创建交叉学科时空观,发展完善爱因斯坦的时空观

文摘   社会   2024-09-08 16:38   内蒙古  

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,把现代科技的物理学、计量学、宇航学、天文学、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比较研究,就可以解决矛盾和争论。

1、爱因斯坦的时空观,头脑假设猜想被当成观察实验实践

科学认识方法,主要有如下内容和过程:确定认识对象,进行眼睛观察,进行仪器实验,进行科学实践,产生头脑反映,给出语言描述,进行逻辑推理,进行数学描述,提出假设猜想,建立理论模型,实验逻辑检验,应用提高完善。

基于科学认识方法,研究爱因斯坦的时空观,就可以发现:在狭义相对论时空观中,在真空中惯性系理想条件下,针对相对匀速直线运动的甲系乙系,爱因斯坦主要谈论了两大内容:

一是在甲系,爱因斯坦谈论了甲系的独立时空认识,也就是甲系观测者独立地进行眼睛观察、仪器实验和科学实践,使用自己的时钟量尺测量时间、长度、空间和速度等,独立地获得的时间空间认识。爱因斯坦把这部分内容称之为甲系观测者的独立观测结果。

在这部分内容中,爱因斯坦介绍了关于时间空间的公共认识。举例说,中国航天科技工作者进行眼睛观察、仪器实验和科学实践,获得的时间空间认识,就是一种公共认识,这是中国航天取得辉煌成就的科学认识基础。爱因斯坦把人们的时间空间公共认识称之为甲系观测者的独立观测结果,这样的内容,必然可以得到现代科技的观察、实验和实践的支持。

二是在乙系,爱因斯坦谈论了乙系的独立时空认识,就像甲系的独立时空认识那样。爱因斯坦把这样的内容称之为乙系观测者的独立观测结果。但是,在实际上,关于乙系观测者独立地进行观察、实验和实践,使用自己的时钟量尺测量时间、长度、空间和速度等,独立地获得时间空间认识,爱因斯坦介绍的具体内容寥寥无几。例如关于乙系观测者使用自己的时钟量尺测量时间、长度、空间和速度,具体到所用时钟量尺、实验测量方案、测量过程、测量结果、误差分析和实验报告等,爱因斯坦给出的具体讨论,偶尔有之,也是蜻蜓点水、浅尝辄止。因为爱因斯坦确实研究不多、所知不多。这是爱因斯坦的认识能力存在历史局限性,所决定的必然结果。所以,爱因斯坦所谓的乙系的独立时空认识,有名无实。

与此同时,在乙系,爱因斯坦根据甲系的观察、实验和实践内容,给乙系观测者提出了一系列的头脑假设猜想。具体说,根据甲系的观察、实验和实践内容,所获得的时空认识,爱因斯坦使用狭义相对论时空观的一系列数学公式和假设推理方法,包括两系互测等速假设(狭义相对性原理)、两系测光等速假设(光速不变假设)、洛伦兹变换、动钟变慢、动尺变短、同时的相对性和速度值变换关系等,给乙系转化变换出了一系列内容。这些内容,就是爱因斯坦在头脑里对乙系情况进行假设猜想和虚拟想象,所产生的时空图像和物理模型。对于这样的头脑假设猜想、虚拟想象、时空图像和物理模型,爱因斯坦把它们称之为乙系观测者的独立观测结果,解释成了使用时钟量尺测量时间、长度、空间和速度等的观测结果。

应该强调,这个产生于爱因斯坦头脑里的所谓乙系观测者的独立观测结果,对甲系的观察、实验和实践内容具有高度依赖性,必须根据甲系使用时钟量尺测量时间、长度、空间和速度等的观测结果,使用狭义相对论时空观的数学公式,通过转化变换来获得。如果没有甲系的内容为依据,爱因斯坦就无法使用狭义相对论的数学公式,在头脑里给乙系转化变换出假设猜想等内容。

