1、毛主席接见李政道杨振宁,希望他们做一件事
1974年5月30日,毛主席接见了李政道先生和陪行的国内著名科学家朱光亚等人。
湖南日报手机网8月5日发布文章“毛主席晚年与李政道谈物理学的对称,不料一开场却把李政道问住了”,文章介绍说,1974年5月30日一清早,毛泽东主席突然提出想见一个人,而且是希望在一小时内就见到他。此人正是与杨振宁先生一同首次获得诺贝尔物理奖的华裔科学家李政道先生。
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李政道完全没有预料到已是八十多岁高龄的毛泽东主席,竟然会对纯物理学上的事会有如此大的好奇与兴趣,一时也颇为惊奇与欣喜。于是,在谈话的开场时,一直静静地听主席讲。
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主席讲,他曾经有个计划,专门抽出时间用三年的时间学习研究自然科学,但由于工作的原因,没有机会去实现,留下了遗憾,欠了历史的帐,现在看来也还不上这个帐了哟。
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李政道在其后来的回忆文章中谈到这次与毛泽东的会见时感叹道:
“毛泽东主席当年已经是81岁高龄了,尽管行动已经不大方便,但是他的反应速度之快、思维之敏捷,以及对物理科学前沿的关注与了解,着实让人钦佩,令人崇敬。”
1973年7月17日,毛主席还接见了与李政道先生一同首次获得诺贝尔物理奖的华裔科学家杨振宁先生,以及陪行的国内著名科学家周培源等人。
在凤凰资讯有一篇文章“杨振宁回忆与毛泽东、周恩来交往的轶事”,在文中,杨振宁回忆道:“毛主席、周总理、周培源先生跟我四个人坐在他的书房里头。那么谈了一个半钟头以后呢,他的秘书来了说主席时候到了。所以我们就站起来,结果毛主席他站不起来,他坐在一个沙发上,坐在我的右边,他一时站不起来。所以他就跟我讲,说你拉我一把。所以我就拉了他一把,拉了他一把呢就没问题,他就可以站起来,站起来以后走路倒没有问题。他走路慢,不过并没有问题。不是这样脚蹭着地板这样走的,还是正常的走的。走到门口呢,我记得非常清楚,他跟我握了握手,还讲话。这个话我原文还记得。因为我知道他是从心底里讲的话,他说我小时候呢也想在科学方面有一些贡献,后来没做到。现在我很高兴你在科学上做了一些贡献。这个话我会永远记得的。我还记得他问了我这么一个问题,他说你们在物理学里头,这个理论跟思想是占什么地位?”
有研究者指出,毛主席接见李政道、杨振宁,目的之一,就是希望李政道、杨振宁能为毛主席启动的“创建统一论发展爱因斯坦相对论科学创新工程”有所贡献,这是关乎中国科技自立自强,中华民族提高科学智慧的大事情。
2、毛主席提出科学预言,启动发展爱因斯坦相对论创新接力工程
对于毛主席启动的科学创新工程,陪同李政道的朱光亚,陪同杨振宁的周培源,都非常清楚。实际上,李政道、杨振宁通过接触国内科学家,他们对毛主席启动的科学创新工程应该有全面了解。
胡大年在《爱因斯坦在中国》一书中曾介绍,1969年10月23日,中国科学院曾经邀请一些著名科学家座谈,研究“发展爱因斯坦相对论”问题。钱学森院士、周培源院士、何祚庥院士、吴有训院士和竺可桢院士等参加了座谈会。
史料表明,新中国成立后,为了领导中国的科技事业,毛主席曾经拿出大量时间和精力学习现代科技知识,进行思考和研究,交流和讨论。
通过广泛地读书和思考,对于人类发展史和科学技术发展史,毛主席都有广泛深入的了解。对于爱因斯坦相对论发展史,围绕爱因斯坦相对论一直存在大量争论,爱因斯坦相对论的发展前景等,毛主席也有很多了解,而且拥有自己的独立判断。
毛主席女儿李敏的丈夫,名字叫孔令华。孔令华妹妹孔淑静在其撰写的《唯实——我的哥哥孔令华》一书中写道:1962年前后,哥哥有一次很兴奋地对柳树滋说,主席最近在谈到科学发现的辩证历史过程时说“从牛顿的绝对论到爱因斯坦的相对论,再到相对与绝对统一论,这就是科学认识的辩证法。应当从这个高度来看待爱因斯坦及其相对论。”
科学史研究者胡大年在《爱因斯坦在中国》一书中也写道,1963年,孔令华曾把刚刚复刊的《自然辩证法研究通讯》转送毛泽东,其中刊载的日本物理学家坂田昌一之《关于新基本粒子的对话》一文,使毛泽东深感兴趣,并由此引发了毛泽东对现代物理学之哲学问题的一系列评论。关于相对论,毛泽东曾对孔令华说,“从牛顿的绝对论到爱因斯坦的相对论,再到相对与绝对统一论,这就是科学认识的辩证法,应当从这个高度来看待爱因斯坦及其相对论。”
有关的历史资料显示,毛主席有胆有识地提出发展爱因斯坦相对论,探索相对与绝对统一论的科学预言后,有很多中国科技工作者受到鼓舞,开展了科学大讨论。在当时,中科院、北大、清华、复旦,全国众多科研机构和大学,都有大量科技工作者积极参与了科学大讨论。对上述持续60多年,一直延续到今天,具有广泛深刻影响,推动产生了一系列重要创新成果的科学大讨论和创新接力,可称之为“创建统一论发展爱因斯坦相对论科学创新工程”,简称为“发展爱因斯坦相对论科学创新工程”。
可以说,毛主席高瞻远瞩地看到,中国人民站起来之后,中华民族要想走向世界前列,做到科技自立自强,加速实现伟大复兴,中国人就需要快速提高科学素质,既长脑子又长胆子,有胆有识敢于创新。通过科学大讨论,树立样板带动全局,进行全民大练兵,就可以快速实现目标。这就是毛主席启动和支持“发展爱因斯坦相对论科学创新工程”的重要原因和远见卓识。
60多年来,围绕“创建统一论发展爱因斯坦相对论科学创新工程”,国家杰出贡献科学家钱学森院士,国家科委原主任宋健院士,北京大学原校长周培源院士,中科院理论物理研究所原所长彭桓武院士,上海原子核研究所原副所长卢鹤绂院士,清华大学天文系原主任李惕碚院士,中科院大学副校长吴岳良院士,中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王忠林院士,他们带头行动,做出了重要贡献。北斗卫星团队和天地生人学术讲座团队为该工程奉献了重要成果。积极参与该工程的百千万科技工作者都是主力军。“创建统一论发展爱因斯坦相对论科学创新工程”的众多开路先锋,堪称科技创新样板,目前,该工程正在走向创新大丰收。
中国交叉学科时空观创建者齐新说:“2024年1月24日,我曾经给李政道先生发了一个邮件,告诉了李政道先生一个好消息。我写道,毛主席曾经希望他见过的一些物理学家能搞出“相对与绝对统一论”,其中包括您和杨振宁先生。现在,咱们终于可以实现毛主席的科学蓝图了……”
齐新说,2024年7月21日,我把写给丘成桐院士和全世界物理学家的公开信,以及交叉学科时空观论文等内容,一并发给了李政道先生。该公开信具体内容如下:
致丘成桐院士和全世界科学家的公开信:请看科学真相、电闪雷鸣
尊敬的国际基础科学大会主席丘成桐院士和所有的参会代表:
丘成桐院士在大会开幕式致辞中指出,随着近年来人工智能迅猛发展,数学、理论物理、理论计算机与信息科学三大基础科学领域的融合互动,将带来更多激动人心的突破。
针对丘成桐院士的上述说法,我极其敬佩且高度共鸣地告诉你们,丘成桐院士所说的“融合互动,将带来更多激动人心的突破”,堪称高见。我们进行具体实践,进行更大的“融合互动”,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,我们发现了更多真相,创建了交叉学科时空观。
丘成桐院士还提出过如下观点:“假如我讲清楚今天基础科学怎么走,你照着走的话,走不出我的范围,这不是基础科学的目标。基础科学往往是要研究大自然的奥秘,我们要找无穷多的可能性,这需要自己去发掘,我们要找寻的是基础科学的真理。”把上述“丘成桐创新理念”落实到创新实践中,我们认识到,在以往的100多年时间里,在爱因斯坦划定的相对论时空观小圈子里,虽然人们有所发现和收获,但是也存在一叶障目不见真相的情况。
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。例如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;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。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。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。如上所述,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;通过上述广泛深入研究,就可以看清楚,洛伦兹变换里的速度值u和C存在自相矛盾,逻辑不自洽,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。上述创新认识,给爱因斯坦相对论时空观填补了认识空白,解决了有关的100多年矛盾和争论,发现了更多真相,帮助人走向科学新天地。
上述创新认识,不止是“激动人心的突破”,把它说成“科学真相,电闪雷鸣,科学革命,滚滚大潮”也不为过。现在,我把这封公开信发布在公共媒体上,同时发送到丘成桐院士邮箱里。希望按照国际基础科学大会的宗旨,把上述创新认识广泛传播。
