+△t时刻值,乙时钟显示的T+△T时刻值,它们不相等,t+△t≠T+△T,△t≠△T,在此情况中,甲时钟和乙时钟,就是不同步时钟。
在现代科技的计量学中,让同一参照系相对静止的多个时钟都按照国际单位制秒定义来显示时间值,让多个时钟都成为同步时钟,或非常接近同步时钟,有很多具体方法。所以,在实际情况中,在一定条件下,在特定参照系测量速度值的时候,可以认为测速起点处的时钟,跟测速终点处的时钟,就是同步时钟,这是理想化结果。
在特定参照系,对于同步的甲时钟和乙时钟,如果持甲时钟的甲观测者、持乙时钟的乙观测者,还有其它任意位置的观测者,他们依靠两个时钟发出的以有限速度值运动的光信号,分别使用眼睛观看,则在不同位置、不同情况,看到的结果是不一样的。在有些位置和情况,会看到甲时钟乙时钟是同步时钟。在有些位置和情况,会看到甲时钟乙时钟是非同步时钟。
设同一参照系有相对静止的甲量尺和乙量尺,它们显示的长度值分别使用小写字母s和大写字母S来表示。
如果甲量尺和乙量尺均按照国际单位制米定义显示长度值,而且把甲量尺和乙量尺平行放置时,甲量尺显示的△s=1米长度值,乙量尺显示的△S=1米长度值,它们的起点刻度能对齐,终点刻度也能对齐,也就是甲量尺显示的△s=1米起点和终点之间的距离,跟平行放置的乙量尺显示的△S=1米起点和终点之间的距离相等,这种“相等的长度值具有相等的空间距离”的两个量尺,就是同长量尺。对于上述情况,可以使用如下数学公式来表达
甲量尺(△s=1米)=乙量尺(△S=1米)…………(3)
在上面的表达式中,把△s=1米写在括号里,表示甲量尺△s=1米的起点和终点的距离。把△S=1米写在括号里,表示乙量尺△S=1米的起点和终点的距离。(3)式表达了甲量尺△s=1米的距离,跟乙量尺△S=1米的距离相等。
如果甲量尺显示的△s=1米,跟平行放置的乙量尺显示的△S=1米,它们的起点刻度对齐时,终点刻度却不能对齐,甲量尺△s=1米起点和终点之间的距离,跟平行放置的乙量尺△S=1米起点和终点之间的距离不相等,这种“相等的长度值具有不相等的空间距离”的两个量尺,就是非同长量尺。对于上述情况,可以使用如下数学公式来表达
甲量尺(△s=1米)≠乙量尺(△S=1米)…………(4)
上面(4)式表达甲量尺△s=1米的距离,跟乙量尺△S=1米的距离不相等。
关于同长量尺,在理论研究上,还可以这样描述:设甲时钟显示任意时刻值t时,给宇宙“按下暂停键”,设在t时刻状态图中,平行放置的甲量尺和乙量尺,甲量尺显示的△s=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,跟乙量尺显示的△S=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,它们完全等长。然后,设在t+△t时刻状态图中,甲量尺显示的△s=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,跟乙量尺显示的△S=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,依然相等。在上述情况中,甲量尺和乙量尺,就是同长量尺。
如果在t+△t时刻状态图中,甲量尺显示的△s=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,跟乙量尺显示的△S=1米的起点刻度和终点刻度之间的距离,已经相等。那么在上述情况中,甲量尺和乙量尺,就是不同长量尺。
在现代科技的计量学中,让同一参照系相对静止的多个量尺都按照国际单位制米定义来显示长度值,让多个量尺都成为同长量尺,或非常接近同长量尺,有很多具体方法。所以,在实际情况中,在一定条件下,在特定参照系测量速度值的时候,可以认为测速起点处的量尺,跟测速终点处的量尺,就是同长量尺,这是理想化结果。