应该指出,在乙系,爱因斯坦根据甲系的观察、实验和实践内容,使用狭义相对论时空观的数学公式进行转化变换,给乙系制造头脑假设猜想、虚拟想象、时空图像和物理模型的时候,混合使用了“原封不动继承”和“按需放大缩小”两种方法。例如根据甲系测得“乙系相对甲系的速度值是u1”,爱因斯坦假设乙系测到的“甲系相对乙系的速度值为u=u1=u2”,这就是“原封不动继承”。根据甲系观测者使用时钟测得一段时间值△t,爱因斯坦使用动钟变慢公式在乙系变换出对应的时间值△T,这就是“按需放大缩小”。

可以说,在乙系,如果真的有观测者独立地进行观察、实验和实践,使用自己的时钟量尺测量时间、长度、空间和速度等,独立地获得了时间空间认识,那么这样的乙系的独立时空认识,它跟爱因斯坦给乙系提出的头脑假设猜想和时空图像,必然是有关系,因为二者都旨在揭示乙系的时空真相。不过,因为二者各有来历,所以它们肯定不是一回事,应该区别对待,不能混为一谈。但是很可惜,在乙系,爱因斯坦并没有给出过名副其实的乙系独立的时空认识、乙系观测者独立的观测结果。

可以说,在乙系,挂着乙系独立的时间空间认识招牌的内容,挂着乙系观测者的独立观测结果标签的说法,都是来自爱因斯坦头脑里,都是根据甲系的观察、实验和实践内容,使用狭义相对论时空观的数学公式进行转化变换,给乙系制造的头脑假设猜想、虚拟想象、时空图像和物理模型。

形象地比喻,爱因斯坦把他头脑里假设猜想的时空图像、虚构想象的物理模型,跟乙系独立的时空认识、观测者的独立观测结果,混为一谈的情况,就类似于你的一个同事,把他头脑里“假设猜想的你”,跟“实际存在的你”,混为一谈。他头脑里“假设猜想的你”,可以把你没有的坏事虚构出来,当成确有其事;对你真有的好事却是因为不知道,就一直当没有。

在狭义相对论时空观里,爱因斯坦一直坚持他头脑里假设猜想的时空图像、虚构想象的物理模型,就是真的,确有其事,还挂上了乙系独立时空认识的招牌,挂上了乙系观测者独立观测结果的标签。这样做,实际上就是张冠李戴,有滥竽充数嫌疑。在爱因斯坦之后,类似的追随模仿者甚多,他们都是把自己头脑里假设猜想的理论图像、物理模型,自以为是地当成真的,自己昏昏地认为确有其事,广泛地传播,误导许多人。

按照科学认识方法,对于爱因斯坦头脑里假设猜想的时空图像、虚构想象的物理模型,应该使用观察、实验、实践和逻辑等方法,判定它们的真伪优劣。这样,就可以确定爱因斯坦头脑里假设猜想的时空图像、虚构想象的物理模型,跟乙系观测者独立地进行观察、实验和实践,独立地获得的时空认识,它们到底是啥关系。而且,还应该从心理学等视角,对爱因斯坦头脑里的假设猜想的时空图像、虚拟想象的物理模型,进行交叉学科研究。研究人脑里产生假设猜想的时空图像和虚拟想象的物理模型的思维活动,脑内图像与观察、实验和实践的对应关系,脑内图像对脑外实际情况的写真程度,它们对科技实验和实践的指导价值等。

本文介绍的追光实验,就简略地介绍了上述交叉学科研究的一部分内容。通过本文介绍的内容,大家就可以看清围绕爱因斯坦的时空观产生100多年矛盾和争论的原因。这样,就可以更上一层楼,解决矛盾和争论了。

2、追光实验,展示甲系观测者的观察和实验结果

把地球月球简化成质点,可连成直线,可简称地月连线。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钟时间值t=T=0时,两系原点重合在地球上;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。

2.1 使用质点和暂停图方法,研究和解决物理问题

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,就可以认为甲系原点处观测者、乙系原点处观测者和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“共同的出发点”,也就是重合在地球上的甲系乙系原点,就像百米赛跑运动员处在共同的起跑线。