如果把100年前的人请到今天,让他们看到今天的科学事实,他们就是获得超前认识了,先行者先受益。我现在给你们和大家介绍的创新认识,也是超前认识,也能让先行者先受益。
祝愿2024国际基础科学大会发现更多超前认识,取得科学创新突破大丰收。
你们的科学同行:齐新13304713489;2024年7月19日
可以说,李政道先生已经全面知晓,毛主席启动的“创建统一论发展爱因斯坦相对论科学创新工程”正在走向胜利竣工,已经取得大丰收。李政道可以告诉毛主席好消息了。
完成毛主席当年接见李政道杨振宁的夙愿,把毛主席的科学预言变成伟大的科学里程碑,杨振宁还有最后机会。
齐新说,科学的认识方法,包括如下主要内容:选定认识对象,进行眼睛观察,进行仪器实验,产生头脑反映,给出语言描述,建构假设模型,进行数学描述,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,进行交叉学科创新研究,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,我们更上一层楼,发现了更多真相,创建了交叉学科时空观。
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”成果,都属于重大创新成果,二者具有遥相呼应,相互支持的关系。它们已经都有希望获得诺奖等。从交叉学科理论视角,从“拉索”等大科学装置实验角度,研究有无更多的“对传统的相对论理论造成破坏”的情况,研究有无更多的“光速就不再是个常数了”,研究有无更多的“洛伦兹对称性有可能就要被破坏”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,都可以取得更多更大的认识突破。
附录
创建交叉学科时空观,发展完善爱因斯坦时空观
围绕爱因斯坦相对论时空观,存在100多年矛盾和争论,使用科学认识方法,建立交叉学科时空观,更上一层楼,就可以解决矛盾和争论。
1、研究追光实验,给甲系乙系建立统一的国际单位制
1.1 t时刻暂停图,展示宇宙真相
把地球月球简化成质点,可连成直线。设甲系的直角坐标系是oxyz,甲系原点o静止在地球上,x轴正方向指向月球;乙系的直角坐标系为OXYZ,甲系乙系x、X轴与地球月球连线重合,乙系向月球匀速直线运动。
设甲系乙系原点处时间值t=T=0时,两系原点重合;甲系原点处点光源向月球发出一个光束;乙系原点处观测者在同地、同时、同向,也飞向月球,可称之为追光者,这就是一个追光实验。
在这里,要使用物理学在理想情况下研究问题的两个方法,一是质点方法,二是t时刻暂停图方法,来研究追光实验。
——质点方法
在物理学中研究问题时,为了突出重点,抓住关键,简化问题,速解难题,可以把有形状、有大小、有体积、有质量的物体,简化成无形状、无大小、无体积、有质量的数学点,这就是质点。质点是物理学的一个理想化模型。在物体的形状、大小和体积不起作用,或者所起的作用可以忽略不计,物体的质量发挥决定性作用时,就可以使用质点方法,来研究问题和解决问题。
在追光实验中,在一般情况下,对于甲系原点处的观测者及其时钟量尺、乙系原点处的观测者及其时钟量尺、甲系原点处点光源及其发出的光束等,都可以看成无形状、无大小、无体积、有质量的质点。
这样,在甲系乙系原点处时间值t=T=0,两系原点重合时,可以认为甲系原点处观测者,乙系原点处观测者,甲系原点处点光源发出的光束等,三者重合在甲系乙系原点处。
因此,同地、同时、同向,飞向月球的光束和追光者(乙系原点观测者),它们就具有甲系乙系原点这个“共同的出发点”,就像百米赛跑运动员处在共同的起跑线。
——t时刻暂停图
太阳发出的光,从太阳运动到地球,需要经历8分钟时间值,走过1.5亿公里路程,这就是光信号延迟。在现代科技实验和实践中,光信号延迟普遍存在,已经是科学常识。参见图1。
人们在观看手机、电脑视频时,给播放中的视频按下暂停键,就可以得到暂停的视频平面图像。在暂停态视频平面图像中,图像中的每个具体内容都有确定的图像、形状、相对位置、相互关系等。
与上相似,在物理学理论研究中,可以做出如下假设:设甲观测者所持甲时钟显示t秒时,给全宇宙“按下暂停键”,这就类似于给电脑、手机播放的视频图像按下暂停键;由此,立体动态的、运动变化的宇宙就静止不动了,宇宙中所有的事物就全都凝固不变了,由此就构成了一幅t时刻立体的、暂停的宇宙图像,对此可称之为t时刻暂停图。
给宇宙t时刻暂停图“取消暂停”,宇宙就恢复原状了,就会继续立体动态地发展变化。在t+△t时刻再次给宇宙按下暂停键,就可以获得t+△t时刻暂停图,就可以进行比较研究。从t时刻到t+△t时刻的过程,就是△t时间过程图。
给宇宙“按下暂停键”,获得t时刻暂停图;给宇宙“按下两次暂停键”,获得△t时间过程图,这都是科学研究的方法。使用t时刻暂停图,建立科学模型,跟使用质点方法,建立科学模型相似,都是物理学在理想情况下,研究和解决问题的方法。也类似于物理学在理想情况下假设存在惯性系,惯性系是不受任何外力作用的参照系。
质点、惯性系和t时刻暂停图等,虽然在实际中无法存在,但是在头脑思维中,理论研究中,理论模型中,思维图像中,却是可以存在,而且可以在科学认识活动中发挥重要作用,甚至是必不可少。实际上,科学研究中所说的许多情况和许多内容,都是在理论图像、科学模型,“在理论研究中那样子”,眼睛观察和仪器实验发现的,大多是“在理论研究中那样子”的近似情况。
在理论图像、物理模型中可以说,在t时刻暂停图,静止不动、凝固不变的立体宇宙图像中,所有事物都具有确定的结构、形状、相对位置、相互关系等。所有的光信号全都停在了路上,其中有些光信号停在了发出地,有些光信号停在了传播路上,有些光信号停在了观测者眼睛前面。在t时刻暂停图中存在的所有内容和状态,都是“t时刻同时事件”。
具体说,在t时刻暂停图中,人说话,五官表情,身体活动的情况,在t时刻暂停的一瞬间,就凝固成雕塑了;枪打出的子弹,在t时刻暂停图中,停在枪口处,停止飞行了;天上飞行的卫星、飞机、导弹,地面上奔驰的汽车、火车、轮船,在t时刻暂停的一瞬间,全都静止在原地了;地球上所有的事物,全都在t时刻暂停的一瞬间,凝固静止成不变的立体图像了;太阳在t时刻暂停的一瞬间,停止了运动变化,太阳发出的光线,全都停在路上,静止凝固了;宇宙的万事万物,全都在t时刻暂停的一瞬间,静止不动,凝固不变了……
对于手持时钟、处在地面特定位置的甲观测者而言,在t时刻暂停图中,在观测者的时钟显示t秒时,有大量光信号,同时到达了观测者的眼睛,被眼睛看见了,这都是t时刻看到光信号事件。T时刻看到光信号事件,让观测者的眼睛看到了各种事物的存在状况。
在t时刻暂停图中,观测者的眼睛同时看到的光信号,是有远有近的不同事物,在t-△t1、t-△t2、t-△t3……时刻,有先有后地发出,经历了不同的传播时间,经历了不同传播距离,同时到达了观测者的眼前。在这种情况中,观测者眼睛同时看到的各种情况,就是t时刻看到的同时事件。
对于手持时钟、处在地面特定位置的甲观测者而言,在t时刻暂停图中,当观测者的时钟显示t秒时,有远有近的不同事物还同时发出了光信号,这都是t时刻发出光信号事件。t时刻发出光信号事件,展示了各种事物的存在状况。
在t时刻暂停图中,各种事物发出光信号,所展示的共同存在情况,就是t时刻实际的同时事件。t时刻实际的同时事件发出的光信号,要经历不同传播时间,经历不同传播距离,在t+△t1、t+△t2、t+△t3……时刻,有先有后地飞行到观测者眼睛,被看到。
在t时刻暂停图中,t时刻同时发出的光信号,构成t时刻实际的同时事件;t时刻同时到达观测者的光信号,构成t时刻看到的同时事件;t时刻实际的同时事件,t时刻看到的同时事件,它们共同存在。使用t时刻暂停图,就可以看清光信号延迟现象,避免把“实际的同时”和“看到的同时”混淆而谈。
人们讨论物理学问题时,有些情况,谈论的是t时刻暂停图的内容。有些情况,是把t时刻暂停态图的内容,跟t-△t时刻暂停图的内容,或者t+△t时刻暂停图的内容,进行前后对比。在前后对比的情况中,应该给出必要说明,不能交错混谈。如果把t时刻暂停态图的内容,t-△t时刻暂停图的内容,t+△t时刻暂停图的内容,混为一谈,颠倒顺序,就可能制造出“关公战秦琼”,前后穿越的矛盾。
1.2 研究追光实验,观测者使用时钟量尺测量距离值和速度值
——甲系观测者使用时钟量尺测量距离值和速度值
一、在图2所示追光实验中,设甲系时钟显示的时刻值为t1=0秒时,给宇宙“按下暂停键”,由此可获得甲系时钟t1=0秒暂停图,进行具体研究。
根据甲系时钟t1=0秒暂停图,甲系多个观测者使用自己的时钟量尺,可以联合测得如下结果:在甲系时钟显示t1=0秒时刻,甲系原点观测者、乙系原点观测者(追光者)、点光源及其发出的光束,他们重合在甲系乙系原点处。光束和追光者处在甲系乙系原点这个“共同的出发点”,沿地月连线,同时、同地、同向,飞向月球。取消暂停,宇宙就继续运动变化。
二、在图2所示情况中,设甲系时钟经历△t=1秒时间值,从t1=0秒增加到t2=1秒时,给宇宙再次“按下暂停键”,由此可以获得甲系时钟t2=1秒暂停图,进行具体研究。