在特定参照系,对于同长的甲量尺和乙量尺,如果持甲量尺的甲观测者、持乙量尺的乙观测者,还有其它任意位置的观测者,他们依靠两个量尺发出的以有限速度值运动的光信号,分别使用眼睛观看,则在不同位置、不同情况,看到的结果是不一样的。在有些位置和情况,会看到甲量尺乙量尺是同长量尺。在有些位置和情况,会看到甲量尺乙量尺是非同长量尺。
以上所述,是同一个参照系的同步时钟和同长量尺的情况。在相对匀速直线运动的两个参照系,同步时钟和同长量尺的情况,与上述情况具有相似性。在同一参照系或不同参照系,把不同时钟对准很重要,把不同量尺校准也很重要,然而让不同时钟保持同步运行,一直是同步时钟更重要,让不同量尺保持同长状态,一直是同长量尺也更重要。
在测量速度值的时候,测速起点处和测速终点处的观测者,如果他们使用的时钟不是同步时钟,量尺不是同长量尺,那么他们测得的速度值就不符合平均速度值定义,就会存在巨大误差,甚至存在错误,丧失科学价值。
4、爱因斯坦时空观洛伦兹变换里的速度值u和C,自相矛盾
——伽利略变换里的速度值u,成立有条件
在理论研究上说,在真空中惯性系理想情况下,在牛顿绝对时空观物理模型中、理论图像中,牛顿绝对时空观伽利略变换的物理意义如下:设甲系观测者使用自己的时钟量尺测得一个运动质点的运动时刻值和坐标值为(t、x、y、z),乙系观测者使用自己的时钟量尺测得同一运动质点的运动时刻值和坐标值为(T、X、Y、Z),伽利略变换和逆变换给出了(t、x、y、z)和(T、X、Y、Z)的变换关系
T=t,X=x-ut,Y=y,Z=z…………(5)
t=T,x=X+uT,y=Y,z=Z…………(6)
在牛顿绝对时空观理论模型中,把牛顿假设的绝对的数学时间和绝对的数学空间,落实到甲系乙系的时钟量尺上,结果为:甲系时钟跟乙系时钟永远是同步时钟(这就是伽利略变换的t=T描述的情况);甲系量尺跟乙系量尺永远是同长量尺。在这样的时钟量尺条件下,两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T,它们的量值一直相等,u假设u=u1=u2一直成立。
在此情况下,对于u1=△x/△t和u2=△X/△T,可以不加区分。可以使用一个速度值u来代表两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T的任何一个,进行具体应用。这样做不会产生任何矛盾。
在牛顿绝对时空观理论模型中,两系互测等速假设u=u1=u2、u假设和速度值u,它们是同一件事的三种具体表述。它们的成立条件有两个:甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺。
——洛伦兹变换里的速度值u和C,各有成立条件
在理论研究上说,在真空中惯性系理想情况下,在爱因斯坦相对论时空观物理模型中、理论图像中,爱因斯坦狭义相对论时空观洛伦兹变换的物理意义如下:设甲系观测者使用自己的时钟量尺测得一个运动质点的运动时刻值和坐标值为(t、x、y、z),乙系观测者使用自己的时钟量尺测得同一运动质点的运动时刻值和坐标值为(T、X、Y、Z),洛伦兹变换和逆变换给出了(t、x、y、z)和(T、X、Y、Z)的变换关系
在创建狭义相对论时空观的时候,爱因斯坦无条件地继承了牛顿绝对时空观伽利略变换的速度值u,爱因斯坦把速度值u直接写进了洛伦兹变换。