不过,对于质点方法,也不能无条件滥用。例如对于甲系乙系的时钟,在研究它们的相对运动时,可以把它们简化为质点。但是在研究它们的时间值关系时,就不能把它们简化为质点了。而是应该把甲系时钟和乙系时钟都看成开放的物质系统,使用系统学方法,来研究它们的内部结构和运动,所受外界作用的差别,对它们显示的时间值所产生的具体影响等。

——t时刻暂停图方法

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。为了看清光信号延迟效应,避免把“看到的同时”和“实际的同时”混为一谈,可以使用暂停法和暂停图,来研究和解决问题。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。

在理论图像中、物理模型中可以说,在t时刻暂停图中,在静止不动、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,明确区分“实际的同时”和“看到的同时”,避免混为一谈。

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。

在甲观测者所持时钟显示t秒时,给宇宙“按下暂停键”,可以获得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时刻的宇宙变化过程,构成了△t时间过程图。使用△t时间过程图,就可以对同步时钟和同长量尺给出描述。

设在甲时钟△t时间过程图中,甲时钟显示的时间值是△t;另有一个相对甲时钟静止或运动的乙时钟,在△t时间过程图中显示的时间值是△T;在上述情况下:如果甲时钟乙时钟的时间值关系为△t=△T,则甲时钟跟乙时钟就是同步时钟;如果是△t≠△T,甲时钟跟乙时钟就是非同步时钟。

设在甲时钟△t时间过程图开始时,平行放置的甲量尺和乙量尺,它们的起点刻度正好对齐,终点刻度也恰好对齐;在甲时钟△t时间过程图结束时,一直平行放置的甲量尺和乙量尺,它们的起点刻度仍然对齐,终点刻度也仍然对齐;在此情况下,甲量尺跟乙量尺就是同长量尺。否则,甲量尺跟乙量尺就是非同长量尺。

应该强调,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时刻暂停图和△t时间过程图,建立科学模型,跟使用质点方法,建立科学模型大同小异,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,惯性系就是不受任何外力作用的参照系。

质点、惯性系、t时刻暂停图和△t时间过程图等,虽然在实际情况中可能无法存在,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,都是理论图像、科学模型,指出了“在理论研究中是那样子”。而眼睛观察和仪器实验发现的,大多是“在理论研究中是那样子”的近似情况。

2.2 甲系观测者使用时钟量尺测量距离值和速度值

在图2所示追光实验中,设甲系的多个观测者,使用自己的时钟量尺,测量获得了如下结果。

一、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。

根据甲系时钟t1=0秒暂停图,甲系观测者可以观测到: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。

二、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。

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。

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。

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。

3 在追光实验中,爱因斯坦给乙系假设猜想出时空图像

3.1针对追光实验等情况,爱因斯坦提出u假设C假设

爱因斯坦在真空中惯性系理想条件下,建立狭义相对论时空观的基本逻辑,如下所述:

首先,提出两系互测等速假设:在牛顿绝对时空观中,在相对匀速直线运动的甲系乙系,甲系观测者可以使用自己的时钟量尺测得乙系相对甲系的速度值是u1=△x/△t;乙系观测者可以使用自己的时钟量尺测得甲系相对乙系的速度值为u2=△X/△T;伽利略变换创建者假设u1和u2的量值永远相等为u=u1=u2;对于该假设,可简称为u假设。根据这个速度值u,伽利略变换创建者写出了伽利略变换。爱因斯坦创建狭义相对论时空观的时候,原封不动地继承了这个u,直接写进了洛伦兹变换里。这也就是继承了牛顿时空观的两系互测等速假设,也就是继承了u假设u=u1=u2。在这里,“原封不动继承”方法,首次登场。

