侯工：《煮茶品宇宙》（8）——参照系

          相对参照系

“老吴，你昨天说爱因斯坦找不到宇宙运动确定的参照系，对这个问题我还没有弄清楚，今天请你详细地讲个明白。”

“说到运动，就离不开参照系，所以首先要弄清楚什么是参照系。”

“按照我的理解，研究物体的运动时，选来作为参照的另外的物体，叫做参照系。作为参照系的物体是假定静止的。比如研究汽车的运动，就选地面作为参照系，假定地面是静止的；研究地球运动就选太阳作参照系，假定太阳是静止的。”

“你说的是传统的参照系，这些参照系都是运动的，地球、太阳都是运动的。在传统运动学里，参照系可以任意选取。古代研究天体的运动时，很自然以地球为参考系。”

“关于参照系，我也略知一二。19世纪，科学家们发现光是一种波，波大多需要传播介质，如声波的传递需要借助于空气，水波的传播借助于水等。受经典力学思想影响，他们便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质，这种物质在光的传播中起到了介质的作用。以太的假设代表了传统的观点：电磁波的传播需要一个‘绝对静止’的参照系，当参照系改变，光速也改变。这个‘绝对静止系’就是‘以太系’。其他惯性系的观察者所测量到的光速，应该是 ‘以太系’的光速，与这个观察者在‘以太系’上的速度之矢量和。按照当时的猜想，以太无所不在，没有质量，绝对静止。以太充满整个宇宙，电磁波可在其中传播。”

    “在以太说中，除了认为以太是绝对静止的物质是错误的以外，其它都是对的，例如，认为光是一种波，需要传播介质，以太无所不在，没有质量，这些都和能量粒子相同，但是，由于人们以为光波在以太里传播应该象水波在水中传播一样，水波的速度与水流的速度可以通过矢量相加而合成，但是实际上不是这样，例如，由于地球在围绕太阳公转，相对于以太具有一个速度v，因此如果在地球上测量光速，在不同的方向上测得的数值应该是不同的，最大为 c+v，最小为 c-v。可是，在1881年～1884年，阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷为测量地球和以太的相对速度，进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验。实验结果显示，不同方向上的光速没有差异。这实际上证明了光速不变原理，即太空中光速在任何参照系下具有相同的数值，与参照系的相对速度无关，由于当时人们不知道光速不变原理的原因，就轻易地否定了以太的存在。如果当时的科学家发现了宇宙原速，就不会否定以太说，而有可能完善以太说。能量粒子说其实就是以太说的完善版——能量粒子比以太多了几个性质：一是可以构成有质量的物质，又可以由物质分解恢复原样；二是径向运动速度等于光速；三是具有能量。”

“牛顿认为时空是绝对的。他将作匀速直线运动的参照系叫做惯性参照系，又将对惯性参照系作加速运动的参照系叫做非惯性参照系。”

“牛顿认为时空是绝对的观点是正确的，但是他将参照系分成两种是错误的，如果有两种参照系，就有两种时空，也就是说时空不是绝对的，这就产生自相矛盾，这也对爱因斯坦产生相对论起了误导作用。爱因斯坦不仅没有认识到牛顿的错误，反而在牛顿错误的基础上，认为有无数多的惯性参照系，并且认为所有的惯性参照系都是等价的，正是在这种错误认识的基础上，爱因斯坦建立了狭义相对论。”

“我觉得爱因斯坦的狭义相对论在推导过程中是无懈可击的。他根据坐标变换得出四个重要的公式：

“第一个是时间变慢公式：   t’=t/(1－v² /c²）^1/2  （1）

“第二个是质量变大公式： m=m0/(1－v² /c²）^1/2   （2）

“第四个是尺缩效应： ΔL=[(1－v² /c²）^1/2]/Δl     （3）

“第三个是质能公式：E=mc²                         （4）

“（1）（2）（3）式分别表示，当速度接近光速时，时间变得无限慢，质量变得无限大，运动中的物体长度缩到无限小。（4）式表示，物体的能量等于其质量与光速平方的乘积。”

“爱因斯坦的推导过程确实是无懈可击的，问题在于并不需要推导。”

    “为什么？”

     “爱因斯坦认为，相对论是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理是：

    “1．物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。

    “2．任何光线在‘静止的’坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。

    “其中第1条就是相对性原理，第2条是光速不变性(人为假定的）。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。

    “显然，爱因斯坦并不知道宇宙是个膨胀的球面，宇宙只有一个中心从而确定只有一个参照系。如果他知道的话，就不会进行洛伦兹变换了。他对第2条光速不变原理纯粹是人为假定的，并没有经过证明，也就是说，爱因斯坦对光速不变原理知其然，不知其所以然。如果他知道光速不变原理的机理，也就不会进行坐标变换的推导了。”

    “你说了半天，也没有详细地说明光速不变原理的机理啊。”

    “我以前曾经粗略地提到过。今天就详细地讲一下吧。”

    “必须的。”

“人们从经验中知道，两个速度是可以通过矢量相加合成的，并且符合平行四边形法则，两个矢量和等于平行四边形的对角线，如果方向相同，就等于两个速度之和。”

“这就是经典运动学的速度合成公式。根据这个公式，假如光源以速度v向观测者运动，测得的光速应该是v+c，可是为什么仍然等于c呢？”

“这是因为，经典运动学只是考虑物体的宏观运动，而忽视了物体内部的微观运动。比如，光源以速度v向观测者运动时，它内部的微观速度就相应地减少相同大小的速度v，使光源的总体速度保持不变，也就是说，对光速c没有影响，这样测得的光速当然不变啦。”