因为是无条件继承,所以,一方面,爱因斯坦没有改变速度值u在伽利略变换里的实验基础、理论基础和成立条件;另一方面,爱因斯坦对速度值u缺乏必要的研究,爱因斯坦既没有明确认识到,也没有给出具体说明:那个速度值u,它来源于两个速度值u1=△x/△t、u2=△X/△T和u假设u=u1=u2;速度值u的成立,是有条件的,具体为:甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺。
爱因斯坦根据洛伦兹变换,假设推理出的动钟变慢假设和动尺变短假设,被解释为C假设C=C1=C2=299792458米/秒和洛伦兹变换等,得以成立的时钟量尺条件。爱因斯坦的逻辑是,在甲系时钟跟乙系时钟遵守动钟变慢假设,甲系量尺跟乙系量尺遵守动尺变短假设的条件下,C假设C=C1=C2=299792458米/秒和洛伦兹变换等,都能成立。
在爱因斯坦相对论时空观理论模型中,光速不变假设C=C1=C2=299792458米/秒、两系测光等速假设、C假设和速度值C,它们是同一件事的四种具体表述。它们的成立条件有两个:甲系时钟跟乙系时钟遵守动钟变慢假设,不是同步时钟;甲系量尺跟乙系量尺遵守动尺变短假设,不是同长量尺。
——爱因斯坦的u和C,存在自相矛盾,逻辑不自洽
在爱因斯坦相对论时空观理论模型中,在洛伦兹变换里并肩而立的速度值u和C,它们得以成立的时钟量尺条件大不相同。
速度值u的成立条件是:甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺。
光速值C的成立条件是:甲系时钟跟乙系时钟遵守动钟变慢假设,不是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺遵守动尺变短假设,不是同长量尺。
可以说,在爱因斯坦狭义相对论时空观理论模型中,在甲系乙系都只有一套时钟量尺的情况下:甲系时钟跟乙系时钟不能既是同步时钟,支持速度值u的成立,又遵守动钟变慢假设,支持光速值C的成立;甲系量尺跟乙系量尺不能既是同长量尺,支持速度值u的成立,又遵守动尺变短假设,支持光速值C的成立。
顺便指出,在爱因斯坦狭义相对论时空观中,甲系观测者使用自己的时钟量尺测得的乙系相对甲系的速度值是u1=△x/△t,乙系观测者使用自己的时钟量尺测得的甲系相对乙系的速度值是u2=△X/△T,u1和u2是甲系乙系独立测得的速度值。
在相对论时空观中,爱因斯坦等人经常根据洛伦兹变换进行计算和变换,把计算和变换获得的结果,解释成使用时钟量尺测到的结果。下面,按照爱因斯坦的逻辑,演示一种计算和变换。
在图2所示情况中,甲系观测者使用自己的时钟量尺测得的乙系相对甲系的速度值是u1=△x/△t=xa/t2,据此,有xa=u1×t2。
相应地,乙系观测者使用自己的时钟量尺测得的甲系相对乙系的速度值为u2=△X/△T=Xa/T2。对于u2=△X/△T=Xa/T2,可以使用洛伦兹变换进行计算和变换。
在图2.1所示情况中,乙系测到的甲二在测速起点,也就是在a点的运动时刻值和X轴坐标值为(0、Xa);甲系测到的甲二在a点的运动时刻值和x轴坐标值为(0、xa)。在图2.2所示情况,乙系测到的甲二在测速终点,也就是在乙系原点的运动时刻值和X轴坐标值为(T2、0);甲系测到的甲二在a点的运动时刻值和x轴坐标值为(t2、xa);在上述情况下,使用洛仑兹变换对u2=△X/△T进行计算和变换,结果如下
上述情况表明,使用洛伦兹变换进行计算和变换,并不能保证两系互测等速假设u=u1=u2必然成立。
当然,爱因斯坦狭义相对论时空观是一种假设推理的物理模型、时空图像,是自由度很大的假设想象、理论图像。而不是严格遵守实验的物理模型、理论图像,不是相当严格、极其规范的假设想象、时空图像。所以,有些相对论维护者可以通过改变最初的“约定条件、游戏规则”,来计算和变换出u2=-u1等结果,并认为使用洛伦兹变换进行计算和变换,也能保证两系互测等速假设u=u1=u2必然成立。