其次,提出两系测光等速假设:爱因斯坦假设,在相对匀速直线运动的甲系乙系,甲系观测者可以使用自己的时钟量尺测量获得一个光束相对甲系的光速值是C1=△s/△t =299792458米/秒;乙系观测者可以使用自己的时钟量尺测量获得同一光束相对乙系的光速值为C2=△S/△T;爱因斯坦假设C1和C2永远相等为C=C1=C2=299792458米/秒,这也就是光速不变假设。对于该假设,可简称为C假设。这个C,就是爱因斯坦相对论时空观洛伦兹变换里的速度值C。

然后,根据u假设u=u1=u2和C假设C=C1=C2=299792458米/秒,爱因斯坦假设推理出洛伦兹变换、动钟变慢、动尺变短、同时的相对性和速度值变换关系等,建立了狭义相对论时空观。然后,使用狭义相对论时空观改造经典力学和电磁学等,建立狭义相对论。

把爱因斯坦的狭义相对论时空观落实到追光实验等情况,爱因斯坦会提出如下速度值假设:

一、在追光实验中,根据两系互测等速假设,爱因斯坦会假设:因为甲系测得乙系相对甲系的速度值是u1=v2=△s2/△t=299792457.5米/秒,所以,乙系测到的甲系相对乙系的速度值,就是u=u1=u2=△S/△T=299792457.5米/秒。

二、在追光实验中,根据两系测光等速假设,爱因斯坦会假设:因为甲系测得光束相对甲系的光速值为v1=299792458米/秒,所以,甲系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;乙系使用自己的时钟量尺测定的同一光束相对乙系的光速值永远是C2=299792458米/秒,对此可简称为光速不变第二假设;这个光速不变第二假设,就是假设“乙系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”。

在追光实验中,关于两系互测等速假设,可以说,甲系使用自己的时钟量尺进行测量活动,测得u1=v2=△s2/△t =299792457.5米/秒,这就是观察和实验结果。爱因斯坦给乙系假设u2=△S/△T=v2=△s2/△t =299792457.5米/秒,这就是原封不动地继承u1=v2=△s2/△t =299792457.5米/秒,这样做,首先可以得到甲系观察和实验的支持,其次也可以符合乙系独立的观察和实验结果。可以说,在这里,“原封不动继承”的方法,得到了成功应用。

因为两个速度值u1和u2,都拥有巨大数字299792458,都使用国际单位制的“秒”“米”做单位,所以,u1=299792457.5米/秒和u2=299792457.5米/秒,描述的都是“秒飞地球七周半”的大内容。速度值u1和u2的量值,与它们描述的内容,名副其实。

在追光实验中,关于光速不变第一假设,可以说:甲系多个观测者使用自己的时钟量尺测得光速值为v1=299792458米/秒,就是观察、实验和实践事实。爱因斯坦给甲系提出光速不变第一假设C1=299792458米/秒,这也是原封不动地继承v1=299792458米/秒,这必然会得到甲系观察、实验和实践的支持。在甲系,C1=299792458米/秒跟v1=299792458米/秒,彼此完全相符。可以说,在这里,“原封不动继承”的方法,再次得到成功应用。

因为两个速度值v1和C1,都拥有巨大数字299792458,都使用国际单位制的“秒”“米”做单位,所以,v1和C1描述的都是“秒飞地球七周半”的大内容。速度值v1和C1的量值,与它们描述的内容,名副其实。

3.2爱因斯坦提出光速不变第二假设,违反实验规则和科学逻辑

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光速不变第二假设:“乙系测得光束相对追光者的光值是C2=299792458米/秒”,这个C2=299792458米/秒,貌似描述“秒飞地球七周半”的大内容;但是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=0.5米/秒”,描述“一秒没飞一臂长”的小情况,差别巨大。

在追光实验中,针对甲系时钟t=1秒暂停图,甲系观测者使用自己的时钟量尺,在地月连线上测得如下距离值:地球月球距离值380000000米;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,甲系观测者使用自己的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。爱因斯坦相对论时空观也认可甲系测得的上述一系列内容。

