评阮晓钢教授的“观测相对论”

王令隽

(田纳西大学查塔努加分校物理天文系, 田纳西 查塔努加 37403)

《北京工业大学学报》2019年9月10日网络版(JournalofBeijingUniversityofTechnology, ISSN 0254-0037, CN 11-2286/T)发表了该校阮晓钢教授的论文《观测与相对论：光速在爱因斯坦狭义相对论中为什么不变？》，提出了他的“观测相对论”，并附有该刊评论员的文章. 我非常赞赏阮教授和评论员敢于挑战权威、敢于批判相对论的精神. 科学不同于宗教，没有任何人是上帝，没有任何理论是不可以讨论不可以挑战的. 只有物理学界重新树立了文艺复兴时期建立起来的科学批判精神，才能客观地梳理20世纪理论物理学的诸多问题，走出困境. 《北京工业大学学报》敢于发表阮晓钢教授对相对论的批判文章，真是难能可贵. 所以我想籍对阮教授论文的评论谈几个相对论研究中一般性的观念问题，希望对学术界研究相对论的朋友提点参考意见.

1 观测与客观物理量的关系

我们知道，物理学的研究对象是客观的物理世界. 物理学不同于神学，其根本就是一切理论都必须建立在对客观世界的观测上，而不是建立在神学家的空想和神话传说上. 只有这样，物理学才成其为科学. 当然，任何观察和测量不可能绝对精确，都是有误差的. 测量误差越小，由此得出的理论就越精确. 如果测量数值与实际的物理量不符合，就应该改进测量工具和方法，使得误差越来越小. 如果对观测数据进行处理的理论得出的结果和实际物理量不符，那或者是实验测量有问题，或者是理论有问题. 此时物理学家应该做的，是改进测量仪器，改正理论，而不能因为观察和物理现实有差别，就确立另一个理论，把观测误差当作理论的立论基础，就据以改变经过无数科学与工程实践确立的时空结构，就据以否定经过无数科学与工程实践确立的科学定律诸如质量守恒定律和能量守恒定律，就据以否定基本的科学逻辑比如因果律.

可是历史上有些不理解相对论的人们，却把相对论中一些不可思议的结果归结为观测与物理现象的差别. 阮教授显然也持这种观点. 他认为，“所有相对论性现象都是观测效应，源于观测相对性，而非真实的自然现象或物理现实”. 这种“观察数值”和“实际数值”到底差别有多大呢？不妨举物体的质量为例. 经典物理中的物体质量是不变的，有限的；但是相对论质量则可以趋于无穷大. 质子的经典质量为1.67×10-27kg，可是它的相对论质量理论上可以趋于无穷大. 有穷大和无穷大之间的差别只是观察效应没有实质意义吗？如果一个实际上是有限的物理量，经过 “观察”变成了无穷大，那 “观察”和理论还有意义吗？把相对论的结论归结于“观察效应”，是掩盖或抹煞相对论的本质. 爱因斯坦的质能关系式是20世纪理论物理尤其是粒子物理和宇宙学的根基，扬言是核能的根源，这仅仅是“观测效应”吗？人们根据质能关系式认定爱因斯坦为原子弹之父，必须对扔在广岛长崎的原子弹负责. 难道仅仅“观察”一下，就能把广岛长崎毁灭？难道广岛长崎的毁灭仅仅是“观测效应”而不是物理真实？粒子物理学家们根据质能关系式认定几百个共振态和激发态粒子，宇宙大爆炸学家们根据爱因斯坦的质能关系式创造宇宙. 这些，难道都只是“观测效应”？难道观测一下就可以创造出宇宙？(对爱因斯坦质能关系式的批判，请参看拙作ACritiqueonEinstein’sMass-energyRelationshipandHeisenberg’sUncertaintyPrinciple,PhysicsEssays, Vol. 30，No. 1, 2017. 此文的中文版《论质能关系》收集在拙著《物理哲学文集》第十七章，215页，香港国际文化图书，2014，ISBN 978-988-16298-0-7.)

“相对论观测效应”论历史上早已有之，阮教授并不是首倡者. 相对论中的许多结论难以理解，许多人无法从其本质上进行彻底批判，又不敢冒犯权威，于是就归结为观测问题，算是在自己的物理理念与现实的体制权威中找到了一个心理平衡和中庸的处置. 但是，如果仅仅停留在表面的观测现象，就不可能抓住问题的本质. 这样的“批判”不仅不能解释相对论的谬误，反而可能误入相对论的巢臼而犯同样的错误. 科学上讲不得外交辞令. 不能足将进而踟躇，口将言而嗫嚅. 科学争论中，观点必须坦率，理论必须彻底.