可以说,如果爱因斯坦明确指出:在爱因斯坦狭义相对论时空观理论模型中,甲系乙系各自拥有两套时钟量尺,甲系的第一套时钟量尺和乙系的第一套时钟量尺被用来专门支持速度值u的成立,甲系的第一套时钟跟乙系的第一套时钟是同步时钟,甲系的第一套量尺跟乙系的第一套量尺是同长量尺;甲系的第二套时钟量尺跟乙系的第二套时钟量尺被用来专门支持光速值C的成立,甲系的第二套时钟跟乙系的第二套时钟遵守动钟变慢假设,甲系的第二套量尺跟乙系的第二套量尺遵守动尺变短假设。那么在此条件下,洛伦兹变换里的u和C倒是可以共同成立。但是,让甲系乙系拥有和使用两套时钟量尺,这不符合实际情况。
或者爱因斯坦明确指出:在爱因斯坦狭义相对论时空观理论模型中,甲系乙系只有一套时钟量尺,但是这套时钟量尺具有魔术钟尺功能,可以随时按需变脸;当需要支持速度值u的成立时,甲系时钟和乙系时钟就立刻变成同步时钟,甲系量尺和乙系量尺就立刻变成同长量尺;当需要支持光速值C的成立时,甲系时钟和乙系时钟就立刻变成非同步时钟,遵守动钟变慢假设,甲系量尺和乙系量尺就立刻变成非同长量尺,遵守动尺变短假设。那么在此条件下,洛伦兹变换里的u和C倒是也可以共同成立。但是,让甲系乙系的时钟量尺具有上述魔术功能,可以随时变脸,这同样不符合实际情况。
在狭义相对论时空观理论模型中,爱因斯坦一方面依靠速度值u和C建立了洛伦兹变换,另一方面,他也给洛伦兹变换中并肩而立的速度值u和C,制造了自相矛盾、逻辑不自洽,制造了u和C不能共同成立却并肩而立的奇特景象,这是严重错误。
5、使用动钟变慢假设解释实验,违反逻辑规律和实验事实
——使用动钟变慢假设解释实验,违反逻辑且不符合实际
在以往,针对C假设C=C1=C2=299792458米/秒和洛伦兹变换遇到的困难和矛盾,爱因斯坦等人一直把动钟变慢假设和动尺变短假设当支持证据,进行辩解。实际上,爱因斯坦等人使用动钟变慢假设和动尺变短假设,为狭义相对论时空观作辩解,严重地违反了逻辑规律。
首先,在逻辑关系上讲,u假设u=u1=u2 和C假设C=C1=C2=299792458米/秒,是爱因斯坦基于测量速度值实验,给出的物理学假设。基于u假设和C假设这两个一级假设,爱因斯坦假设推理出了二级假设洛伦兹变换,然后,继续假设推理出了三级假设动钟变慢、动尺变短等。可以说,使用动钟变慢假设和动尺变短假设这种三级假设反过来证明其前提C假设这个一级假设的正确性,反过来证明其前提洛伦兹变换这个二级假设的正确性,这就是使用“逻辑推理的结论”反证“逻辑推理的前提”的正确性,这是违反逻辑规律的无效论证。
其次,动钟变慢假设和动尺变短假设,它们导致u假设u=u1=u2的成立条件:t=T,也就是甲系时钟跟乙系时钟是同步时钟这个条件,以及甲系量尺跟乙系量尺是同长量尺这个条件,都无法共同存在;因此,动钟变慢假设和动尺变短假设导致洛伦兹变换里的u和C不能共同成立,这就导致洛伦兹变换不能成立;当洛伦兹变换不能成立时,作为洛伦兹变换的推理结论,动钟变慢假设和动尺变短假设已经丧失产生依据和存在依据;在此情况下,使用自身难保的动钟变慢假设和动尺变短假设去支持C假设C=C1=C2=299792458米/秒和洛伦兹变换的成立,这是违反逻辑规律,进行无效论证。
第三,有一些实验,例如飞机搭载原子钟绕地球赤道飞行实验等,一直被当做动钟变慢假设的支持证据。然而,在这些实验中,都是既存在“动钟变慢”现象,又存在“动钟变快”现象。而且,导致“动钟变慢”和“动钟变快”现象的原因,是时钟所受外界作用的差别,时钟的相对运动仅仅是表面现象。所以,狭义相对论时空观片面地强调“动钟变慢”现象对动钟变慢假设提供了支持,无视“动钟变快”现象对动钟变慢假设制造了否定,这是牵强附会的非科学论证行为。与此同时,把相对运动表面现象当成时钟变慢变快的本质原因,这是曲解实验。
