對(duì)歷史上幾個(gè)與物理學(xué)有關(guān)的重要理論的功與過之反思 － 愛因斯坦的相對(duì)論時(shí)空觀

馬海飛

（ http://blog.sina.com.cn/gfis 2014年11月4日）

愛因斯坦在他的狹義相對(duì)論中提出了一個(gè)與牛頓完全不同的新時(shí)空觀，即“相對(duì)論時(shí)空觀”。相對(duì)論時(shí)空觀就是把時(shí)間與空間視為一個(gè)不可分割的整體，也就是一維時(shí)間加三維空間的“四維時(shí)空”。不僅如此，在愛因斯坦看來，根本不存在牛頓描述的那種絕對(duì)靜止的空間，同樣不存在絕對(duì)同一的時(shí)間。所有時(shí)間和空間都是和運(yùn)動(dòng)的物體聯(lián)系在一起的。對(duì)于任何一個(gè)參照系和坐標(biāo)系來說，都只有屬于這個(gè)參照系和坐標(biāo)系的空間和時(shí)間。因此，相對(duì)論時(shí)空中的時(shí)間和空間都是相對(duì)的。對(duì)于一切慣性系，運(yùn)用該參照系的空間和時(shí)間所表達(dá)的物理規(guī)律，它們的形式都是相同的，這就是“狹義的相對(duì)性原理”。

狹義相對(duì)性原理與伽利略相對(duì)性原理在表面上看幾乎是一樣的，但在時(shí)空觀上卻完全不同。伽利略相對(duì)性原理中的時(shí)間和空間都是絕對(duì)的，而狹義相對(duì)性原理中的時(shí)空是相對(duì)的。

“狹義相對(duì)性原理”是狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本公設(shè)之一。另一個(gè)基本公設(shè)就是“光速不變?cè)怼?。所謂光速不變?cè)砭褪枪庠谡婵罩械膫鞑ニ俣扰c光源以及觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均無關(guān)系。無論光源和觀察者的運(yùn)動(dòng)速度是多大，光速總也不變。也就是說光速與光源和觀察者的運(yùn)動(dòng)速度之間不存在伽利略相對(duì)論中的那種速度疊加的關(guān)系。

從狹義相對(duì)論中得出了時(shí)間膨脹、長(zhǎng)度收縮以及相對(duì)論質(zhì)量等結(jié)論。同時(shí)也產(chǎn)生出雙生子悖論等問題。

然而，時(shí)空到底是什么？為什么時(shí)空是相對(duì)的？等等這類問題愛因斯坦卻沒有從物理存在上做出任何解釋。筆者在此之前的文章中指出，愛因斯坦的理論在本質(zhì)上都是哲學(xué)理論。這就是愛因斯坦不能對(duì)他理論相關(guān)的問題從物理存在上做出解釋的原因。

愛因斯坦的“相對(duì)時(shí)空”等等都是一些抽象的概念，是精神世界里的產(chǎn)物。愛因斯坦就是用這些抽象概念進(jìn)行哲學(xué)思辨式研究的。得出的結(jié)論也都是哲學(xué)的。所以，愛因斯坦的理論中描繪的物理過程基本上都是自然界不存在的。例如，時(shí)間膨脹，長(zhǎng)度收縮和物體質(zhì)量隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加而增加等等。這些哲學(xué)上的結(jié)論就像亞里士多德做出的太陽圍繞地球轉(zhuǎn)的哲學(xué)結(jié)論如出一轍。這些結(jié)論對(duì)科學(xué)研究造成了很大的混亂。

盡管如此，哲學(xué)理論對(duì)科學(xué)研究來說并不是沒有參考價(jià)值。凡是存在的就一定是有其一定道理的。愛因斯坦的相對(duì)論時(shí)空觀雖然不是一個(gè)來自科學(xué)研究的觀點(diǎn)，但是，我們不能否認(rèn)這個(gè)觀點(diǎn)所包含的內(nèi)容是有參考價(jià)值的。

愛因斯坦的相對(duì)論時(shí)空觀難以理解的原因就是他沒有講清楚時(shí)空在自然世界中的本質(zhì)是什么。他只給出了一個(gè)精神世界里抽象的概念。那是因?yàn)閻垡蛩固棺约阂膊恢揽陀^存在的時(shí)空是什么。實(shí)際上，只要我們知道了自然世界中客觀存在的時(shí)空是什么，所有與時(shí)空有關(guān)的問題都會(huì)迎刃而解。

今天我們已經(jīng)知道，物質(zhì)同時(shí)具有實(shí)體與場(chǎng)這兩個(gè)存在形式完全不同的基本自然屬性。具體來說就是每個(gè)物體都具有質(zhì)量與質(zhì)量場(chǎng)。質(zhì)量場(chǎng)所具備的就是空間屬性。因?yàn)榈厍蛴械厍虻馁|(zhì)量場(chǎng)，月球有月球的質(zhì)量場(chǎng)。每個(gè)質(zhì)量場(chǎng)的強(qiáng)度各不相同，而質(zhì)量場(chǎng)強(qiáng)度恰恰與時(shí)間的快慢相關(guān)。質(zhì)量場(chǎng)既具有空間的性質(zhì)，又與時(shí)間有關(guān)。因此，質(zhì)量場(chǎng)實(shí)際上就是愛因斯坦所說的那個(gè)時(shí)空。地球的質(zhì)量場(chǎng)就是地球的時(shí)空。月球的質(zhì)量場(chǎng)就是月球的時(shí)空，太陽的質(zhì)量場(chǎng)就是太陽的時(shí)空。因此，把時(shí)空說成是相對(duì)的一點(diǎn)問題都沒有。