阮教授认为：“大自然所能呈现给我们的，只能是观测时空，而非客观时空. ”又说：“所有相对论效应，本质上都只是一类观测效应，并非真实的自然现象或物理现实，其根源在于观测局域性. 没有观测局域性，时空将呈现其真实的面貌. 可见，真实的物理世界，应该是伽利略和牛顿为我们描述的时空：时间和空间独立速度叠加服从伽利略法则，而物质运动则遵循牛顿定律；同时性是绝对的，时间不会膨胀，空间不会收缩，时空更不会弯曲. ”阮教授的这2段议论存在一个逻辑背反. 既然大自然所能呈现给我们的只是观测时空而非真实时空，那您怎么知道伽利略和牛顿为我们描述的时空是真实的？他们是如何得到真实的物理世界的？如果伽利略和牛顿能够观测并描述真实的物理世界，为什么我们就不能？您能够给出一个“真实时空”和“观测时空”的精确定义以确定这二者的区别吗？

质言之，“观察”与“真实”之间的差别，就是实验误差而已. 过分强调实验误差，强调观测对物理量的影响，为谬论辩护，是哥本哈根学派的基本特征，误导了物理学界整整一个世纪. 他们坚持“如果你不观察，月亮就不存在”. 他们认为关在笼子里的薛定谔猫的生死是由观测造成的. 其荒谬不言自明.

总而言之，相对论的理论及其结论是完全不同于经典物理的革命性理论，不能仅仅归结为观测效应.

2 关于光速不变原理

阮教授说：“正是基于光速不变性假设，爱因斯坦成功地从理论上推导出洛伦兹变换，建立狭义相对论，揭示了时空和物质运动的相对性现象. 光速不变性假设不仅是爱因斯坦SR的基石，同时，也是爱因斯坦广义相对论的前提之一. ” 这段议论言过其实.

首先，仅仅基于光速不变性假设，是不能推导出洛伦兹变换的，还必须加上一些其他的假定，比如要求变换必须是线性的. 线性假定并不是不言自明的公理，因为没有任何理由限制坐标变换的线性. 事实上，克鲁斯科坐标变换就是非线性的，而且是非一一对应的变换. 所以坐标变换的线性是一条必不可少的假定. 另外，必须假定时间的相对性. 这点也非常重要. 就是说，必须假定伽利略的经典变换不成立. 这个假定就更加不是不证自明了. 所以，仅从光速不变假定是推导不出洛伦兹变换的. 相反，如果将洛伦兹变换作为大前提，就可以直接得到光速极限原理和光速不变原理. 其他的许多重要概念，比如相对论动量、质量和能量的定义以及质能关系式等等都是根据洛伦兹变换建立的. 所以，逻辑上洛伦兹变换才是狭义相对论的基石. 光速不变原理只不过是洛伦兹变换的结果之一.

其次，光速不变原理并不是广义相对论的前提之一，和爱因斯坦引力场方程的建立了无关系. 事实上，广义相对论和光速不变原理直接相悖. 这非常容易证明. 爱因斯坦引力场方程在静止球对称场中的精确解由希瓦兹查尔德给出

(1)

考虑各向同性的情形：dθ=0,dφ=0,我们有

(2)

爱因斯坦要求光在引力场中服从短程线方程ds=0,于是我们由式(2)得到光的速度

(3)

式中：c是光速；rs=2GM/c2是希瓦兹查尔德半径. 式(3)中的正号表示沿半径方向射出的光，负号表示沿半径射入的光. 式(3)清楚地表明，广义相对论中的光速和半径有关，不是常数. 当半径等于希瓦兹查尔德半径时，光速为零. 当半径趋于零时，光速趋于无穷大. 可见光速不变原理不但不是广义相对论的大前提，而且是大麻烦. 它和爱因斯坦要求光线在引力场中服从短程线方程的要求直接相悖. 如果在广义相对论中坚持光速不变原理，就得抛弃光线沿短程线传播的假定，这可就要影响到所谓引力使光线弯曲以及引力透镜等等概念的合法性.