第四,动钟变慢假设和动尺变短假设,它们作为一种假设,在爱因斯坦狭义相对论时空观这个假设模型中、理论图像中,可以产生和存在。但是,作为假设模型中、理论图像中的爱因斯坦个人想法、假设想象,动钟变慢假设和动尺变短假设没有资格和能力,要求实际宇宙中的物理现象必须遵守动钟变慢假设和动尺变短假设,去运动和变化。可以说,如果相对运动这种表面现象没有导致时钟和量尺的内部结构运动和所受外界作用发生变化,那么,使用狭义相对论时空观动钟变慢假设和动尺变短假设数学公式计算获得的“动钟变慢命令”和“动尺变短命令”,就是一种“别人的想法”。这种“别人的想法”它没有“特异功能”,它不能导致时钟真实地发生动钟变慢效应,也不能导致量尺真实地发生动尺变短效应。
否则,狭义相对论时空观的动钟变慢假设和动尺变短假设这种“别人的想法”,就是具有超能力的“心灵感应”和“特异功能”,它就可以违反能量守恒定律,去改变时钟和量尺的运动,导致动钟变慢效应和动尺变短效应。
——两个物理量的单位是否相同,决定物理内容是否相同
应该强调,物理学的具体物理量,例如时间值1秒、长度值1米和光速值C=299792458米/秒等,都有两部分内容,一是前面的数字,二是后面的单位。
两个同名物理量是否具有相等关系,物理意义是否相同,跟前面的数字,后面的单位,所描述的物理现象,实际的物理内容,都有密切关系。
在相对匀速直线运动的甲系乙系,如果甲系的时间单位“1秒”跟乙系的时间单位“1秒”,是等长的变化过程,两个“1秒”同时开始后,可以同时结束,那么在此情况下,甲系的时间单位“1秒”,跟乙系的时间单位“1秒”,就是相等关系。此时,甲系乙系具有统一的时间单位“1秒”。
在甲系乙系具有统一的时间单位“1秒”的情况下,按照甲系时间单位“1秒”显示时间值的甲系时钟,它所显示的1秒,按照乙系时间单位“1秒”显示时间值的乙系时钟,它所显示的1秒,这两个“1秒”具有相等关系。使用甲系时钟测到的1秒,使用乙系时钟测到的1秒,这两个“1秒”也具有相等关系。在上述情况下,说两个“1秒”彼此相等,具有明确的物理意义,表示变化过程相同,物理内容相同。
在相对匀速直线运动的甲系乙系,如果甲系的空间单位“1米”跟乙系的空间单位“1米”,是等长的空间距离,两个“1米”起点对齐时,终点也能对齐,那么在此情况下,甲系的空间单位“1米”,跟乙系的空间单位“1米”,就是相等关系。此时,甲系乙系具有统一的空间单位“1米”。
在甲系乙系具有统一的空间单位“1米”的情况下,按照甲系空间单位“1米”显示长度值的甲系量尺,它所显示的1米,按照乙系空间单位“1米”显示长度值的乙系量尺,它所显示的1米,这两个“1米”具有相等关系。使用甲系量尺测到的299792458米,使用乙系量尺测到的299792458米,这两个“299792458米”也具有相等关系。在上述情况下,说两个“1米”相等,说两个“299792458米”相等,具有明确的物理意义,表示空间距离相等,物理内容相同。
在甲系乙系具有统一的时间单位“1秒”,具有统一的空间单位“1米”的情况下,若甲系使用自己的时钟量尺测到的光速值C1=299792458米/秒,乙系使用自己的时钟量尺测到的光速值C2 =299792458米/秒,那么说这两个光速值相等为C=C1=C2=299792458米/秒,具有明确的物理意义,表示二者的物理内容相同。
在相对匀速直线运动的甲系乙系,如果甲系的时间单位“1秒”跟乙系的时间单位“1秒”,不是等长的变化过程,两个“1秒”同时开始后,不能同时结束,那么在此情况下,甲系的时间单位“1秒”,跟乙系的时间单位“1秒”,就不是相等关系。此时,甲系乙系不具有统一的时间单位“1秒”。