根据甲系时钟t2=1秒暂停图,设甲系多个观测者使用自己的时钟量尺,联合测得如下结果:在甲系时钟显示t=1秒时刻,地球月球距离值等于380000000米;光束相对甲系原点距离值为△s1=299792458米,光束相对甲系的光速值为v1=△s1/△t =299792458米/秒;追光者相对甲系原点距离值△s2=299792457.5米,追光者相对甲系的速度值v2=△s2/△t =299792457.5米/秒;光束相对追光者的距离值△s3=△s1-△s2=0.5米,此刻,光束在前领先0.5米,追光者尾随落后0.5米,光束相对追光者速度值v3=△s3/△t=0.5米/秒;光束与月球距离值为80000000米。
在追光实验中,甲系测到的上述距离值和速度值,跟宇航科技、天文观测、工程技术、信息科技的实践情况高度相符。上述测量数据,也是爱因斯坦相对论时空观认可的内容。
三、设光束飞到月球上,甲系时钟显示t3=380000000(米)/299792458(米/秒)=1.2675435618秒时,再次给宇宙“按下暂停键”由此可以获得甲系时钟t3=1.2675435618秒暂停图,进行具体研究。
根据甲系时钟t3=1.2675435618秒暂停图,设甲系多个观测者使用自己的时钟量尺,联合测得如下结果:在甲系时钟显示t3=1.2675435618秒时,光束到达月球表面,光束相对甲系原点的距离值为△s1=380000000米,光束相对甲系的光速值仍为v1=299792458米/秒;追光者相对甲系原点的距离值△s2=379999999.3803251000米,追光者相对甲系的速度值仍为v2=△s2/△t =299792457.5米/秒;追光者落后于光束的距离值为△s3=△s1-△s2=0.6196749000米,追光者与月球距离值为△s3=0.6196749000米,光束相对追光者的速度值仍为v3=△s3/△t=0.5米/秒。
四、设追光者飞到月球上,甲系时钟显示t4=380000000(米)/299792457.5(米/秒)=1.2675435639秒时,再次给宇宙“按下暂停键”,由此可以获得甲系时钟t4=1.2675435639秒暂停图,进行具体研究。
根据甲系时钟t4=1.2675435639秒暂停图,设甲系观测者使用自己的时钟量尺,联合测得如下结果:追光者飞到月球表面,追光者相对甲系原点的距离值为△s1=380000000米。
应该指出,在甲系时钟t2=1秒暂停图中,甲系多个观测者使用自己的时钟量尺测定的光束飞行距离值△s1=299792458米,追光者飞行距离值△s2=299792457.5米,都相当于地球赤道7.5圈的距离值。一般民航客机速度值为900公里/小时,即250米/秒,绕地球赤道飞行7.5圈大约需要飞行333小时,约为14天。
所以,甲系观测者使用自己的时钟量尺测定的“向月球飞行的光束相对甲系的光速值为v1=299792458米/秒”,“追光者相对甲系的速度值为v2=299792457.5米/秒”,这都是“秒飞地球七周半”的巨大速度值。
成年人手臂的长度,从肩膀到中指尖的距离大约是0.7米。甲系观测者使用自己的时钟量尺测量确定的“向月球飞行光束相对追光者的距离值△s3=0.5米”,没超过成年人一条手臂长度。
所以,甲系观测者使用自己的时钟量尺测量确定的“向月球飞行的光束相对追光者的速度值是v3=0.5米/秒”,这是“一秒没飞一臂长”的极小速度值。
在追光实验中,v1=299792458米/秒和v2=299792457.5米/秒具有“秒飞地球七周半”物理意义,v3=0.5米/秒具有“一秒没飞一臂长”物理意义,其前提是,甲系时钟量尺都遵守国际单位制。v1=299792458米/秒,v2=299792457.5米/秒,v3=0.5米/秒,三个速度值前面的数字不相等,但后面的速度值单位,三个“米/秒”都来自国际单位制,彼此完全相等。
1.3 在追光实验中,爱因斯坦假设速度值推翻逻辑和实验
——针对追光实验等情况,爱因斯坦提出速度值假设
针对追光实验,以及类似的情况,在狭义相对论时空观中,爱因斯坦提出了如下速度值假设:
1、两系互测等速假设:爱因斯坦假设,在相对匀速直线运动的甲系乙系,当甲系观测者使用自己的时钟量尺测得乙系相对甲系的速度值u1=v1=△s2/△t;乙系观测者使用自己的时钟量尺测到的甲系相对乙系的速度值u2=△S/△T时;u1和u2的量值永远相等为u=u1=u2,这种两系互测等速假设在所有情况中均成立。在追光实验中,因为地球甲系测定的u1=v1=△s2/△t=299792457.5米/秒,所以,在追光者乙系就是u2=△S/△T=299792457.5米/秒。对于两系互测等速假设,可简称为u假设u=u1=u2。
2、光速不变第一假设:爱因斯坦假设,地球甲系观测者使用自己的时钟量尺测定的光束相对甲系的光速值永远是C1= 299792458米/秒,对此可简称为光速不变第一假设。
3、光速不变第二假设:爱因斯坦假设,追光者乙系使用自己的时钟量尺测定的光束相对乙系的光速值永远是C2=299792458米/秒;这也就是假设:“追光者使用自己的时钟量尺测定的光束相对追光者的光速值永远是C2=299792458米/秒”。对此可简称为光速不变第二假设。
4、两系测光等速假设:爱因斯坦假设,地球甲系使用自己的时钟量尺测到的光束相对甲系的光速值C1=299792458米/秒,追光者乙系使用自己的时钟量尺测到的光束相对乙系的光速值C2=299792458米/秒,甲系乙系各自测到的光速值,永远相等为C=C1=C2=299792458米/秒,这也就是光速不变假设。对于两系测光等速假设,也可简称为C假设C=C1=C2=299792458米/秒。
关于两系互测等速假设,可以说,甲系测到的u1=v2=△s2/△t =299792457.5米/秒,爱因斯坦给乙系假设的u2=△S/△T=299792457.5米/秒,两个速度值u1和u2,使用的都是国际单位制的“秒”“米”,所以,u1=299792457.5米/秒,u2=299792457.5米/秒,描述的都是“秒飞地球七周半”的大内容。
关于光速不变第一假设,可以说,爱因斯坦给甲系假设的C1=299792457.5米/秒,跟甲系测到的v1=299792457.5米/秒,使用的都是国际单位制的“秒”“米”,所以,v1=299792457.5米/秒和C1=299792457.5米/秒,描述的都是“秒飞地球七周半”的大内容。
关于光速不变第二假设和两系测光等速假设,可以说,爱因斯坦给乙系提出的光速不变第二假设,它要求:“光束相对追光者乙系的光值是C2=299792458米/秒”,这个C2=299792458米/秒,貌似描述了“秒飞地球七周半”的大内容;这跟甲系观测者使用自己的时钟量尺测到的“光束相对追光者的速度值为v3=△s3/△t=0.5米/秒”,描述了“一秒没飞一臂长”的小情况,差别巨大。
——前所未有的现象,空前绝后的景象,爱因斯坦推翻逻辑和实验
在追光实验中,针对甲系时钟t=1秒暂停图,甲系观测者使用时钟量尺测得如下距离值:地球月球距离值38万公里;光束到地球距离值△s1=299792458米,追光者到地球距离值△s2=299792457.5米;光束到追光者距离值△s3=0.5米;光束到月球距离值8万公里;其中△s2》△s3,也就是追光者到地球距离值,远大于光束到追光者距离值。
就上述追光实验,甲系观测者使用时钟量尺测得的时间值、距离值、速度值和光速值等数据,与宇航科技、天文观测、工程技术、信息科技的实践情况高度相符。
对于甲系测定的上述几个距离值,使用洛伦兹变换或动尺变短公式把它们变换到乙系,几个距离值的大小会改变,但是几个距离值的比例关系却不会改变,其中△s2》△s3的比例关系,从甲系变换到乙系,依然如故,不会改变。
但是,针对甲系△s2》△s3的情况,以及在乙系不会改变的长度比例关系,爱因斯坦在乙系却假设出了如下速度值:
首先,根据“两系互测等速假设”,以及甲系测得乙系相对甲系速度值u1=v1=299792457.5米/秒,爱因斯坦对应大距离△s2,他假设“乙系测到的甲系相对乙系速度值应该是u2=299792457.5米/秒”。
其次,根据“两系测光等速假设”,也就是光速不变假设,爱因斯坦对应小距离△s3,他假设“乙系测到的光束相对追光者的光速值应该是C2=299792458米/秒”。
这样,爱因斯坦就制造了“给大距离假设小速度值,给小距离假设大速度值”的奇特结果。也就是针对△s2》△s3的情况,爱因斯坦假设的速度值却是u<C2。
可以说,即使爱因斯坦具有充足理由,在乙系可以假设速度值,但是,也应该遵守逻辑和实验,对应大距离△s2假设出大速度值,对应小距离△s3假设出小速度值吧?
回顾科学发展史,除了爱因斯坦,还有哪个科学家干出过“给大距离假设小速度值,给小距离假设大速度值”这种严重地违反逻辑的事情?除了爱因斯坦相对论时空观,还有哪个科学理论里出现过“给大距离假设小速度值,给小距离假设大速度值”这种严重地违反实验的内容?
面对“给大距离假设小速度值,给小距离假设大速度值”这种违反逻辑和实验的矛盾,使用动钟变慢和动尺变短效应,就可以消除矛盾吗?使用动钟变慢和动尺变短公式,把甲系测到的距离值变换到乙系,就能改变△s2》△s3的比例关系吗?