光速极限的另一个问题是它使得爱因斯坦的时空不存在转动相对性，因而失去各向同性，这显然违背相对论的基本精神. 因为根据物理上的相对性原理和空间的各向同性，人们可以选择任意方向的坐标系来描述物理世界. 不同方向坐标系之间的物理量可以通过转动变换互相转换. 所以转动变换是任何理论必须具备的. 可是因为光速极限，爱因斯坦的相对论不存在一个全域的转换. 这个问题，我2000年在《意大利物理学报》上发表的一篇文章中有详细的证明(见Ling Jun Wang,RotationalBehaviorofEinsteinianSpace，ILNuovoCimento，Vol. 115B, No.6, pp615-624, 2000.). 爱因斯坦的引力场方程有2个精确解，一个是希瓦兹查尔德解，适用于静止球对称引力场，另一个是科尔解，适用于旋转的球对称引力场. 这2个解都适用于地球的引力场，就看你选择的坐标系是地球坐标系还是恒星坐标系. 理论的自洽性和相对性原理要求在希瓦兹查尔德解与科尔解之间必须有一个转动变换. 但是，当半径与角速度的乘积超过光速时，物体的线速度就将超过光速. 于是我们就发现一个惊人的结果：由于地球的转动，所有恒星相对于地球上观测者的线速度都超过光速！所以，相对论的光速极限原理是站不住脚的.

有的议者可能会说，实际上恒星并没有运动啊. 恒星的线速度是由于地球的转动而形成的视在速度，不能算数的. 这些朋友其实并不理解“相对性”的真谛. 即使在相对论中，相对速度也必须服从光速极限，因为相对论压根就不承认有绝对速度. 所有的相对论教科书上都有许多例子来说明运动的相对性. 比如说，一列火车以80 km的时速行进，相对于车上的乘客而言，恒星的速度是多少呢？是反方向的80 km的时速. 没有任何人挑战这个结论. 那是不是意味这火车司机推动了恒星和整个宇宙以80 km的时速向相反的方向运动呢？当然不是. 恒星和宇宙的速度只是相对速度而已. 如果连这个概念都不懂，那一定是他的中学物理老师不称职. 平动速度可以是相对的，转动速度同样可以是相对的，同样必须服从力学定律. 如果有的朋友还不理解光速极限与转动相对性和空间各向同性的矛盾，不妨试图提出一个符合相对论的转动变换，就知道问题的严重性了.

3 光在相对论中的特殊作用

相对论问世以后，一开始就遭到了物理学界的严厉批判，其中一个非常重要但是被后人忽略了的批判就是爱因斯坦把光置于一个特别的绝对的位置. 光其实就是电磁波，是大自然中诸多现象之一，对于时空结构没有也不应该有决定理论架构的作用. 可是，在爱因斯坦的相对论中，光(电磁波)却被赋予了决定时空结构的永久性的特殊位置. 这个特殊位置的最重要的表现就是光速极限原理. 光速成了一切物体速度的上限，不管是绝对速度还是相对速度. 即使光速和光速叠加得出来的还是光速. 其荒谬是显而易见的.

光在相对论中的特殊位置的另一个表现是光线的传播成了量度时间和空间的唯一合法手段. 这个观点也在某种程度上被阮晓钢教授接受了. 我说“在某种程度上”，是因为阮教授只接受任何物理量的量度必须通过媒介，但他认为不仅仅是光，其他媒介如声波也可以. 阮教授说：“被观测的对象的信息必须借助于一定的媒介，以一定的方式，传递至我们的感官或观测仪器，方能被我们感知或观测. ”这里强调了媒介在测量中的必要性.

物理量的测量必须通过媒介吗？当我们用米尺测量桌子的长度时，我们直接比较桌子与米尺的刻度. 当我们数着白天黑夜测量时间的流逝时，我们用的是地球自传的稳定周期. 当我们测量物体的质量时，我们把物体和砝码以及秤的刻度相比；当我们测量温度时，我们看水银柱的高度；当我们测量电压、电流、电容、电阻时，我们读仪表上的数字；当我们用压电晶体测量压力，用盖革计数器测量辐射剂量，用14C的丰度测量长沙马王堆死尸的年代，用云室多丝室和计数器测量粒子碰撞的散射界面时，用的是什么媒介？当将军们用三角测地法测量河对岸的敌人目标时，用的是什么媒介？在所有这些测量中，都不需要媒介.