在追光实验中,在爱因斯坦狭义相对论时空观中,对于甲系测定的上述几个距离值,使用洛伦兹变换、动尺变短和动钟变慢公式等,把它们变换到乙系,几个距离值的大小会改变,但是几个距离值的量值大小对比关系,例如△s2》△s3的长度值大小对比关系,却不会改变。

因为使用洛伦兹变换、动尺变短和动钟变慢公式等,把甲系的△s2和△s3分别变换到乙系,所用的变换公式只改变△s2和△s3的量值大小,却不会改变△s2和△s3的量值大小对比关系。所以,把甲系的△s2和△s3变换到乙系,对应地在乙系产生△S2和△S3之后,在甲系具有的△s2》△s3量值大小对比关系,在乙系依然存在,依然具有△S2》△S3的量值大小对比关系。

但是,在乙系面对一大一小两段距离值△S2和△S3,及其量值大小对比关系△S2》△S3,爱因斯坦根据“两系互测等速假设”和“两系测光等速假设”,却分别假设出了如下速度值:

首先,对应乙系的大距离△S2,根据“两系互测等速假设”,以及甲系测得乙系相对甲系的速度值为u1=v1=299792457.5米/秒,爱因斯坦假设:“乙系测到的甲系相对乙系速度值是u2=u1=299792457.5米/秒”。这是使用“原封不动继承”方法,把甲系测到的u1=299792457.5米/秒,直接转化到了乙系。这是对应乙系的大距离△S2,假设出了同样够大的速度值u2=299792457.5米/秒。

其次,对应小距离△S3,根据“两系测光等速假设”,也就是光速不变假设,爱因斯坦根据他头脑里假设猜想的时空图像,他假设:“乙系测到的光束相对追光者的光速值是C2=299792458米/秒”。这是使用“按需放大缩小”方法,对甲系测到的v3=0.5米/秒,使用动钟变慢和动尺变短公式进行变换放大,在乙系变换放大成了C2=299792458米/秒。这是对应乙系的小距离△S2,假设出了更大速度值C2=299792458米/秒。

这样,通过混合使用“原封不动继承”和“按需放大缩小”两种方法,爱因斯坦就在乙系对应△S2》△S3一大一小两段距离值,给大距离△S2假设了足够大速度值u2=299792457.5米/秒,给小距离△S3假设了更大速度值C2=299792458米/秒。也就是针对△S2》△S3的长度值大小对比关系,爱因斯坦假设的速度值u2和C2的量值大小对比关系,反倒是u2<C2。这是不分大小,颠倒使用的荒诞结果;这是违反观察、实验、实践和逻辑规则的严重矛盾,是严重的困难和危机。

实际上,针对追光实验等情况,在爱因斯坦狭义相对论时空观中,在甲系具备(u1=v2)>C/2、△s2>△s1/2和△s2>△s3条件后,对应△s2>△s3一大一小两个距离值假设速度值,对应大距离△s2假设大速度值,对应小距离△s3假设更大速度值的严重矛盾,就会立刻产生,一直存在。

在以往,对于混合使用“原封不动继承”和“按需放大缩小”两种方法,会制造出不分大小,颠倒使用的荒诞结果,爱因斯坦和后人一直缺乏明确的认识。现在,通过追光实验,大家可以看清真相了。

3.3假设出“足够慢”的时钟和“足够短”的量尺,维护假设

在追光实验中,在理论研究上说,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,或者按照需要缩小长度值,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。

3.4光速不变假设要求和相对论逻辑,违反公认的逻辑

实际上,在追光实验等情况中,把爱因斯坦的两系互测等速假设和两系测光等速假设落实到乙系,就会发生“给△S2》△S3一大一小两个距离值假设速度值,给大距离△S2假设了大速度值u2=299792457.5米/秒,给小距离△S3假设了更大速度值C2=299792458米/秒”,这种荒诞结果、严重矛盾,充分体现了爱因斯坦的光速不变假设要求和相对论逻辑,以及“按需放大缩小”方法的本质。