可以说,“给大距离假设小速度值,给小距离假设大速度值”,这样的严重地违反逻辑和实验的情况,在科学技术发展史上,是前所未有的奇特现象;在人类历史上,也可能属于空前绝后的奇特景象。
爱因斯坦曾经依靠“物理内容没有变化、量值数字按需增减”相对论魔术手法,创造了相对论时空观百余年辉煌。然而,成也魔术手法,败也魔术手法。爱因斯坦一直变魔术终于大穿帮;“给大距离假设小速度值,给小距离假设大速度值”荒诞结果,终于被发现;爱因斯坦制造的严重地违反逻辑和实验的情况,已是铁证如山。
可以说,“给大距离假设小速度值,给小距离假设大速度值”,让爱因斯坦陷入违反逻辑和实验的困境。这是爱因斯坦提出“两系互测等速假设”和“两系测光等速假设”,缺乏必要的实验和逻辑基础,缺乏必要的广泛深入研究,同时滥用“物理内容没有变化、量值数字按需增减”魔术手段,把相对论魔幻景象与物理世界实际情况混淆谈论,所导致的必然结果。这是爱因斯坦时空观被发现自我颠覆式危机。实际上,爱因斯坦的时空观,被发现还存在其它多个类似的危机。
——自相矛盾的危机:在光束参照系u=0,前后自相矛盾
参照爱因斯坦曾经谈论过的“与光同行理想实验”及其思路,在追光实验中,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。
爱因斯坦光速不变第一假设要求,沿x、X轴正方向运动的光束,相对甲系向右的光速值为C1=299792458米/秒。
爱因斯坦光速不变第二假设要求,沿x、X轴正方向运动的光束,相对乙系向右的光速值为C2=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C1=299792458米/秒,所以,甲系相对光束参照系向左的速度值应该是C1=299792458米/秒;
其次,因为光束相对乙系向右的光速值为C2=299792458米/秒,所以,乙系相对光束参照系向左的速度值应该是C2=299792458米/秒;
第三,因为甲系相对光束参照系向左的速度值是C1=299792458米/秒,乙系相对光束参照系向左的速度值是C2=299792458米/秒,这样,甲系乙系相对光束参照系向左的速度值都是C=299792458米/秒,因此,甲系乙系的相对运动速度值就是u=0。但是,u=0,这显然与初始条件,甲系乙系以一定的速度值u相对运动,相互矛盾。这也是光速不变第二假设制造的违反逻辑、违反实验的困难,严重的危机。
——虚构假象的危机:把“一秒没飞一臂长”放大成“秒飞地球七周半”
在追光实验中,地球甲系使用遵守国际单位制“秒”“米”的时钟量尺测到了如下结果:“光束相对追光者的速度值是v3=0.5米/秒”,描述的是“一秒没飞一臂长”的小情况。
针对光束相对追光者的运动,爱因斯坦提出了光速不变第二假设:“光束相对追光者的光速值是C2=299792458米/秒”。在这里,如果爱因斯坦假设的C2=299792458米/秒,所使用的也是国际单位制的“秒”“米”,那么,C2=299792458米/秒,所描述的就是“秒飞地球七周半”的大内容。
这样,对于同一现象“光束相对追光者的运动”,C2和v3给出描述,就是差别巨大。
可以说,在追光实验中,爱因斯坦使用光速不变第二假设,把“一秒没飞一臂长”的小情况,放大成了“秒飞地球七周半”的大内容,这是爱因斯坦制造的科学实验与假设想象之间的严重矛盾。
另外,在追光实验中,甲系观测者使用遵守国际单位制“秒”“米”的时钟量尺,观测到了如下景象:在追光者前面,光束相对追光者以“一秒没飞一臂长”的极小速度值飞向月球;在追光者后面,地球相对追光者以“秒飞地球七周半”的巨大速度值远离追光者。
但是,爱因斯坦给乙系提出的两系互测等速假设u2=299792457.5米/秒和光速不变第二假设C2=299792458米/秒,却是假设出了如下图像:在追光者前面,光束相对追光者以“秒飞地球七周半”的巨大速度值飞向月球;在追光者后面,地球相对追光者以“秒飞地球七周半”的巨大速度值远离追光者。
这也是爱因斯坦光速不变第二假设制造的假设想象与科学实验的相互矛盾,与逻辑规律的相互矛盾,也是严重的危机。
可以说,在追光实验中,如果认为甲系乙系使用的都是国际单位制的“秒”“米”,那么,在甲系t=1秒暂停图中,从地球到追光者这段距离上,已经有了一个u1=v2 =299792457.5米/秒巨大速度值,它是“秒飞地球七周半”的巨大速度值,它已经占用了大约30万公里长度作为飞行舞台;如果从追光者到光束这段距离上,再产生一个C2=299792458米/秒巨大速度值,它也是“秒飞地球七周半”的巨大速度值,那就需要再有一个大约30万公里长度的运动舞台,供C2=299792458米/秒专用。
在地球指向月球方向,接连存在两个“秒飞地球七周半”的巨大速度值,至少需要大约60万公里长度,作为上演追光大戏的舞台。但是,地月连线仅有38万公里长度,显然无法支持u1=v2 =299792457.5米/秒和C2=299792458米/秒,都成为“秒飞地球七周半”巨大速度值。
——违反逻辑的危机:动钟变慢效应既缓解危机,也制造新困难
在以往,爱因斯坦和相对论时空观维护者经常辩解说,地球甲系使用遵守国际单位制“秒”“米”的时钟量尺测得“光束相对追光者的速度值是v3=0.5米/秒”,描述了“一秒没飞一臂长”的小情况,这是正确的;但是,因为追光者乙系相对地球甲系高速运动,在乙系发生了动钟变慢和动尺变短效应,所以,说光束相对追光者乙系的速度值是C2=299792458米/秒”,描述的是“秒飞地球七周半”的大内容,这也是正确的。
应该指出,动钟变慢和动尺变短效应是相对性效应,所以,也可以在追光者乙系说,地球甲系相对乙系存在高速运动,在地球甲系也发生了动钟变慢和动尺变短效应。那么,在追光者乙系计算出的动钟变慢和动尺变短效应,会在地球甲系多大范围产生影响并导致变化?啥样的影响和变化是可以观测到的?
举例说,目前,美国费米实验室的加速器可把微观粒子加速到光速值C的0.99999956倍;欧洲核子研究中心大型强子对撞机可把微观粒子加速到光速值C的0.999999991倍;当两个加速器分别产生相对地球以0.99999956C和0.999999991C运动的粒子时,理论物理学家可以立足地球参照系,给高速运动粒子计算出动钟变慢和动尺变短效应,要求高速运动粒子必须执行。
然而,按照爱因斯坦的相对论逻辑,也可以在高速运动粒子上建立参照系;这样,地球和太阳系等就是相对高速运动粒子参照系以0.99999956C和0.999999991C运动的物质系统;由此,也可以在高速运动粒子参照系给地球和太阳系等物质系统计算出动钟变慢和动尺变短效应。
那么,地球和太阳系等物质系统,它们在必须执行来自高速运动粒子参照系的动钟变慢和动尺变短“命令”时,地球和太阳系等物质系统会发生啥样的可观测变化?
类似加速器里的高速运动粒子,在宇宙中相当众多。因此,地球、太阳系和宇宙就必须不断地服从动钟变慢和动尺变短“命令”,必须不断发生“动钟变慢”和“动尺变短”吗?
上述问题,也是地球人公认的科学实验,跟爱因斯坦个人假设想象之间的严重矛盾,是严重的危机。
在以往,针对光速不变假设和洛伦兹变换等相对论说法遇到的困难和矛盾,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。但是,爱因斯坦等人给出的辩解,实际上是严重地违反了逻辑规律。
首先,在狭义相对论时空观中,在逻辑关系上讲,两系测光等速假设,也就是光速不变假设或C假设C=C1=C2=299792458米/秒,还有两系互测等速假设,也就是u假设u=u1=u2,它们是狭义相对论时空观的理论基础。基于C假设和u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。
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,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。
狭义相对论时空观的维护者,片面地强调“动钟变慢”现象对动钟变慢假设提供了支持,但是却无视“动钟变快”现象对动钟变慢假设制造了否定,这属于牵强附会的非科学论证。与此同时,把相对运动表面现象当成时钟变慢或变快的原因,这属于曲解实验。
可以说,对于爱因斯坦相对论时空观使用相对运动效应解释的许多实验,对以往所谓的支持相对论时空观的许多实验证据,都可以重新审视,重新解释。
例如根据狭义相对论的质速关系,可以假设: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。
针对所谓的质速关系和有关的实验,可以给出如下创新的解释。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,即有
使用这种“库仑力随速度减小减小”的观点,对于加速器实验等也可以给出合理解释,而且解释效果优于“质量随速度减小”的假设。这样的观点,还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。
——假设出“足够慢”的时钟和“足够短”的量尺,支持光速不变第二假设
在追光实验中,追光者等乙系观测者,如果他们使用特制的时钟量尺,按照需要放大时间值,或者缩小长度值,的确可以测得光束相对追光者的光速值就是C2=299792458米/秒,在数量上的确是“巨大速度值”。
一是让乙系使用“足够慢”的时钟。相应于甲系观测者的时钟经历△t=1秒,显示时间值t=1秒时,让乙系“足够慢”的时钟经历了△T=1/(2×299792458)秒时间值;而且在此情况下,让乙系使用自己的量尺测得“光束相对追光者的运动距离值”恰好是△S3=0.5米;这样,乙系使用自己的时钟量尺测得的“光束相对追光者的速度值”就是V3=△S3/△T=299792458米/秒了。这样,就能符合爱因斯坦光速不变第二假设的“巨大数量”要求了。
二是让乙系使用“足够短”的量尺。相应于甲系观测者的时钟经历△t=1秒,显示时间值t=1秒时,让乙系的时钟也经历△T=1秒,显示时间值T=1秒;但是在此情况下,让乙系“足够短”的量尺测得的“光束相对追光者的运动距离值”恰好是△S3=299792458米,这样,乙系使用自己的时钟量尺测得的“光束相对追光者的速度值”就是V3=△S3/△T=299792458米/秒了。这样,就能符合爱因斯坦光速不变第二假设的“巨大数量”要求了。
但是,在实际中,上述“足够慢”的时钟,“足够短”的量尺,都不可能存在。当然,在相对论时空观这种时空理论中,在相对论时空观这种物理模型中,按照需要,假设出、虚拟出上述“足够慢”的时钟和“足够短”的量尺,是完全可以的。这样的时钟量尺,它们可以为了支持爱因斯坦的光速不变第二假设而产生、而存在。
应该指出,对甲系乙系的两个物理现象进行比较,存在如下两种情况:一是被比较的两个物理现象,在物理内容上存在差别,例如在t时刻暂停图上,两个距离一大一小,或者在△t时间过程图中,两个过程一长一短,在此情况下,在甲系乙系描述两个物理现象的有关的物理量,例如长度值和时间值,在一般情况下也会有差别;二是两个物理现象的物理内容没有差别,例如在t时刻暂停图上,两个距离长短相等,或者在△t时间过程图中,两个过程长短相等,在此情况下,在甲系乙系描述两个物理现象的有关的物理量,一般会相等。但是,在此情况下,也可以使用“物理内容没有变化、量值数字按需增减”的变换,在甲系乙系使用不相等的物理量,描述相同的物理内容。
在追光实验中,地球甲系使用遵守国际单位制“秒”“米”的时钟量尺,测得“光束相对追光者的速度值是v3=0.5米/秒”,对“一秒没飞一臂长”的小情况给出了描述,符合有关的实验和实践,具有充足的证据。就此,爱因斯坦提出了光速不变第二假设:要求“光束相对追光者的光速值是C2=299792458米/秒”,这就是进行“物理内容没有变化、量值数字按需增减”的变换。所以,爱因斯坦假设的C2=299792458米/秒,貌似描述了“秒飞地球七周半”的大内容,实际上所描述的内容,仍然是“一秒没飞一臂长”的小情况。
在狭义相对论时空观中,所谓的动钟变慢、时间延缓、动尺变短和空间收缩等,实际上就是进行“物理内容没有变化、量值数字按需增减”的道具,是制造“量值数字按需增减”结果的换算关系。
当然,在实际的物理世界中,静止或运动的时钟变慢变快,静止或运动的量尺变短变长,都可以存在,对这样的物理现象,可以使用时钟显示时间值规律和量尺显示长度值规律来解释。
实际上,从量子力学角度看,因为选择和变换参照系,在相对运动方向上就发生相对性的动钟变慢、时间延缓、动尺变短和空间收缩等,因此,原子模型就在相对运动方向上,相对性地、不间断地“忽快忽慢”地运动,“忽长忽短”地变化,这是违反实验、违反逻辑的假设想象和理论图像。
1.4 创建交叉学科时空观,更上一层楼发现更多真相
——让甲系乙系使用统一的国际单位制,极其重要
在狭义相对论时空观中,在相对匀速直线运动的甲系乙系,两个参照系使用的时间单位“秒”和长度单位“米”,是统一的国际单位制的内容吗?