在甲系乙系不具有统一的时间单位“1秒”的情况下,按照甲系时间单位“1秒”显示时间值的甲系时钟,它所显示的1秒,按照乙系时间单位“1秒”显示时间值的乙系时钟,它所显示的1秒,这两个“1秒”就不具有相等关系。使用甲系时钟测到的1秒,使用乙系时钟测到的1秒,这两个“1秒”也不具有相等关系。在上述情况下,两个“1秒”,变化过程不相同,物理内容不相同。
在相对匀速直线运动的甲系乙系,如果甲系的空间单位“1米”跟乙系的空间单位“1米”,不是等长的空间距离,两个“1米”起点对齐时,终点却不能对齐,那么在此情况下,甲系的空间单位“1米”,跟乙系的空间单位“1米”,就不是相等关系。此时,甲系乙系不具有统一的空间单位“1米”。
在甲系乙系不具有统一的空间单位“1米”的情况下,按照甲系空间单位“1米”显示长度值的甲系量尺,它所显示的1米,按照乙系空间单位“1米”显示长度值的乙系量尺,它所显示的1米,这两个“1米”不具有相等关系。如上所述两个“1米”,它们的空间距离不相等,物理内容不相同。使用甲系量尺测到的299792458米,使用乙系量尺测到的299792458米,这两个“299792458米”也不具有相等关系。如上所述两个“299792458米”,它们的空间距离不相等,物理内容不相同。
在甲系乙系不具有统一的时间单位“1秒”,不具有统一的空间单位“1米”的情况下,若甲系使用自己的时钟量尺测到的光速值C1=299792458米/秒,乙系使用自己的时钟量尺测到的光速值C2 =299792458米/秒,那么这两个光速值C1和C2不具有相等关系。因为尽管C1和C1具有相同的数字“299792458”,但是由于数字后面的单位“米/秒”不相同,所以,C1=299792458米/秒和C2 =299792458米/秒的物理内容是不相同的。
在牛顿绝对时空观理论模型中,把牛顿假设的绝对的数学时间和绝对的数学空间,落实到甲系乙系,就相当于甲系乙系具有统一的时间单位“1秒”,就相当于甲系乙系具有同步时钟;就相当于甲系乙系具有统一的空间单位“1米”,就相当于甲系乙系具有同长量尺。
在爱因斯坦狭义相对论时空观理论模型中,针对相对匀速直线运动的甲系乙系,爱因斯坦一直没有明确说明:甲系的时间单位“1秒”,跟乙系的时间单位“1秒”是否相等;甲系的空间单位“1米”,跟乙系的空间单位“1米”是否相等。与此有关的是,甲系时间值跟乙系时间值存在动钟变慢关系,甲系乙系没有同步时钟;甲系量尺跟乙系量尺存在动尺变短关系,甲系乙系没有同长量尺。
在爱因斯坦狭义相对论时空观理论模型中,如果甲系的时间单位“1秒”跟乙系的时间单位“1秒”不相等,甲系的空间单位“1米”跟乙系的空间单位“1米”也不相等,甲系乙系不具有统一的时间单位“1秒”,不具有统一的空间单位“1米”,在此情况下,对甲系使用自己的时钟量尺测到的光速值C1=299792458米/秒,乙系使用自己的时钟量尺测到的光速值C2=299792458米/秒,爱因斯坦假设它们相等为C=C1=C2=299792458米/秒,这种情况中,C1=299792458米/秒和C2=299792458米/秒,他们的物理内容相同吗?这是爱因斯坦一直没有回答的的问题,是一个必须解决的认识空白。
应该说,关于时间空间和速度的单位问题,因为科学技术发展水平等原因,在牛顿时代和爱因斯坦时代都没有给予足够重视和足够研究。但是,在航天技术高度发展,相对运动参照系大量存在的今天,对上述问题,现在应该给予足够重视了,应该认真研究了。
——在光束参照系研究甲系乙系运动,存在严重的自相矛盾