首先,爱因斯坦假定,在甲系乙系,在任何情况中,光速值都必须是常数C=299792458米/秒,在甲系必须永远是C1=△s /△t= 299792458米/秒,在乙系必须永远是C2=△S /△T= 299792458米/秒,因此永远有C=C1=C2= 299792458米/秒。这就是光速不变假设的要求。

其次,爱因斯坦假定,为保证甲系乙系的光速值永远是C=C1=C2= 299792458米/秒,当甲系测定一束光的光速值是C1=△s /△t= 299792458米/秒时,在乙系测量同一束光,可以先假定必须是C2=△S /△T= 299792458米/秒;然后,可以使用动钟变慢和动尺变短公式等,按照需要减小时间值△T的数字,按照需要增大距离值△S的数字,以此来保证C2=△S /△T= 299792458米/秒必须成立。这就是相对论的逻辑。

所以,在追光实验等情况中,即使面对甲系测得“光束相对追光者的距离值为△s3=0.5米,光束相对追光者的速度值是v3=0.5米/秒”,它们描述了“一秒没飞一臂长”的小情况;爱因斯坦依然会根据光速不变假设的要求,在乙系提出光速不变第二假设“光束相对追光者的光速值C2=△S /△T= 299792458米/秒。”然后按照相对论逻辑,使用动钟变慢和动尺变短公式等,按需减小时间值△T的数字,同时,按需增大距离值△S的数字,以此来保证C2=△S /△T= 299792458米/秒必须成立。

可以说,爱因斯坦制造出“给△S2》△S3一大一小两段距离值假设速度值,给大距离值△S2假设了大速度值u2=299792457.5米/秒,给小距离值△S3假设了更大速度值C2=299792458米/秒”,产生这种荒诞结果、严重矛盾,这就是爱因斯坦坚持光速不变假设要求和相对论逻辑,坚持“按需放大缩小”方法,所导致的必然结果。

可以说,从根源上讲,就是因为爱因斯坦创建狭义相对论时空观的时候,他提出“两系互测等速假设”和“两系测光等速假设”的时候,一方面,爱因斯坦对时空问题缺乏广泛深入的研究,缺乏必要的观察、实验、实践和逻辑基础,另一方面,爱因斯坦过度依赖头脑里的假设猜想和虚拟想象,而且自以为是地认为它头脑里的假设猜想和虚拟想象,都是真的,都是确有其事。

举例为证,在追光实验中,可以参照爱因斯坦曾经谈论过的“与光同行理想实验”及其思路,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,也就是两系互测等速假设,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就都是C=299792458米/秒,因此,甲系乙系的相对运动速度值就是u=0了。但是,u=0这种结果,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。

上述矛盾和困难,就是反映了爱因斯坦创建狭义相对论时空观的时候,他提出“两系互测等速假设”和“两系测光等速假设”的时候,爱因斯坦对时空问题缺乏广泛深入的研究,缺乏必要的观察、实验、实践和逻辑基础。

3.5使用动钟变慢动尺变短进行辩解,存在逻辑困难

在以往,针对光速不变假设和洛伦兹变换等相对论说法遭遇严重困难,爱因斯坦等人一直使用动钟变慢假设和动尺变短假设进行辩解。然而,在这样的辩解中,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。

爱因斯坦和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。

在狭义相对论时空观中,针对追光实验等情况,面对“给△S2》△S3一大一小两个距离值假设速度值,给大距离△S2假设了大速度值u2=299792457.5米/秒,给小距离△S3假设了更大速度值C2=299792458米/秒”,面对这种荒诞结果,严重矛盾,爱因斯坦等人可能也会辩解说:甲系使用自己的时钟量尺测得“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,因为乙系相对甲系高速运动,在乙系发生了巨大的动钟变慢和动尺变短效应,所以,乙系使用自己的时钟量尺测得“光束相对追光者的速度值是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。那么试问:

如果乙系的时钟量尺统一地、一视同仁地发生了动钟变慢和动尺变短效应,那么,使用发生了动钟变慢和动尺变短效应的乙系时钟量尺,对应于甲系测到的△s2、△s3和△s2》△s3,乙系观测者测到的△S2、△S3的量值大小可以跟甲系的△s2、△s3不一样,但是应该依然有△S2》△S3的大小对比关系吧?乙系△S2》△S3的大小对比关系,跟甲系的△s2》△s3大小对比关系,二者应该保持一致吧?