上述问题,是爱因斯坦一直没有明确回答的问题,也是后人没有给予必要研究的问题。可以说,如果甲系乙系具有统一的、国际单位制的“秒”“米”,那么就应该有:甲系国际单位制“1秒”,等于乙系国际单位制“1秒”;甲系国际单位制“1米”,等于乙系国际单位制“1米”。但是上述结果,跟狭义相对论时空观的动钟变慢和动尺变短效应是存在矛盾的。
无论如何,相对匀速直线运动的甲系乙系使用统一的国际单位制,是非常重要的,是必须做到的。可以说,仅当甲系乙系具有统一的国际单位制情况下,甲系乙系的同名物理量,才可以直接比较。关于重要性,可以举例说明。
在中国历史上,曾经使用过“十六两称”,后来改用“十两称”。“十六两称”的1斤,与“十两称”的1斤相等;“十六两称”的16两,与“十两称”的10两相等;“十六两称”的1两,跟“十两称”的1两不相等;“十六两称”的1两,与“十两称”的0.625两相等;“十两称”的1两,与“十六两称”的1.6两相等。
在上述情况下,设甲乙两个人分别使用“十六两称”和“十两称”,那么,甲乙各自所说的质量的量值,就具有如下多种具体关系。
1、当甲乙两个人分别使用“16两称”和“10两称”时,甲说的“16两”和乙说的“10两”,就是物理内容相等。对此,可以使用“物理内容相等的表达式”来表达,如下。
(甲使用“十六两称”所说的16两)=(乙使用“十两称”所说的10两)
在上面表达式中,两个括号里的物理内容具有相等关系,所以,可以在两个括号之间写上等号。在此情况中,两个量值“16两”和“10两”,它们的数字“16”和“10”不相等,两个数字“16”和“10”后面的单位“两”也不相等,但是“16两”和“10两”分别描述的物理内容,却具有相等关系,都是1斤物质。
2、当甲乙两个人分别使用“16两称”和“10两称”时,甲说的“10两”和乙说的“10两”,就是物理内容不相等。对此,可以使用“物理内容不相等的表达式”来表达,如下
(甲使用“十六两称”所说的10两)≠(乙使用“十两称”所说的10两)
在上面表达式中,两个括号里的物理内容不相等,所以,可以在两个括号之间写上不等号。在此情况下,两个量值“10两”,它们的数字“10”是相等的,但是数字“10”后面的两个单位“两”,虽然都叫“两”,但是却是“十六两称”的“两”不等于“十两称”的“两”,由此决定,两个“10两”的物理内容也不相等。
3、当甲乙两个人都使用“十六两称”时,甲说的“10两”和乙说的“10两”,就是物理内容相等。对此,可以使用“物理内容相等的表达式”来表达,如下
(甲使用“十六两称”所说的10两)=(乙使用“十六两称”所说的10两)
4、当甲乙两个人都使用“十两称”时,甲说的“10两”和乙说的“10两”,就是物理内容相等。对此,可以使用“物理内容相等的表达式”来表达,如下
(甲使用“十两称”所说的10两)=(乙使用“十两称”所说的10两)
类似上述情况,当甲系乙系都使用国际单位制时,就跟甲系乙系都使用“十两称”或都使用“十六两称”那样,在此情况下,关于甲系乙系的同名物理量的量值,就可以直接比较。
在甲系乙系,如果他们不使用统一的国际单位制,那就类似于甲系使用“十六两称”,乙系使用“十两称”。因为两系使用的单位不同,甲系乙系的很多物理量,就无法直接比较,需要通过必要的换算关系,才能进行比较。类似必须使用汇率,才能把人民币和美元进行比较。
应该指出,在实践中,在理论上,如果不加区分,不做说明,就把国际单位制和“私人单位制”混合使用,那么,由此就会产生矛盾和争论,甚至导致灾难。
据资料,1998年2月,美国宇航局(NASA)发射了一颗火星气象探测卫星,预定在1999年9月23日进入火星轨道。但在卫星飞抵火星时,研究人员发现,卫星并没有进入预定的火星轨道,而是直接闯入火星大气层后坠毁了。NASA调查发现,造成这次事故的原因是:参与实验的洛克希德•马丁空间系统公司为探测活动提供的重要数据中存在英制单位“磅力”,被探测卫星导航人员误当成了国际单位制的“牛顿”,没有进行单位换算,一直错误使用;这种英制单位和国际单位制混合使用的错误,一直未被发现,因此导致调整探测卫星航向过程中,一直存在违反设计要求的“错误推动力”,最终造成了卫星坠毁、实验失败和数亿美元损失。
上述混合使用国际单位制和“私人单位制”导致灾难的案例,具有重要的启示意义。对类似的情况,值得高度重视和认真研究。
——进行交叉学科研究,让甲系乙系获得同步时钟和同长量尺
基于现代科学技术,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。
如图4所示,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。
在同一参照系对不同时钟的时间值进行校对,获得同步时钟;对不同量尺的长度值进行校对,获得同长量尺;让不同地方的时间单位“秒”保持同步,让不同地方的长度单位“米”保持同长;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;在两个参照系获得同步且相等的时间单位“秒”,在两个参照系获得同长且相等的长度单位“米”;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。
——给甲系乙系建立统一的国际单位制“秒”“米”,必须做到
在计量学中,国际单位制的时间基本单位“1秒”,定义如下:铯133原子振动9192631770次所需的时间定义为1秒。国际单位制的长度基本单位“1米”,定义如下:光在真空中1/299792458秒内所经过路程的长度定义为1米。根据时间基本单位“秒”和长度基本单位“米”,可以导出速度单位“米/秒”。
一个时钟,如果它按着国际单位制的“秒”定义显示时间值,那它就是遵守国际单位制的时钟;如果一个时钟不按着国际单位制的“秒”定义显示时间值,那它就不是遵守国际单位制的时钟。一个量尺,如果它按着国际单位制的“米”定义显示长度值,那它就是遵守国际单位制的量尺;如果一个量尺不按着国际单位制的“米”定义显示长度值,那它就不是遵守国际单位制的量尺。
目前在地球上,人类使用的时间单位“秒”、长度单位“米”和时钟量尺,大多都是国际单位制的“秒”“米”和时钟量尺。但是,在一些理论研究中,有些所谓的“秒”“米”和时钟量尺,实际上是不遵守国际单位制的内容。
在相对匀速直线运动的甲系乙系,设甲系使用的国际单位制时间基本单位“1秒”,跟乙系使用的时间单位“1秒”,是等长的时间过程。
具体说,进行两次暂停,第一次暂停时,甲系的时间单位“1秒”,乙系的时间单位“1秒”,同时开始;经历国际单位制“1秒”时间值,第二次暂停时,甲系的时间单位“1秒”,乙系的时间单位“1秒”,同时结束。在此情况下,乙系的时间值单位“1秒”,跟甲系国际单位制的时间基本单位“1秒”,就是相等关系。这样,甲系乙系就具有遵守国际单位制、统一的时间值单位“1秒”。对此可以表示为
(甲系国际单位制的△t=1秒)=(乙系时间值的△T=1秒)……(1)
在甲系乙系具有遵守国际单位制、统一的时间值单位“1秒”的情况下,按照甲系时间值单位“1秒”显示时间值的甲系时钟,按照乙系时间值单位“1秒”显示时间值的乙系时钟,两个时钟各自显示的1秒,就具有相等关系,它们可以成为同步时钟。
具体说就是,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时间过程,跟乙时钟显示△T=1秒的起点和终点之间的时间过程相等。对于上述情况,可以表示为
(甲系时钟△t=1秒)=(乙系时钟△T=1秒)…………(2)
在上述情况下,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”也可以具有相等关系。
在现代科技的计量学中,在特定参照系,让相对静止的多个时钟成为同步时钟,或非常接近同步时钟,已经可以实现。所以,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。
在现代科技的计量学中,在相对匀速直线运动的甲系乙系,让甲系时钟和乙系时钟都按照国际单位制的“秒”来显示时间值,让甲系时钟和乙系时钟成为同步时钟,或非常接近同步时钟,也有很多具体方法。所以,在一定条件下,也可以认为甲系时钟和乙系时钟就是同步时钟。
对于相对静止或相对运动的两个同步时钟,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,会看到甲时钟和乙时钟是同步时钟。在有些位置和情况,会看到甲时钟乙时钟是非同步时钟。使用t时刻暂停图,可以很容易地理解这种情况。
在相对匀速直线运动的甲系乙系,设甲系使用的国际单位制长度基本单位“1米”,跟乙系使用的长度单位“1米”,是等长的空间距离。
具体说,在特定时钟的t时刻暂停图中,把甲系长度单位的“1米”,跟乙系长度单位的“1米”,平行放置,在此情况下,它们的起点对齐时,它们的终点也能对齐。这样,乙系的长度单位“1米”,跟甲系国际单位制的长度基本单位“1米”,就是相等关系。因此,甲系乙系就具有符合国际单位制、统一的长度单位“1米”。对此可以表示为
(甲系国际单位制的△s=1米)=(乙系长度值的△S=1米)……(3)
在甲系乙系就具有符合国际单位制、统一的长度单位“1米”的情况下,按照甲系长度单位“1米”显示长度值的甲系量尺,按照乙系长度单位“1米”显示长度的乙系量尺,两个量尺各自显示的1米,就具有相等关系,它们可以成为同长量尺。
具体说就是,把甲系量尺跟乙系量尺平行放置时,间隙量尺显示的△s=1米,乙量尺显示的△S=1米,它们的起点对齐时,它们的终点也对齐。也就是甲系量尺显示△s=1米的起点和终点之间的空间距离,跟乙系量尺显示△S=1米的起点和终点之间的空间距离相等。对于上述情况,可以表示为
(甲量尺△s=1米)=(乙量尺△S=1米)…………(4)
在上述情况下,使用甲系量尺测到的1米,使用乙系量尺测到的1米,这两个“1米”也可以具有相等关系。
在现代科技的计量学中,在特定参照系,让相对静止的多个量尺成为同长量尺,或非常接近同长量尺,已经可以实现。所以,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。
在现代科技的计量学中,在相对匀速直线运动的甲系乙系,让甲系量尺和乙系量尺都按照国际单位制的“米”来显示长度值,让甲系量尺和乙系量尺成为同长量尺,或非常接近同长量尺,也有很多具体方法。所以,在一定条件下,也可以认为甲系量尺和乙系量尺就是同长量尺。