由此可見，愛因斯坦的相對(duì)時(shí)空的觀點(diǎn)是有一定道理的。只可惜愛因斯坦自己也不知道他說的時(shí)空在自然世界里是什么以及為什么時(shí)空會(huì)是相對(duì)的。因此，他就搞不清楚光速與時(shí)間和空間是什么物理學(xué)上的關(guān)系。結(jié)果把光速看成是不變的，把時(shí)間和空間看成是可變的。于是就出現(xiàn)了時(shí)間膨脹和長(zhǎng)度收縮等錯(cuò)誤的結(jié)論。

關(guān)于時(shí)間膨脹的問題，如果用生物學(xué)上的例子來解釋的話，那么愛因斯坦的做法就好像是把“一生”作為一個(gè)不變的量（相當(dāng)于相對(duì)論中的“光速”），把生命周期長(zhǎng)度作為一個(gè)相對(duì)時(shí)間對(duì)待。比如說，小鼠一生的平均壽命是4年，人的平均壽命是80歲。那么，人的一生是一生，小鼠的一生也是一生。用相對(duì)論的方式，一生是絕對(duì)的的。人的一生等于小鼠的一生。 小鼠是按照小鼠的相對(duì)時(shí)間度過一生的，人是按照人的相對(duì)時(shí)間度過一生的。因此，時(shí)間都是相對(duì)的。這樣，小鼠的4年就相當(dāng)于人的80年。 。

很顯然，這樣的相對(duì)性比較是非常容易產(chǎn)生混亂的。這就是為什么人類要制定一個(gè)國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的原因。我們現(xiàn)在用來計(jì)時(shí)的時(shí)間都是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。用這個(gè)時(shí)間作為一個(gè)絕對(duì)不變的參照標(biāo)準(zhǔn)來衡量所有物理過程變化的快慢（即速度）。所以，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是國(guó)際統(tǒng)一的一個(gè)度量衡，是絕對(duì)不可變的。如果可變的話，時(shí)間就失去了它物理學(xué)的意義。因?yàn)橛辛诉@樣一個(gè)國(guó)際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，我們才可以把小鼠的壽命說成是4年，把人的壽命說成是80歲。把每個(gè)天體上不同的相對(duì)時(shí)間換算成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

而相對(duì)論擾亂物理學(xué)秩序的一個(gè)做法就是把時(shí)間作為可變量使用，把光速作為不變量使用。然而，具有諷刺意義的是，在愛因斯坦的所有計(jì)算公式中，涉及到時(shí)間以及與時(shí)間有關(guān)的物理量（例如物體的運(yùn)動(dòng)速度）時(shí)，公式里使用的時(shí)間都是國(guó)際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，而不是可以膨脹的相對(duì)時(shí)間。因?yàn)榭勺兊臅r(shí)間是不具有物理學(xué)意義的。相對(duì)論為了讓它的計(jì)算結(jié)果具有物理學(xué)意義，就不得不使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，而不能使用那個(gè)可以膨脹的相對(duì)時(shí)間。與此同時(shí)，光速依舊作為不變量使用。例如，在計(jì)算水星軌道的時(shí)候使用的是我們地球上的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，而不是水星的相對(duì)時(shí)間，也不是由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生出來的膨脹時(shí)間。但這也導(dǎo)致了這個(gè)理論自身內(nèi)部的相互矛盾。所以說，相對(duì)論并不是一個(gè)真正的科學(xué)理論。

讀過本系列前面幾篇文章的讀者都知道，亞里士多德和愛因斯坦對(duì)自然的認(rèn)識(shí)手段都一樣是哲學(xué)的，而不是科學(xué)的。從哲學(xué)研究中得到的結(jié)論只能做為參考，不能作為下一步深入研究的依據(jù)。參考的方法就是對(duì)哲學(xué)結(jié)論進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。例如，在亞里士多德從日出日落現(xiàn)象中得出太陽圍繞地球轉(zhuǎn)的結(jié)論后，接下來的做法不是象托勒密那樣把地心說作為依據(jù)使用，而是應(yīng)該針對(duì)地心說對(duì)自然現(xiàn)象做出的解釋仔細(xì)研究看看是否還有其他天體的運(yùn)轉(zhuǎn)方式也會(huì)產(chǎn)生出同樣的現(xiàn)象。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)也能產(chǎn)生出太陽圍繞地球轉(zhuǎn)一樣的效果時(shí)，就必須到自然世界中去確認(rèn)一下，看看我們見到的自然現(xiàn)象到底是由太陽圍繞地球轉(zhuǎn)產(chǎn)生的還是由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。

同樣道理，愛因斯坦的理論也都是哲學(xué)理論。當(dāng)愛因斯坦提出相對(duì)論時(shí)空觀之后，我們應(yīng)該把這個(gè)觀點(diǎn)作為參考而不是依據(jù)使用。參考的方法與上面講的一樣，到自然世界里找找看什么樣的客觀存在可以讓時(shí)間和空間成為一個(gè)整體，并且具有相對(duì)性等等。而不是停留在抽象的概念層面上做進(jìn)一步的研究。只有從哲學(xué)走回到科學(xué)，哲學(xué)結(jié)論對(duì)科學(xué)才具有參考價(jià)值。