如果在甲系存在的△s2》△s3量值大小对比关系,在乙系对应的距离值△S2和△S3上依然存在,在乙系依然有△S2》△S3量值大小对比关系,那么在此情况下,爱因斯坦分别假设出u2=299792457.5米/秒和C2=299792458米/秒,对应△S2》△S3,反倒是u2<C2,这就是不分大小、颠倒使用的荒诞结果吧?

类似的矛盾和困难,相当众多。而且,在狭义相对论时空观中,动钟变慢和动尺变短效应是相对性结论。所以,爱因斯坦可以说:因为追光者乙系相对地球甲系高速运动,所以在追光者乙系发生了巨大的动钟变慢和动尺变短效应,这让甲系“一秒没飞一臂长”的小速度值v3=0.5米/秒,在乙系变成了“秒飞地球七周半”大速度值C2=299792458米/秒;但是,基于动钟变慢和动尺变短效应是相对性结论,爱因斯坦还必须说:因为地球甲系相对追光者乙系高速运动,所以在地球甲系也必须发生巨大的动钟变慢和动尺变短效应,这种巨大的动钟变慢和动尺变短效应,也一定会在地球上导致可观测的变化。否则,动钟变慢和动尺变短效应就不是相对性结论了,就不符合相对论逻辑了。

那么,在地球上发生的“巨大的动钟变慢和动尺变短效应”,会导致啥样的可观测变化?具体有哪些“翻天覆地”的可观测变化?就此,爱因斯坦相对论时空观应该给出必要的说明吧?而且也可以使用甲系t时刻暂停图,或者乙系T时刻暂停图来给出具体描述吧?

与此有关,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=299792458米/秒的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=299792458米/秒的0.999999991倍;当两个加速器分别产生相对地球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。

但是,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,地球和太阳系等物质系统相对高速运动粒子参照系就有0.99999956C和0.999999991C的巨大运动速度值;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,在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来自不同的高速运动粒子参照系的动钟变慢和动尺变短“命令”,就必须不断发生“动钟变慢”和“动尺变短”效应吗?就必须不断地“忽快忽慢”“忽大忽小”地动荡不定吗?

可以说,面对上述问题:爱因斯坦恐怕很难给出让大家口服心服的回答;难以给出服己服人的回答;尤其是要给出符合实验规则和科学逻辑的回答,恐怕更是困难;如果要求爱因斯坦在原子尺度和原子模型上,对动钟变慢和动尺变短效应给出合理解释,恐怕更是困难。

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。

3.6 甲系乙系观测者测到的速度值关系,由实验决定

在追光实验中,对于乙系实际存在的观测者来说,实际上他们可以使用自己的时钟量尺,进行测量实验,测量获得有关的速度值。

例如针对乙系时钟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。

4、创建交叉学科时空观,给甲系乙系建立统一的国际单位制

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。

4.1给甲系乙系建立统一的国际单位制,极其重要

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。

——举例说明,甲系乙系使用统一的国际单位制的重要性

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。为此,我们创建了交叉学科时空观。

——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。

5、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

5.1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。

5.2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。

5.3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,进行科学实践,产生头脑反映,给出语言描述,进行逻辑推理,进行数学描述,提出假设猜想,建立理论模型,实验逻辑检验,应用提高完善。

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。

5.4六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。

5.5 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…………(11)

t=T,x=X+uT,y=Y,z=Z…………(12)