对于相对静止或相对运动的两个同长量尺,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,会看到甲量尺和乙量尺是同长量尺。在有些位置和情况,会看到甲量尺和乙量尺是非同步量尺。使用t时刻暂停图,可以很容易地理解这种情况。
在相对匀速直线运动的甲系乙系具有统一的时间单位“1秒”,具有统一的长度单位“1米”,而且拥有同步时钟,拥有同长量尺的情况下,若甲系使用自己的时钟量尺测到一个光束的光速值为C1=299792458米/秒,乙系使用自己的时钟量尺测到的另一个光束的光速值为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。可表示为
(甲系光速值C1=299792458米/秒)=(乙系光速值C2=299792458米/秒)……(5)
在上面,C1和C2具有相同的数字“299792458”,而且相同数字后面的单位“米/秒”也相同,所以,C1=299792458米/秒和C2 =299792458米/秒各自描述的物理内容是相等关系。
——甲系乙系没有统一的时空单位的情况,也值得广泛研究
在相对匀速直线运动的甲系乙系,设乙系使用的时间单位“1秒”,跟甲系使用的国际单位制时间基本单位“1秒”不是等长的时间过程。
具体说,进行两次暂停,第一次暂停时,两个“1秒”同时开始,第二次暂停时,两个“1秒”不能同时结束。在此情况下,乙系的时间值单位“1秒”,跟甲系国际单位制的时间基本单位“1秒”就不是相等关系。此时,甲系乙系不具有符合国际单位制、统一的时间值单位“1秒”。对此可以表示为
(甲系国际单位制的△t=1秒)≠(乙系时间值的△T=1秒)……(6)
在甲系乙系不具有符合国际单位制、统一的时间值单位“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,按照乙系时间单位“1秒”显示时间值的乙系时钟,两个时钟各自显示的1秒,不具有相等关系,它们是非同步时钟。
具体说就是,甲系时钟显示的△t=1秒,乙系时钟显示的△T=1秒,不能做到同时开始、同时结束。也就是甲系时钟显示△t=1秒的起点和终点之间的时间过程,跟乙系时钟显示△T=1秒的起点和终点之间的时间过程不相等。对于上述情况,可表示为
(甲时钟△t=1秒)≠(乙时钟△T=1秒)…………(7)
在上述情况下,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”不具有相等关系。
在相对匀速直线运动的甲系乙系,设乙系使用的长度单位“1米”,跟甲系使用的国际单位制长度基本单位“1米”不是等长的空间距离。
具体说,在特定时钟t时刻暂停图中,把两个“1米”平行放置,两个“1米”的起点对齐时,终点却不能对齐。在此情况下,乙系的长度单位“1米”,跟甲系国际单位制的长度基本单位“1米”就不是相等关系。这样,甲系乙系就不具有符合国际单位制、统一的长度单位“1米”。对此可以表示为
(甲系国际单位制的△s=1米)≠(乙系长度值的△S=1米)……(8)
在甲系乙系不具有符合国际单位制、统一的长度单位“1米”的情况下,按照甲系长度单位“1米”显示长度值的甲系量尺,按照乙系长度单位“1米”显示长度的乙系量尺,两个量尺各自显示的1米,就不具有相等关系,它们是非同长量尺。
具体说就是,把甲系量尺跟乙系量尺平行放置,甲系量尺显示的△s=1米,乙系量尺显示的△S=1米,它们的起点对齐时、终点却不能对齐。也就是甲系量尺显示△s=1米的起点和终点之间的空间距离,跟乙系量尺显示△S=1米的起点和终点之间的空间距离不相等。对于上述情况,可表示为
(甲量尺△s=1米)≠(乙量尺△S=1米)…………(9)
在上述情况下,使用甲系量尺测到的1米,使用乙系量尺测到的1米,这两个“1米”也不具有相等关系。
在甲系乙系不具有统一的时间值单位“1秒”,不具有统一的长度值单位“1米”,而且甲系乙系没有同步时钟,没有同长量尺的情况下,若甲系使用自己的时钟量尺测到一个光束的光速值C1=299792458米/秒,乙系使用自己的时钟量尺测到同一光束的光速值C2=299792458米/秒,那么这两个光速值C1和C2,一般情况下,不具有相等的关系。可表示为
(甲系光速值C1=299792458米/秒)≠(乙系光速值C2=299792458米/秒)……(10)
因为虽然C1和C2具有相同的数字“299792458”,但是相同数字后面的单位“米/秒”却不相同,所以,C1=299792458米/秒和C2 =299792458米/秒各自描述的物理内容,也是不相同的。
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。
——甲系乙系观测者测到的速度值关系,由实验决定
在追光实验,乙系多个观测者也可以使用自己的时钟量尺进行测量实验,获得自己的测量结果。
针对乙系时钟T1=0秒暂停图,也就是甲系时钟t1=0秒暂停图,在理论研究上可以说,乙系观测者,包括追光者,他们可以使用自己的时钟量尺测量确定如下结果:在乙系时钟T1=0秒暂停图中,甲系原点观测者、追光者(乙系原点观测者)、点光源及其发出的光束,重合在甲系乙系原点处。此刻,相对追光者而言(这是测速起点),甲系原点处点光源发出的光束,沿地月连线,向月球飞去;甲系原点处观测者、点光源和地球等,沿地月连线,向X轴负方向,远离追光者飞走。
针对乙系时钟T时刻暂停图,也就是甲系时钟t2=1秒暂停图,在理论研究上可以说,乙系观测者,包括追光者,他们可以使用自己的时钟量尺测量确定如下结果:向月球飞行的光束,相对甲系原点的距离值和光速值分别是△S1、V1=△S1/△T(这种情况,甲系原点处是测速起点,光束所在处是测速终点);甲系原点相对追光者的距离值和速度值分别为△S2、V2=△S2/△T(这种情况,追光者所在处是测速起点,甲系原点所在处是测速终点);光束相对追光者的距离值和速度值分别为△S3、V3=△S3/△T(这种情况,追光者所在处是测速起点,光束所在处是测速终点)。△T是乙系时钟从T1=0秒增加到T秒的时间值,对应甲系时钟从t1=0秒增加到t2=1秒的过程。
在一般情况下,如果无法确定甲系乙系的“秒”“米”关系,无法确定甲系时钟和乙系时钟具有何种时间值关系,无法确定甲系量尺和乙系量尺具有何种长度值关系,那么在此情况下,乙系观测者使用自己的时钟量尺测定的:V1=△S1/△T,V2=△S2/△T,V3=△S3/△T,跟甲系观测者使用自己的时钟量尺测定的:v1=299792458米/秒,v2=299792457.5米/秒,v3=0.5米/秒,它们具有何种关系,就应该由具体的测量实验和结果来决定,实验结果是啥样,就是啥样。
在目前条件下,类似航空实践中进行风洞电脑模拟实验,对本文设计的追光实验,也可以进行电脑模拟实验,或者进行实际的实验研究。创新发展交叉学科时空观,发展完善爱因斯坦时空观,可以推动科技创新发展,更上一层楼走向大丰收。
2、研究六人六钟六尺测速实验,给爱因斯坦和牛顿填补认识空白
2.1使用时钟量尺测量时间值长度值
——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。
——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。
2.2使用时钟量尺测量速度值,约定光速值
——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。
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。
2.3坚持逻辑和实验方法,更上一层楼发现更多真相
——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,使用遵守国际单位制“秒”“米”的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。
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,基于假设出来的“秒”、“米”、时钟和量尺等,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。
2.4六人六钟六尺测速实验,是多种时空观的共同基础
——六人六钟六尺测速实验,是多种时空观的共同基础
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。
设在真空中惯性系条件下,如图5.1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5.1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5.2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5.1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5.2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5.2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5.2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5.1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5.2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5.1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5.2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,都是遵守国际单位制“秒”“米”的内容,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和交叉学科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。
2.5 u假设是伽利略变换的理论基础之一
——伽利略变换里的速度值u,成立有条件