也许人们会说，所有这些测量都用到了媒介. 比如用米尺测量桌子的长度，没有光，你就没有办法对刻度. 如果数字仪表上显示器的光线不能到达你的眼睛，你就得不到结果. 三角测地法也必须用光线将三点对成一条线. 这难道不是用光做媒介吗？

不是. 这里，光只是用作测量设备的一部分，就像仪表和眼睛一样，没有仪表和眼睛，同样不能测量. 没有任何人把眼睛包括在他的时空理论之中. 那么，要满足什么条件才能被称为“媒介”呢？它的传播速度必须被定量地包括在理论的公式之中. 特别地，媒介的速度必须成为阮教授文章的几个附图之中的一部分，成为相对论因子的一部分. 如果媒介的速度和理论之间不存在这种定量的联系，就不是相对论意义下的“媒介”，相对论理论家们也就没有必要坚持测量媒介的必要性. 上面所说的米尺和砝码、水银和压电晶体、电表和盖革计数器、放射性元素和云室多丝室等等，都和相对论因子没有任何定量的关系，不能为相对论提供任何逻辑支持，所以不是阮教授意义下的“媒介”. 因此，“被观测的对象的信息必须借助于一定的媒介，以一定的方式，传递至我们的感官或观测仪器，方能被我们感知或观测”这一论断不能成立.

以光线传播速度有限(阮教授称之为观测局域原理POL)作为理由为相对论辩护，起于20世纪50年代. 当时许多物理学家不接受时间的相对性，围绕着钟佯谬问题展开了白热化的争论. 有一位C.G. 达尔文教授(不是那位提出进化论的达尔文)为了维护爱因斯坦的时间相对性，为钟佯谬问题开脱，提出时间的测量必须通过发射和接收光子才能进行(参看C. G. Darwin,TheClockParadoxinRelativity,Nature, 180, 1957.). 他假设哥哥驾驶宇宙飞船飞到一个距离我们10光年的星球，然后返回地球. 每年圣诞节哥哥给地球上的弟弟发回一个光脉冲信号，弟弟每到圣诞节也给飞船上的哥哥发一个光脉冲信号. 结果是哥哥与弟弟接受到的光脉冲数不一样多，说明2个人经历的时间不一样长. 达尔文这个例子的致命漏洞在于他只画出以弟弟为参考系的图像，而不画以哥哥为参考系的图像，因此违背了运动的相对性. 达尔文的说教还有一个大问题，就是他设计的计时方法根本就不是现实的方法，只能是假想实验. 而假想实验只是逻辑推理，不是实际的测量.

为了进一步说明这种以光线的发送和接收为硬性要求的测量没有道理，我们特别谈谈长度(距离)的测量. 长度测量直接关系到时空结构. 我们测量距离最直接的方法就是与标准长度比较(这其实是长度的定义). 其次是三角测量法(triangulation). 军事指挥官可以隔河测量敌军目标与我军炮口之间的距离. 古埃及天文学家测量地球的半径，用的也是三角测量法. 这个方法也用于测量恒星与我们的距离，并因此定义了一个长度单位Parsec(pc). 如果某个恒星对于地球轨道直径的张角为1弧秒，这个恒星离我们的距离就定义为一个pc. 三角测地法是最为可靠的距离测量法，可以测量远达30～40 pc 的距离. 比这更远的天文距离要依靠比较恒星的相对亮度来测量，根据的是同类恒星的绝对星等基本一样的假定和平方反比定律. 这个方法可以将测量距离延伸到我们的整个银河系，大约10万pc的数量级. 超出我们银河系的天文距离的测量，要依靠Cepheids 变星亮度变化周期与亮度变化的线性关系. 这个方法可以将测量距离延伸到约100万pc，达于我们的银河系团(Local Group)的边界. 超过100万pc的距离得依靠最亮的球状星团作为标准光源，使观测距离再增加一个数量级. 比这更远的距离则要借助于整个银河系作为标准光源. 前进每一步所用的测量方法必须由较短距离的测量方法来校准，所以，越远的距离的测量越不准确. 至于宇宙边际的天体距离的测量，则是依据宇宙红移来决定，根据是哈勃经验定律：星体上光谱的红移与星体的距离大致成正比.

