四、绝对静止参照系和惯性参照系
狭义相对论认为,所有物体的运动都是相对的,所有惯性坐标系中都是平等的,绝对静止参照系是不存在的。在所有惯性坐标系中,一切物理定律相同,在反映物理规律的数学形式上保持不变。因而,你无法通过物理实验证明你所在的参照系与别的参照系有何区别。
我认为,物体的运动既有相对性,也有绝对性,所有惯性坐标系中不是平等的,绝对静止参照系是存在的,“相对性原理”不具有普遍性,可以通过物理实验证明你所在的参照系与别的参照系有何区别。
首先,运动的相对性大家都清楚,不必多说。关于运动的绝对性,我们来看一个简单的例子:
在地球上有一个正在旋转的陀螺,最大半径为5cm,相对太阳的转速为4圈/秒,陀螺作圆周运动的线速度为:v=rω≈1.3(米/秒)。但是,如果以旋转的陀螺为参照系,太阳作圆周运动的线速度为:
V’=Rω=1.5x10118π≈3.80x1012(米/秒)
这一速度远大于光速。显然,我们不能把以上两种相对运动看成是等价的。
其次,所有惯性坐标系中都不是平等的。例如:在远离一切力场的地方,有两个以相对速度u运动的惯性坐标系S 和S’,对于固连在其上的观测者A和A’而言,到底是谁的“钟”走时更快呢?虽然这是一个理想实验,但我们必须回答以上问题而不可借故回避,就象伽利略的斜面惯性实验和爱因斯坦的电梯实验一样,不能因为他们是理想实验而否定其重大意义。
要回答以上问题就必需要确定“绝对静止参照系”:
在地上观测,地球是一个精确度较高的“静止参照系”;
在太阳系观测,太阳的中心是一个比地球精确度更高的“静止参照系”;
在银河系观测,银河系质心是一个比太阳中心精确度更高的“静止参照系”;
总星系的质心是一个比银河系质心精确度更高的“静止参照系”;
……
随着时间的推移,人类的智慧不断提高,人们可以不断地继续寻找下去,得到越来越精确的“静止参照系”。也许,宇宙大爆炸的起点才是真正意义上的“绝对静止参照系”—— 这是宇宙间唯一优越的惯性参照系。也许,凭着人类的智慧永远无法找到真正意义上的“绝对静止参照系”,但是,我们确信人类可以不断逼近“绝对静止参照系”,就象“绝对零度”和“理想气体”不可能达到一样,但我们可以不断逼近它。确定“绝对静止参照系”的意义在于,它有利于我们对物体的运动进行精确的描述。
一旦确定了“绝对静止参照系”,我们就可以定义惯性坐标系了:凡是相对绝对静止参照系作匀速直线运动的参照系,就是惯性坐标系。
在牛顿力学和相对论中,定义惯性坐标系时都存在循环逻辑的矛盾。
有了近似的“绝对静止参照系”,我们就可以比较惯性坐标系S 和S’的速度,比较两者中哪一个相对“绝对静止参照系”的速度教大,则这个坐标系的“钟”走时较快。
例如,从宇宙中高速飞向地球的μ子,比静止在地球上的μ子寿命更长;相对地球被加速(作高速匀速圆周运动)的μ子比静止在地球上的μ子寿命更长。
五、“相对性原理”不具有普适性
大自然既具有简单、和谐、统一的一面,也具有复杂、混乱、形式多样的一面。要求所有物理定律在一切坐标系中具有相同的形式(协变性),是人们美好的愿望,这是人类的主观要求,这种主观愿望必须服从于大自然的客观实际。因此,对于“相对性原理”不具有普适性的事实无须大惊小怪。
我们知道,在不同惯性坐标系中观测,天空中飞鸟的运动轨迹,结果是不一样的,“飞鸟的运动轨迹”算不算是一种“物理规律”呢?在不同惯性坐标系中观测,物体的坐标、长度、速度不同,同一事件所经历的时间间隔不同。下面我们将看到,在不同惯性坐标系中观测,物体的质量不同,物体所受的万有引力也不同。
相比之下,一种真实的存在,比一种人们主观上要求的“协变性”更为重要。科学的任务正是使得我们建立的理论与“真实的存在”之间取得尽量小的误差。“自然、简单、和谐、统一”的科学美绝非大自然的客观真实,它属于意识范畴。
六、关于光速不变原理
从理论上看,麦克斯韦电磁理论要求光速不变;从实践上看,迈克尔-莫雷的光速实验说明光速不变。因而,从表面上看,狭义相对论的时空观就是“光速不变原理”的必然推论,其实应该倒过来说:正是“时间膨胀”这一原因,导致“光速不变”这一结果。因为,我们只有定义了“时空”概念,才能得到“速度”的概念。所以,只要我们承认“时间膨胀”,对“光速不变