“这下我明白了，同理，如果观测者以速度v离开光源，观测者内部的微观速度也会减少相同大小的速度v，使观测者的总体速度保持不变，所以测得的光速也不变。”

“对了。由于光源和观测者都遵守宇宙原速，相当于两者总是靠在一起，当然光速不变啦。”

    “我有个问题：有两艘飞船A和B分别以每秒20万千米的速度飞离O点，但A和B的方向相反，站在O点看，两艘飞船的速度都小于光速，但若是在飞船A上看B的速度是否大于光速呢？”

“这个问题看起来很简单，小学生也可以算出来。如果按照牛顿的运动学理论，两者的相对速度应该是20万千米加20万千米等于40万千米，就会大于光速30万千米，可是实际上不是这样——在飞船A上看B的速度，总是等于光的速度30万千米，道理也很简单——因为B只能是以光的速度传到A处的。由于A和B都遵守宇宙原速，A、B的速度都是自然速度，也就是沿着宇宙径向的速度，A、B之间互相远离是由于内隐速度的反向缩小引起的，A测B的速度，相当于B发出的光的速度，也就是说，当A、B之间的速度达到光速以后，再也不能增加了，因为不能按照40万千米每秒的速度作相反方向飞行了。而且，经过一段时间，A看到的只是B的虚像了。”

“如果A、B相对分离的速度是每秒40万千米，假设在两飞船飞离的第1秒结束时从A处向B发射一束光，第2秒结束时光向B行进了３０万千米，但两飞船的距离则扩大为４０＋４０＝８０万千米。在这第2秒的一秒钟内，A行进了２０万千米，光则向相反方向行进了３０万千米，这样合计５０万千米，光距B应该是８０－５０＝３０万千米，第3秒结束时A、B的间距则是１２０万千米，光与A的距离则为１００万千米，光与B的距离则是２０万千米。第4秒结束时A、B间距则是１６０万千米，光与A的距离为１５０万千米，与B的距离则为１０万。第5秒结束时A、B间距为２００万，光与A也是２００万——光赶上B。但这样一来就意味着光离开A的速度要超过每秒30万千米，否则光与B的间距就会越来越远，在飞船B上的人永远也看不到A。所以，如果飞船B上的人可以测到A的速度，那一定是前一种情况，即从A出发的光超过了３０万千米。”

“这是受传统速度概念影响的典型。实际上，A在第1秒结束时向B发出光束后，光就一直以每秒30万千米沿着球面方向向B传播。在第1秒结束时A向B发出光束这一刻A、B的球面距离是40万千米，这个距离只是随球面膨胀而改变，在短时内可以忽略不计。从这一刻开始，A、B的运动都是径向运动，所以，B只需4/3秒就可以看到A发出的光束了。也就是说，从这一刻开始，光束传播运动与A、B的径向运动无关，所以不存在超过光速的问题。值得注意的是，在大范围内，如以1亿光年距离单位作计量，球面距离就以光在径向距离为标准了。”

“假设A、B两束光从同一光源沿相反方向发出，B观测A又如何？”

“B观测A的速度仍然等于光速，相当于A在光源处不动，归因于两者和光源都仍然遵守宇宙原速，A只能以光速传到B，即使有艘宇宙飞船以接近光速无论向哪个方向飞行，在飞船上观测光的速度仍然等于光速，当然，假如在光的位置观测飞船的速度，结果仍然是等于光速，因为接近光速的飞船与光源的宇宙原速是相等的，所以光观测飞船的速度就等于观测光源的速度，当然等于光速啦。进一步说，即使飞船达到光速，在飞船上测量光速仍然等于光速，因为等于光速的飞船仍然与光源同速。也就是说，A、B两束光无论成什么角度，互相观测，都是等于光速，除非两束光重叠成一束光。这就是光速不变原理。”

“既然你说爱因斯坦找不到确定的参照系，那么你认为什么是宇宙确定的参照系呢？”

“我曾经说过，宇宙球面是以宇宙原速沿径向运动的，所以，以宇宙中心为原点的参照系就是确定的唯一的参照系。对于宇宙来说，宇宙中心是绝对静止的。由于有了这个参照系，宇宙的时间和空间就是绝对的。这样，宇宙原速就成为其它速度的背景速度。”

“你不是说宇宙不存在静止的物质，为什么宇宙中心是绝对静止的呢？”

“宇宙中心并不是物质，它只是一个结构形式的中心而已。”

“为什么说以宇宙中心为参照系是唯一的确定的参照系呢？”

“因为宇宙只有一个中心，而宇宙任何物体运动都是宇宙球面膨胀运动的一部分，都是以这个参照系为背景的。”

“你能指出爱因斯坦四条公式错在哪里吗？”

“爱因斯坦这四条公式都是在离开宇宙参照系的情况下通过洛伦兹坐标变换作出来的，由于用来变换的坐标有一个坐标中心，这个中心要么与宇宙中心重合，要么不存在，所以所谓的洛伦兹变换是脱离宇宙实际的。事实也是这样：根据（1）式，就会出现双生子佯谬：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎中的一人回到地球时只不过两岁，而他的兄弟早已逝去了，因为地球上已经过了200年了。根据（2），接近光速的宇宙射线的质量应该趋于无穷大，但是实际情况并非如此。根据（3），接近光速的宇宙射线的尺寸应该趋于0，实际上也不是这样，宇宙射线的大小并没有趋于0。对于（4），由于物质的固有速度等于光速c，所以直接运用动能公式Ek=1/2mv²就可以了。”