教材改革与素质教育（上）——注意狭义相对论的一些问题

北京市大兴区第三中学 刘文旺

伽利略是近代物理之父,他的老师对他的评价是：连自己的母亲都敢踢两脚的小马驹。质疑精神之强可见一斑。

教材是学生学习的核心，是教师执教的根本。教材要是有问题，把错误的概念教给学生这是违背教育初衷的。我们做不了伽利略，但也要勇于质疑，只有质疑才会有创新！

古之学者必有师。师者，所以传道受业解惑也。这是我们大家都知道的韩愈名言。大学、中学教师也是从大学出来的。对教师的教育尤其不能出现错误。

一、注意狭义相对论的一些问题

1.介质中的狭义相对论

目前，在大学中对狭义相对论的质疑已经具有普遍性。今天我们从另一个角度分析它存在的问题。

两个基本事实是：a.电磁理论等同地适用于真空与介质中，真空中具有光速不变性，介质中也应该具有光速不变性；b.有初中学历的人就知道，无论是自然界中还是实验室中的介质，都拥有确定的折射率和不变的光速，而被我们忽略的事实是：这些介质也在随地球的自转、公转而运动着，因此，介质中的光速也与地球的自转无关，同样违背经典意义下的速度叠加原理。同样需要给出解释。

把狭义相对论应用在介质（水中）中解释了菲索实验，可见，狭义相对论的思想是适用于介质中的。我们把相对性原理明确应用于介质中，结合介质中的光速不变现象，类比爱因斯坦，可以建立起介质中的狭义相对论。

基本假设：

（1）广义相对性原理：在含有介质的惯性系中，物理定律具有相同的形式。

（2）广义光速不变原理：在含有介质的惯性系中光速具有不变性。

在此基础上，把真空中的光速C变为折射率为n的介质中的光速C/n，然后完全不变地按照爱因斯坦推导狭义相对论的方法，就可以推导出介质中的相对论（推到过程较长，本文没有列出）。

为了便于比较，我们把两者的结论放在一起，见下表：

介质中狭义相对论 狭义相对论xˊ=(x-vt)/(1-n2β2)1/2 xˊ=(x-vt)/(1-β2)1/2 yˊ=y yˊ=y zˊ=z zˊ=z tˊ=[t-n2v x/c2]/(1-n2β2)1/2 tˊ=[t-vx/c2]/(1-β2)1/2 uxˊ=(ux-v)/(1-n2vux/c2) uxˊ=(ux-v)/(1-vux/c2)uy =uyˊ(1-n2β2)1/2/(1+n2vuxˊ/c2)uy=uyˊ(1-β2)1/2/(1+vuxˊ/c2)uy=uy(1-n2β2)1/2/(1-n2vux/c2)uy =uy(1-β2)1/2/(1-vux/c2)L=L [1-（nv/c）2]1/2 L=L [1-（v/c）2]1/2 m=m，/[1-（nv/c）2]1/2 m=m，/[1-（v/c）2]1/2 t0=t(1-(nv/c)2)1/2 t0=t(1-(v/c)2)1/2 E=T+m0c2/n2、E0=m0c2/n2 E=T+m0c2、E0=m0c2 t‘2-t‘1=[（t2-t1）-v（x2-x1）（n2v/c2）]/(1-(nv/c)2)1/2，t‘2-t‘1=[（t2-t1）-v（x2-x1）（v/c2）]/(1-(v/c)2)1/2，介质中，折射率为n 真空中，折射率为1当进入到真空中，介质中的狭义相对论转化为爱因斯坦狭义相对论的全部。后者是前者在真空中的特例。

当进入到真空中时，n=1介质中的洛仑兹变换、时空的变化、质速关系、质能关系、同时性的相对性等，转化为爱因斯坦的狭义相对论全部。因此，狭义相对论是上述理论在真空中的推论。

我们分析如下。

2.狭义相对论存在的问题：

（1）上述公式中存在1/[1-（nv/c）²]1/2项，由数学上偶次根号下不能为负的要求可知，v2c/n，当n=1时为真空中的光速不能被超越。但在切仑科夫辐射现象中，粒子的运动速度就超过了介质中的光速、量子纠缠中的相互作用也是超光速的。最近中国已经成功利用量子纠缠实现量子通讯。