参照爱因斯坦曾经谈论过的“与光同行理想实验”及其思路,在科学模型中,在理论研究中,设相对匀速直线运动的甲系乙系研究沿x、X轴正方向运动光束的光速值时,可以在光束上建立参照系,简称为光束参照系。然后,就可以立足光束参照系,研究光束参照系、甲系和乙系,三者的相对运动。参见图3。
在图3所示的情况中,爱因斯坦C假设,也就是光速不变假设要求,沿x、X轴正方向运动的光束,相对甲系乙系向右的光速值均为C=299792458米/秒。
根据爱因斯坦的狭义相对性原理假设,在光束参照系可以进行如下逻辑推理:
首先,因为光束相对甲系向右的光速值为C=299792458米/秒,所以,甲系相对光束参照系向左的速度值应为C=299792458米/秒;
其次,因为光束相对乙系向右的光速值为C=299792458米/秒,所以,乙系相对光束参照系向左的速度值应该是C=299792458米/秒;
第三,因为甲系相对光束参照系向左的速度值是C=299792458米/秒,乙系相对光束参照系向左的速度值也是C=299792458米/秒,所以,相对光束参照系向左均以C=299792458米/秒运动的甲系、乙系,它们相对运动速度值就是u=0。但是,u=0,这显然与初始条件,甲系乙系的相对速度值u必须是特定值,不能是u=0这个初始条件相互矛盾,与洛伦兹变换的物理意义相互矛盾。
——使用质速关系解释的物理现象,可以另有解释
对于以往所谓的支持爱因斯坦相对论时空观的实验证据,有必要重新审视,进行严格比较研究。
例如狭义相对论的质速关系假设:伴随带电粒子的运动速度值不断增加,带电粒子的质量值会按照洛伦兹因子不断增加,这个质速关系假设曾经被用来解释加速器实验等实验现象。
与此有关,如果假设伴随带电粒子的运动速度值不断增加,带电粒子的质量值一直不变,带电粒子受到的库仑力作用却按照洛伦兹因子倒数不断减小
使用这样的假设解释加速器实验等,也可以给出合理解释。而且,这可以成为电磁学创新发展的理论探索方向和实验研究内容。
6、综合结论:从伽利略牛顿再到麦克斯韦爱因斯坦,都有认识空白
1、在实际情况中,按照计量学要求,相对匀速直线运动的甲系乙系应该至少出动六人六钟六尺,每个参照系应该至少出动三人三钟三尺,观测者需要处在测速起点和测速终点,使用现代科技制造的同步时钟和同长量尺,测量时间值、长度值、速度值和光速值。在上述情况下,甲系可以测得两个速度值u1=△x/△t和C1=△s/△t,乙系可以测得两个速度值u2=△X/△T和C2=△S/△T。以上内容,是牛顿时空观、爱因斯坦时空观和交叉学科时空观等,共同的实验基础。
2、根据甲系乙系测量获得的四个速度值u1、u2、C1和C2,伽利略变换创建者相当于提出两系互测等速假设,也就是u假设u=u1=u2,把两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T缩写成了一个速度值u;爱因斯坦提出光速不变假设,也就是两系测光等速假设,也就是C假设C=C1=C2=299792458米/秒之后,就把两个光速值C1=△s/△t和C2=△S/△T缩写成了一个光速值C。上述内容,是建立伽利略变换和洛伦兹变换的理论基础,是必不可少的思维过程,不能遗漏,必须知道。
3、先进行六人六钟六尺测速实验,把洛仑兹变换里的速度值u和C扩写成四个速度值u1、u2、C1和C2,这是实验基础;再提出u假设C假设,把四个速度值u1、u2、C1和C2缩写成两个速度值u和C,这是理论基础;通过上述研究,就可以看清楚,u假设的成立条件是:甲系时钟乙系时钟是同步时钟,甲系量尺乙系量尺是同长量尺;C假设的成立条件为:甲系时钟乙系时钟必须遵守动钟变慢假设,是非同步时钟,甲系量尺乙系量尺必须遵守动尺变短假设,是非同长量尺。在洛伦兹变换里,u假设和C假设的成立条件自相矛盾,逻辑不自洽,速度值u和C不能共同成立,洛伦兹变换和狭义相对论时空观存在违反逻辑规律和违反实验事实的内容,对于相对论时空观和相对论,应该重新审视和研究。