我们不厌其烦地罗列天文距离的测量方法，是为了说明所有可行的距离测量方法都不是依靠测量光线的发送和接收之间的时间间隔来进行的. 所以，达尔文的光子收发机制并不是实际的测量方法，只不过是一种假想方法或者假想实验而已. 不妨举个实际数值来说明达尔文测量法之不可行. 假设我们需要测量一个离我们几万光年的星体的距离，依照达尔文测量法，我们从地球上发送光子到那个星球. 该星球上的合作者收到我们的光线以后，再发回一个光信号. 等我们收到信号以后，计算光线往返的时间，乘以光速，除以2，就得到该星球离我们的距离. 这里我们得解决几个难题. 首先，谁能够活几万年以完成测量？其次，谁能跑到几万光年以外的某个行星上去活上几万年以接收并发回信号？其三，光线传到几万光年以外的地方，将因为平方反比发散和沿途被宇宙媒质吸收而弱得无法被合作者接收. 技术性的问题还不止这些，但是这已经足够说明达尔文的光线收发机制是一个根本不现实的测量方法. 长度和时间的测量如此，其他物理量如质量和能量的测量就更加和光线的收发扯不上任何关系.

不幸的是，学界许多朋友把达尔文的光线收发机制当作不证自明的必要的测量机制. 对于维护相对论的人们，这是一个常用的诡辩. 如果相对论的批判者也被达尔文误导，承认这种光线的发送和接收是测量时空的唯一合法方法，则无意中承认了相对论维护者制定的游戏规则，因而陷入逻辑循环的迷宫. 阮教授和许多对相对论持批判态度或部分批判态度的学者一样，显然也接受了相对论者的游戏规则，认为“被观测的对象的信息必须借助于一定的媒介，以一定的方式，传递至我们的感官或观测仪器，方能被我们感知或观测”，中了相对论教义维护者的圈套. 这是相对论批判中的又一个比较普遍的误区.

4 观测相对论与爱因斯坦相对论之异同

阮教授提出了一个“广义洛伦兹变换”和“观测相对论”，其思路、逻辑和结构与爱因斯坦的狭义相对论基本相同，结论也差不多. 所不同的是，“观测相对论”中的相对论因子中的光速c被媒介的速度η所取代. 阮教授说：“在广义洛伦兹变换中，光并非唯一可能的观测媒介. 任意物质运动或物质波，如声波、电子流、脉冲磁场、引力波，甚至，被观测对象自身，都能成为观测媒介. ”阮教授的“观测相对论”出产了爱因斯坦相对论的几乎全部系列产品. 用他自己的话说，“广义洛伦兹变换具有与洛伦兹变换完全相同的形式；用观测媒介(M)之速度(η)替代光速(c)，爱因斯坦SR中所有的运动学和动力学关系都能被自然而符合逻辑地推广至观测相对论，其中，最基本的关系式当属速度叠加公式，质速关系，相对性动量定义，以及最为著名的爱因斯坦质能公式E=mc2”.

这里我们注意到的第一个问题是，既然阮教授的“观测相对论”的速度叠加公式和爱因斯坦的一样，也就同样会导致光速不变，甚至更甚. 不仅光速不变，如果用别的媒介观测，其速度叠加公式也会导致声速不变、电子流速度不变等等. 而这，是比光速不变还要荒唐，并且很容易实验证伪的结论. 既然“观测相对论”也逻辑地导致光速不变，就与阮教授的主题“光速并非真地不变”直接相悖. 阮教授的“观测相对论”中的相对性现象，到底是“观测效应”还是物理真实？您不妨以声波为观测媒介，作为例子，得出相应的速度叠加公式、质速关系、相对性动量定义，以及质能公式E=mη2. 这里η是声速. 您对这些结论有解释吗？对这些结论的证伪，应该比对基于光速的相对论的结果证伪要容易得多.

5 关于文风的一点建议

阮教授用了许多英文字头缩写(acronym)，多达十几个(ILS、POL、HOL、IOMS、GLT、OR、LT、GT、LPW、OI、STI、WPD、OPW、PPL、TD、LC等). 文章读起来像读密码，非常吃力. 我引用阮教授的文章时，差不多把所有的缩写词都还原为中文，以方便读者. 大量自创英文缩写字似乎成了近年学界的时尚文风. 中文的表达力非常强，还是应该尽量用中文词语. 如果中文无法表达，也要尽量把英文单词拼写出来. 等到学术界普遍接受了您的理论，某些缩写词也就会自然流通起来. 相对论已经行时一百年了，差不多成了主流物理学界的圣经. 许多相对论中的术语现在都还没有通用的缩写. 学术交流，最要紧的是用最有效最清晰的语言表达您的思想. 在提出新的理论的时候尤其如此.