在理论研究上说,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,落实到甲系乙系和时钟量尺上,结果为:甲系乙系具有遵守国际单位制、统一的“秒”“米”;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。
在上述情况下,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。
在甲系乙系具有遵守国际单位制、统一的的“秒”“米”;甲系时钟跟乙系时钟永远是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺永远是同长量尺的条件下,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。基于一个速度值u,伽利略变换创建者创建了伽利略变换,给出了牛顿绝对时空观的数学公式和定量描述。
在上述条件下,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…………(15)
t=T,x=X+uT,y=Y,z=Z…………(16)
简略地说,牛顿绝对时空观伽利略变换里的速度值u,它的实验基础是六人六钟六尺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,也就是u假设u=u1=u2。
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。
2.6 u假设和C假设是洛伦兹变换的理论基础之一
——洛伦兹变换里的u和C,成立有条件
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的两系互测等速假设,也就是u假设u=u1=u2。爱因斯坦把伽利略变换的速度值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等;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:那个继承而来的速度值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:甲系乙系具有遵守国际单位制、统一的的“秒”“米”;甲系时钟跟乙系时钟永远是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺永远是同长量尺。
爱因斯坦在创建狭义相对论时空观的时候,他还提出了光速不变假设,也就是两系测光等速假设或C假设C=C1=C2=299792458米/秒,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的实验基础是六人六钟六尺测速实验和两个光速值C1=△s/△t和C2=△S/△T;光速值C的理论基础是光速不变假设,也就是两系测光等速假设或C假设C=C1=C2=299792458米/秒。另一个速度值u的实验基础,依然是六人六钟六尺测速实验和两个速度值u1=△x/△t和u2=△X/△T,速度值u的理论基础仍然是两系互测等速假设,也就是u假设u=u1=u2。所以,洛伦兹变换的实验基础就是六人六钟六尺测速实验和四个光速值u1、u2、C1和C2;理论基础就是u假设和C假设。
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是甲系乙系独立地、分别地测得的速度值。
但是,在图5所示的情况中,把乙系测到的u2=△X/△T,使用洛伦兹变换变换到甲系,却不能得到u2=u1的结果,这跟爱因斯坦建立洛伦兹变换时要求的两系互测等速假设,也就是u假设u=u1=u2,存在矛盾。
在图5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。
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5.1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5.2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。
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彼此相容吗?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必须回答,但是却一直没有回答的问题。现在,可以基于交叉学科时空观来回答了。
在创建狭义相对论时空观的时候,爱因斯坦提出了光速不变假设。爱因斯坦给甲系提出光速不变第一假设C1=299792458米/秒的时候,使用的是国际单位制的“秒”“米”,假设符合实验;但是,爱因斯坦给乙系提出光速不变第二假设C2=299792458米/秒的时候,实际上是进行了“放大缩小数字游戏”,类似“编造数字放大业绩”,导致了“数字按需增减内容没有改变”效应,这样的光速不变第二假设,远离实验结果;所以,爱因斯坦给出的C假设C=C1=C2=299792458米/秒,也是“放大缩小数字游戏”。
爱因斯坦根据光速值C,以及继承而来的速度值u,假设推理出了洛伦兹变换假设、动钟变慢假设和动尺变短假设等。在狭义相对论时空观物理模型中,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。
实际上,动钟变慢假设和动尺变短假设公式,就是“放大缩小数字游戏”的工具,所谓的动钟变慢假设和动尺变短效应,就是“数字按需增减内容并未改变”效应。
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=C1=C2=299792458米/秒、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。
在上述条件下,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
——爱因斯坦洛伦兹变换的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永远是同步时钟,甲系量尺跟乙系量尺永远是同长量尺。
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。
所以,在爱因斯坦狭义相对论时空观理论模型中,u假设和C假设不能共同成立,洛伦兹变换里的速度值u和C不能共同成立。
关于相对匀速直线运动的甲系乙系观测者的研究活动,例如各自使用国际单位制的“秒”“米”和时钟量尺,测量对方的速度值,测量同一光的光速值,研究伽利略变换和洛伦兹变换的实验基础和理论基础等,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。对于应知必知的内容等,他们都缺乏必要了解。
坚持逻辑和实验方法,不仅是发展完善旧理论的方法,而且是创新发展科学技术的重要方法。交叉学科时空观坚持逻辑和实验并举,更上一层楼发现更多真相,一方面可以推动科学技术创新发展,另一方面可以对爱因斯坦相对论时空观和牛顿绝对时空观发展完善,具有重要意义,值得积极推进。
3、在爱因斯坦“雷击和火车”案例中,总计有八个物理事件
爱因斯坦在1916年写了一本《狭义与广义相对论浅说》,在该书里,爱因斯坦使用“火车和雷击”案例,解释了他的同时的相对性观点。原文大意如下:
如图6所示,假设有一列很长的火车,以恒速 v 沿着如图标明的方向在轨道上行驶。在这列火车上旅行的人们可以很方便地把火车当作刚性参考物体(坐标系);他们参照火车来观察一切事件。因而,在铁路线上发生的每一个事件也在火车上某一特定地点发生。而且完全和相对路基所作的同时性定义一样,我们也能相对火车作出同时性的定义。但是,作为一个自然的推论,下述问题就自然产生:
对于铁路路基来说同时的两个事件(例如A、B两处雷击),对于火车来说是否也是同时的呢?我们将直接证明,回答必然是否定的。
当我们说A、B两处雷击相对于路基而言是同时的,我们的意思是:在发生闪电的A处和B处所发出的光,在路基AB这段距离的中点m相遇。但是事件A和B也对应于火车上的A点和B点。令M为在行驶中的火车上AB这段距离的中点。正当雷电闪光发生的时候(从路基上判断),点M自然与点m重合,但是点M以火车的速度v向图中的右方移动。如果坐在火车上M处的一个观测者并不具有这个速度,那么他就总是停留在m点,雷电闪光A和B所发出的光就同时到达他这里,也就是说正好在他所在的地方相遇。可是实际上(相对于铁路路基来考虑)这个观测者正在朝着来自B的光线急速前进,同时他又在来自A的光线前方向前行进。因此这个观测者将先看见自B发出的光线,后看见自A发出的光线。所以,把列车当作参考物体的观测者就必然得出这样的结论,即雷电闪光B先于雷电闪光A发生。这样我们就得出以下的重要结果:对于路基是同时的若干事件,对于火车并不是同时的,反之亦然(同时的相对性)。每一个参考物体(坐标系)都有他本身的特殊的时间;除非我们讲出关于时间的陈述是相对于哪一个参考物体的,否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义。(以上内容为爱因斯坦《狭义与广义相对论浅说》原文)
在爱因斯坦所举的“火车和雷击”案例中,因为存在光信号延迟,所以,路基上的观测者和火车上的观测者,都应该明确区分“发出光信号事件”和“看到光信号事件”,并给出严格准确的描述。参见图7。
在路基上建立直角坐标系oxyz,设该坐标系原点o处有一个持时钟和量尺的观测者,这也就是路基上m处的观测者。该观测者所持时钟显示的时间值使用小写字母t来表示,该观测者使用量尺测到的坐标值使用小写字母x、y、z来表示。
在火车上建立直角坐标系OXYZ,设在该坐标系原点O处有一个持时钟和量尺的观测者,这也就是火车上M处的观测者。该观测者所持时钟显示的时间值使用大写字母T来表示,该观测者使用量尺测到的坐标值使用大写字母X、Y、Z来表示。
对于爱因斯坦所说的“火车和雷击”案例,路基观测者和火车观测者应该给出如下全面准确的描述:
根据爱因斯坦讨论“火车和雷击”案例的条件,设当“雷击路基A处”和“雷击路基B处”无先后发生的一瞬间,给宇宙按下暂停键(第1按),那么在暂停态立体宇宙图像中,路基观测者所持时钟显示着时间值t1,火车观测者所持时钟显示的时间值是T1。参见图7.1。这就是t1时刻暂停态立体宇宙图像,也就是T1时刻暂停态立体宇宙图像。
在上述暂停态立体宇宙图像中,“雷击路基A处”事件已经发生,“雷击路基A处”的光信号也已经产生,但是却尚未离开A处,就像枪打出的子弹还在枪口处;此刻,“雷击路基B处”事件也已经发生,“雷击路基B处”的光信号也已经产生,但是也尚未离开B处,就像枪打出的子弹还在枪口处。
对于“雷击路基A处”并发出光信号这个事件,路基上m处的观测者可以使用自己的时钟量尺进行测量和计算,获得时间值和坐标值(t1、x1、0、0),并进行描述,这是一个发出光信号事件;对于“雷击路基B处”并发出光信号这个事件,路基上m处的观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,获得时间值和坐标值(t1、x2、0、0),并给出描述,这是另一个发出光信号事件。对于路基系观测者,如上所述有两个发出光信号事件。参见图7.1。
对于“雷击路基A处”并发出光信号这个事件,火车上M处的观测者可以使用自己的时钟量尺进行测量和计算,获得时间值和坐标值(T1、X1、0、0),并给出描述,这是一个发出光信号事件;对于“雷击路基B处”并发出光信号这个事件,火车上M处的观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,获得时间值和坐标值(T1、X2、0、0),并进行描述,这是另一个发出光信号事件。对于火车系观测者,如上所述,有两个发出光信号事件。参见图7.1。
然后,暂停取消,运动继续。根据爱因斯坦讨论“火车和雷击”案例的条件,在“雷击路基B处”的光信号向火车后方传播,与火车观测者相遇被看见的一瞬间,给宇宙按下暂停键(第2按),那么在暂停态立体宇宙图像中,火车观测者所持时钟显示时间值T2=T1+△T1,参见图7.2。这就是T1+△T1时刻暂停态宇宙立体图像。
对于“雷击路基B处”发出的光信号被看到这个事件,火车上M处的观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,得到时间值和坐标值(T1+△T1、0、0、0),并给出描述。对于火车系观测者,这是一个看到光信号事件。参见图7.2。
暂停取消,运动继续。根据爱因斯坦讨论“火车和雷击”案例的条件,在“雷击路基A处”的光信号,“雷击路基B处”的光信号,无先后到达路基观测者的一瞬间,给宇宙按下暂停键(第3按),那么在暂停态立体宇宙图像中,路基观测者所持时钟显示的时间值是t2= t1+△t。参见图7.3。这就是t1+△t时刻暂停态宇宙立体图像。
对于“雷击路基A处”发出的光信号被看到这个事件,路基上m处观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,得到时间值和坐标值(t1+△t、0、0、0),并给出描述,这是一个看到光信号事件;对于“雷击路基B处”发出的光信号被看到这个事件,路基上m处观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,得到时间值和坐标值(t1+△t、0、0、0),并进行描述,这是另一个看到光信号事件。对于路基系观测者,有两个看到光信号事件。参见图7.3。
暂停取消,运动继续。根据爱因斯坦讨论“火车和雷击”案例的条件,在“雷击路基A处”的光信号向火车前方传播,追上火车观测者的一瞬间,给宇宙按下暂停键(第4按),那么在暂停的宇宙立体图像中,火车观测者所持时钟显示的时间值是T3= T1+△T1+△T2。参见图7.4。这就是T1+△T1+△T2时刻暂停态宇宙立体图像。
对于“雷击路基A处”发出的光信号被看到这个事件,火车上M处的观测者可以使用自己的时钟量尺测量和计算,得到时间值和坐标值(T1+△T1+△T2、0、0、0),并给出描述。对于火车系观测者,这是一个看到光信号事件。参见图7.4。
基于上述情况可以说,在“火车和雷击”案例,路基观测者根据自己的测量结果可以说:
首先,“雷击路基A处”并发出光信号,“雷击路基B处”并发出光信号,这两个发出光信号事件,无先后、同时发生于t1时间值,这是t1时刻暂停态立体宇宙图像中的内容。
其次,“雷击路基A处”的光信号到达路基观测者,“雷击路基B处”的光信号到达路基观测者,这两个看到光信号事件,无先后、同时发生于t2= t1+△t时间值,这是t1+△t时刻暂停态立体宇宙图像中的内容。
对于路基观测者来说,有两个同时的“发出光信号”事件,有两个同时的“看到光信号”事件,共计有四个物理事件。
在上述情况下,火车观测者根据自己的测量结果可以说:
首先,“雷击路基A处”并发出光信号,“雷击路基B处”并发出光信号,这两个发出光信号事件,无先后、同时发生于T1时间值,这是T1时刻暂停态立体宇宙图像中的内容。
其次,“雷击路基B处”的光信号到达火车观测者,这个看到光信号事件,发生T2= T1+△T1时刻,这是T1+△T1时刻暂停态立体宇宙图像中的内容。
第三,“雷击路基A处”的光信号到达火车观测者,这个看到光信号事件,发生在T3= T1+△T1+△T2时刻值,这是T1+△T1+△T2时刻值暂停态立体宇宙图像中的内容。
对于火车观测者来说,有两个同时的“发出光信号”事件,有两个不同时的“看到光信号”事件,共计有四个物理事件。
通过上述讨论,针对“雷击和火车”案例可以说:爱因斯坦所说的同时的相对性,与光信号延迟存在密切关系;但是,爱因斯坦没说清光信号延迟;没说清物理现象包括起点事件、中间过程、终点事件;没说清发出光信号事件是一回事,看到光信号事件是另一回事;没说清火车观测者面对两个同时的发出光信号事件,以及两个不同时的看到光信号事件,总计面对四个事件;没说清路基观测者也是面对两个同时的发出光信号事件,以及两个同时的看到光信号事件,总计面对四个事件;没说清两个观测者总计面对八个事件;混淆了发出光信号事件,以及看到光信号事件;使用看到光信号的先后,代表发出光信号的先后,当成了物理事件发生的先后。这就是爱因斯坦狭义相对论同时的相对性被争论100多年的主要原因之一。
实际上,在狭义相对论中,爱因斯坦给出了两种同时的相对性假设:一是在上述“雷击和火车”事例中所说的同时的相对性;二是爱因斯坦根据洛仑兹变换推理出的数学公式形式的同时的相对性。这两种同时的相对性,都是假设,物理意义却大不相同,并非一回事。立足现代科技,审查昨日旧说,积极拨乱反正,加速科技创新。
4、综合结论
在相对匀速直线运动的甲系乙系,两个参照系使用统一的国际单位制,非常重要,必须做到。在甲系乙系,如果不使用统一的国际单位制,甲系乙系的很多物理量,就无法直接比较。就需要经过一种换算关系,才能进行比较。类似必须使用汇率,才能把人民币和美元进行比较。
根据交叉学科时空观,在一定条件下,可以给甲系乙系建立统一的国际单位制。相对匀速直线运动的甲系乙系可以具有统一的时间单位“1秒”,可以具有统一的长度单位“1米”,可以拥有同步时钟,可以拥有同长量尺。
在追光实验中,地球甲系使用遵守国际单位制“秒”“米”的时钟量尺,测得“光束相对追光者的速度值是v3=0.5米/秒”,对“一秒没飞一臂长”的小情况给出了描述,符合有关的实验和实践,具有充足的证据。就此,爱因斯坦提出了光速不变第二假设:要求“光束相对追光者的光速值是C2=299792458米/秒”,这就是进行“物理内容没有变化、量值数字按需增减”的变换。所以,爱因斯坦假设的C2=299792458米/秒,貌似描述了“秒飞地球七周半”的大内容,实际上所描述的内容,仍然是“一秒没飞一臂长”的小情况。
在狭义相对论时空观中,所谓的动钟变慢、时间延缓、动尺变短和空间收缩等,实际上就是进行“物理内容没有变化、量值数字按需增减”变换的道具,是制造“量值数字按需增减”结果的换算关系。当然,在实际的物理世界中,静止或运动的时钟变慢变快,静止或运动的量尺变短变长,都可以存在,对这样的物理现象,可以使用时钟显示时间值规律和量尺显示长度值规律来解释。
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。
通过六人六钟六尺测速实验,可以测得四个速度值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和交叉学科时空观共同的实验基础。
在相对论时空观,爱因斯坦给甲系提出光速不变第一假设C1=299792458米/秒时,使用的是国际单位制的“秒”“米”,假设符合实验;爱因斯坦给乙系提出光速不变第二假设C2=299792458米/秒,则是进行“放大缩小数字游戏”,制造“数字按需增减内容没有改变”效应;光速不变第二假设,存在违反逻辑、违反实验的内容。
关于相对匀速直线运动的甲系乙系观测者的研究活动,例如各自使用国际单位制的“秒”“米”和时钟量尺,测量对方的速度值,测量同一光的光速值,研究伽利略变换和洛伦兹变换的实验基础和理论基础等,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。对于应知必知的内容等,他们都缺乏必要了解。就此,交叉学科时空观发现更多真相,给爱因斯坦相对论时空观和牛顿绝对时空观填补了认识空白。
在今天,在大学和中学物理课本中,针对爱因斯坦时空观和牛顿时空观的认识空白,应该积极地发展完善,积极地发展交叉学科时空观,增加有关内容,升级完善教科书。这可以以推动科学认识进步,推动技术产品发展。应该高度重视,应该立刻行动。
5、参考文献
[1]黄福芸等.计量知识手册[M].北京:中国林业出版社,1987
[2]齐新.智胜爱因斯坦——方法与实践[M].呼和浩特:内蒙古教育出版社,2006
[3]齐新.交叉学科时空观指出更多真相,推动爱因斯坦和牛顿的时空观发展完善[EB/OL].(2023-04-28)[2024-02-20].https://coaa.istic.ac.cn/preprint/3608099.
6、作者致谢
在本文撰写过程中,曾得到全国政协原副主席、国家科委原主任宋健院士的大力支持和指导,曾得到清华大学天文系原系主任和教授、中国科学院高能物理研究所研究员李惕碚院士的大力支持和指导,得到研发团队成员一如既往地鼎力支持,得到众多好友和有关人士的热情支持和推动,在此表示衷心感谢。
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。