4、现代科学的认识方法,包括如下内容:眼睛观察、仪器实验、数学描述、假设想象、逻辑推理和实验检验,这是建立科学理论的重要方法。在爱因斯坦相对论时空观中,必要的眼睛观察和仪器实验,严重缺乏。随意的假设想象和数学描述,此起彼伏。爱因斯坦和相对论专家经常使用假设想象代替时钟量尺实验测量,经常违反逻辑规律进行循环论证维护假设结论,经常牵强附会地曲解实验当做支持证据,经常把假设推理出的速度值u和C、洛伦兹变换、动钟变慢、动尺变短和狭义相对论时空观等,全都当成了实际存在的内容。这就是围绕狭义相对论时空观产生100多年矛盾和争论的主要原因之一。认识到产生矛盾和争论的原因,就可以速解100多年矛盾和争论,纠正错误认识了。
5、立足科学实验来研究时空问题,与相对论时空观有关的很多争论都可以避免。因为进行科学实验就必须使用科学仪器,就必须遵守科学规律和逻辑规律,脱离实际的假设想象在科学实验面前难有立足之地;科学实验还可以对各种假设想象进行检验,对其真伪优劣作出判决。关于相对匀速直线运动的甲系乙系研究两系互测速度值,两系测量同一光的光速值,谈论u和C创建伽利略变换和洛伦兹变换等,从伽利略到牛顿,再到麦克斯韦和爱因斯坦,他们都有认识空白。对于牛顿时空观、爱因斯坦时空观和交叉学科时空观共同的实验基础,对于应知必知的内容等,他们都缺乏必要了解。取得上述认识,就是给爱因斯坦相对论时空观填补认识空白。因此就可以发现更多真相,走向科学技术创新发展的新天地。
6、在今天,在大学和中学物理课本中,针对牛顿绝对时空观伽利略变换及其速度值u,针对爱因斯坦相对论时空观洛伦兹变换及其速度值u和C,应该增加共同的实验基础,阐明各自的理论基础。交叉学科时空观更上一层楼,指出了一系列创新认识。例如六人六钟六尺进行测速实验,测量获得四个速度值,把伽利略变换和洛伦兹变换的两个速度值u和C扩写成四个速度值;提出u假设和C假设,把四个速度值缩写成两个速度值等内容;对于上述内容,都值得写进教科书,它们指出了伽利略变换和洛伦兹变换的实验基础和理论基础,可以推动爱因斯坦时空观和牛顿时空观发展完善,可以推动科学认识和实验、工程实践和技术产品等进步发展。应该立刻行动,填补认识空白,纠正认识错误,积极发展完善。
7、作者简介
齐新,交叉学科时空观创建者,交叉学科统一论创建项目牵头人,强脑方法和产品研发者,头脑简图发明人和专利权人,强脑创新方法和提高六大脑力方法发明人,抑郁症和极端行为预防方法研发者。《智胜爱因斯坦》和《管理大脑思想》图书作者。1964年2月出生于内蒙古赤峰市;1986年毕业于内蒙古师范大学物理系,此后在赤峰学院物理系任教多年;2002年至2014年先后在北方经济报社和内蒙古日报社工作;2011年11月成立新动力文化,并任负责人至今。
立足现代科学和中华优秀传统文化等,对物质、时间、空间、生命、大脑和思想等问题进行了长期的交叉学科研究。2009年,得到全国政协副主席、国家科委原主任宋健院士推荐,在《前沿科学》第2期发表科学论文“狭义相对论被争论100多年的主要原因”。1998年,得到中国科协副主席、航天工业总公司总工程师庄逢甘院士推荐,在《宇航学报》第2期发表科学论文“论GPS与相对论时空观”。2006年6月,在内蒙古教育出版社出版《智胜爱因斯坦》创新方法图书。2017年7月,在光明日报出版社出版《管理大脑思想》科学用脑图书。2023年4月,在国家预印本平台发布文章《创建交叉学科时空观,速解爱因斯坦未解之谜和牛顿未解之谜》,此后陆续发布有关科学论文十余万字,全面地介绍了交叉学科时空观。曾经发布大量网络科普文章,介绍交叉学科时空观和强脑方法等。