（2）由t‘2-t‘1=[（t2-t1）-v（x2-x1）（n2v/c2）]/(1-(nv/c)2)1/2和L=L，[1-（nv/c）²]1/2及Δt/=Δt(1-(nv/c)2)1/2可知，同样的运动速度，时间和空间的变化及同时性的相对性由介质的折射率决定。

时空本性能由介质的折射率决定吗？

（3）由m=m，/[1-（nv/c）²]1/2可知，同一个粒子以同样的速度运动，在真空与不同的介质中拥有不同的质量。质量的数值与介质的折射率有关，这是不可能的。物体的质量没有因进入水中而变小。阿基米德原理充分体现了这一点。

当n很大时，c/n=0.01m/s，这种情况下会出现更加明显的相对论效应，而此不是事实！

从实验上看，2008年中国科学家季灏在中国科学院，上海应用物理研究所做了验证质速关系的实验——“量热法验证质速关系”。用6Mev、8Mev、10Mev、12Mev、15Mev五个能量等级的电子轰击真空环境中的铅靶。按相对论理论计算，应该升高的温度分别是：2.520C、3.360C、4.200C、5.030C、6.290C，但是，实验结果显示几乎都是1.10C。接着，又在0,121T的匀强磁场中，让4Mev、6Mev、9Mev、12Mev、16Mev、20Mev六个能量等级的电子做回旋运动。按照相对论的质速关系，回旋半径应该是：11cm、17cm、25cm、33cm、44cm、55cm，而实验结果却是：17.8cm、17.9cm、18cm、18，1cm、18.2cm、18.3cm。

这实际上，否定了质速、质能关系。

（4）由E=T+m0c2/n2可知，一对正反粒子在真空及不同的介质中发生湮灭反应时，会因为折射率n的不同，而有不同的能量释放出来？这与能量守恒是不相容的。

（5）在同一种介质中，不同频率的光子有不同的折射率，当我们用不同频率的光子进行观测时，会发现由于折射率的不同，而使得：L=L，[1-（nv/c）²]1/2、m=m，/[1-（nv/c）²]1/2、Δt/=Δt(1-(nv/c)2)1/2、E=T+m0c2/n2、E0=m0c2/n2、t‘2-t‘1=[（t2-t1）-v（x2-x1）（n2v/c2）]/(1-(nv/c)2)1/2等拥有不同的数值，这显然是错误的。同一运动粒子的质量、能量、动量等，会随入射光的频率的变化而变化？！

（6）相对论不适合观测不变的数值。

用弹簧称拉住一个重19.6牛顿的物体，静止的实验者会认为其质量为2kg。而以速度v运动的实验者就会感到疑惑：一方面，此时该物体质量、地球的质量应按m=m0/(1-(v/c)2)1/2增加 ,又由于引力质量等于其惯性质量，则这时弹簧秤上的物体的重量应远大于19.6牛顿；但他又真实地见到弹簧称上的读数没有发生变化的。这怎么解释？

弹簧秤是靠电磁力工作的，而电荷具有运动不变性。而且，引力场与电荷的库伦力场是不同性质的力场，绝不会同步变化。

（7）由运动的相对性可知，在光子看来我们运动速度是光速吗？我们的质量、能量、时间与空间应该发生怎样的变化？

还有，由质能关系E=mC2可知，光子拥有的质量为：m=hν2/c2。但是，把这一公式代入m=m，/[1-（v/c）²]1/2中，我们会发现，这是一个发散数值，再把光子波长公式λ=c/ν带入L=L，[1-（v/c）²]1/2得到同样的结果。这就奇怪了，为了描述光速不变等到的公式，却不适用于光子本身。这种解释？！

光只是我们认识世界的工具，不该为了工具而改变对世界的认识。

在具体的教材编写中，一定要指出狭义相对论存在的不足，不能告诉学生它是一个完美的理论。一定要留给学生独立、自由的思考空间。认真履行素质教育，搞好教育创新。