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。

5.6 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。

爱因斯坦根据C假设,以及继承而来的u假设,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。

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。

实际上,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。

爱因斯坦创建狭义相对论时空观,把甲系的观察、实验和实践内容,在头脑里往乙系进行转化变换时:首先使用“原封不动继承”方法,把甲系测到的u1转化到了乙系,由此创建u假设,获得了速度值u;其次使用“按需放大缩小”方法,给乙系假设出了光速不变第二假设C2,结合甲系测到的光速值C1,创建了C假设,获得了速度值C;然后,根据速度值u和C,假设推理出了洛伦兹变换、动钟变慢和动尺变短等数学公式。由于速度值u和C不能共同成立,所以,从甲系到乙系的变换关系,洛伦兹变换、动钟变慢和动尺变短等数学公式中,都包含不能共同成立的速度值u和C,这将导致从甲系到乙系的变换结果,存在大量的矛盾和危机。

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。

坚持观察、实验、实践和逻辑并举的方法,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观察、实验、实践和逻辑并举,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。

6、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,具有重要意义,值得高度重视。

7、综合结论

在狭义相对论时空观中,在真空中惯性系理想条件下,针对相对匀速直线运动的甲系乙系,爱因斯坦主要谈论了两大内容:

一是在甲系,爱因斯坦谈论了甲系的独立时空认识,也就是甲系观测者独立地进行眼睛观察、仪器实验和科学实践,使用自己的时钟量尺测量时间、长度、空间和速度等,独立地获得的时间空间认识。爱因斯坦把这部分内容称之为甲系观测者的独立观测结果。

二是在乙系,爱因斯坦根据甲系的观察、实验和实践内容,给乙系观测者提出了一系列的头脑假设猜想。具体说,根据甲系的观察、实验和实践内容,所获得的时空认识,爱因斯坦使用狭义相对论时空观的一系列数学公式和假设推理方法,包括两系互测等速假设(狭义相对性原理)、两系测光等速假设(光速不变假设)、洛伦兹变换、动钟变慢、动尺变短、同时的相对性和速度值变换关系等,给乙系转化变换出了一系列内容。这些内容,就是爱因斯坦在头脑里对乙系情况进行假设猜想和虚拟想象,所产生的时空图像和物理模型。对于这样的头脑假设猜想、虚拟想象、时空图像和物理模型,爱因斯坦把它们称之为乙系观测者的独立观测结果,解释成了使用时钟量尺测量时间、长度、空间和速度等的观测结果。

在乙系,爱因斯坦根据甲系的观察、实验和实践内容,使用狭义相对论时空观的数学公式进行转化变换,给乙系制造头脑假设猜想、虚拟想象、时空图像和物理模型的时候,混合使用了“原封不动继承”和“按需放大缩小”两种方法。

在以往,对于分别使用“原封不动继承”和“按需放大缩小”两种方法,会制造出不分大小,颠倒使用的荒诞结果,爱因斯坦和后人都缺乏明确的认识,现在,通过追光实验,大家可以看清真相了。

形象地比喻,爱因斯坦把他头脑里假设猜想的时空图像、虚构想象的物理模型,跟乙系独立的时空认识、观测者的独立观测结果,混为一谈的情况,就类似于你的一个同事,把他头脑里“假设猜想的你”,跟“实际存在的你”,混为一谈。他头脑里“假设猜想的你”,可以把你没有的坏事虚构出来,当成确有其事;对你真有的好事却是因为不知道,就一直当没有。

在狭义相对论时空观里,爱因斯坦一直坚持他头脑里假设猜想的时空图像、虚构想象的物理模型,就是真的,确有其事,还挂上了乙系独立时空认识的招牌,挂上了乙系观测者独立观测结果的标签。这样做,实际上就是张冠李戴,有滥竽充数嫌疑。在爱因斯坦之后,类似的追随模仿者甚多,他们都是把自己头脑里假设猜想的理论图像、物理模型,自以为是地当成真的,自己昏昏地认为确有其事,广泛地传播,误导许多人。

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。

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。

关于相对匀速直线运动的甲系观测者和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。

8、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.

9、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。

10、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。


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