相對論長度縮短效應的真實性

吳力航

摘要

長度縮短效應的真實性與否一直是存在爭論的問題。從絕對速度Ｊ的物理意義出發(fā)，本文對相對論長度縮短效應作了討論，并與洛倫茲觀點、愛因斯坦觀點進行了對比分析，指出了，在僅有普通速度軸的條件下，這個關于長度縮短效應的爭論可能是爭論不清楚的。因為在這條我們已經習以為常的速度軸上，實際上可能并不存在具有絕對性物理意義的“靜止”。在一個沒有靜止端點的速度軸上來討論長度縮短效應的真實性，只能是象愛因斯坦指出的那樣，長度縮短是不真實的、它只是一種“測量結果”。

本文認為，運動物體的長度縮短是真實的。就象物體獲得一定的宏觀運動速度是由于它由外界獲得了一定的動力學功的結果一樣的真實。但是這個縮短值在普通速度軸上來計算，其計算結果是錯誤的，是偏大了的。另外，這個真實的長度縮短是隨著物質的不同而不同的，并不是象人們通常認為的那樣是一種與物質無關的效應。只有在具有物理實在意義的靜止點的Ｊ軸上來計算物體的長度收縮，計算值才可能是真實的。同時，本文的討論指出：相對論長度縮短公式其實僅僅是對于“理想氣體”和“理想晶體”那樣的極端的物質狀態(tài)的精確計算公式。對于一切實際物質，它的計算值都將偏大。這就是歷史上為什么關于長度縮短的測試值遠小于相對論公式計算值的原因。

主題詞：長度縮短效應；絕對靜止；絕對速度；物理絕對靜止

引言

　　在關于運動物體在運動方向上的長度縮短效應的認識上，洛倫茲理論和愛因斯坦相對論存在著極不相同的看法。洛倫茲認為，長度縮短肯定是由于運動而引起的收縮，這種縮短是真實的而且是受分子力影響所造成的。愛因斯坦則認為，長度縮短并非真實存在，是人為選擇參照系所形成的“測量結果”。爭論以相對論占據了上風而告一段落，但至今并未真正終結。在此，利用本人在《一條貫通熱力學和動力學的橋梁》文中提出的Ｊ模型，對這個問題作一討論。

第一節(jié). 由對“長度縮短效應”的認識看洛倫茲理論、愛因斯坦相對論、Ｊ模型理論的異同

由Ｊ模型的建立過程不難看出，Ｊ模型也認為這種長度縮短是一種真實的物理效應、是“看得見”的情景。從這個意義上講，接近洛倫茲的觀點。但必須清楚的是，它并不是洛倫茲觀點的簡單承接，而是與之存在著從認識觀直到具體計算值上的區(qū)別。在認為物體對環(huán)境吞吐的能量相等所引起物體時空（Ｊ值）的移動量就相同的認識下、即認為物體的Ｊ值與它的能量狀態(tài)有著一一對應的關系的認識下，不難理解，這種長度縮短效應是真實的。它表現為物體Ｊ值發(fā)生的變化和與外界（環(huán)境）能量吞吐量的大小。在能量吞吐量相等的意義下，一個物體在運動中表現出對靜止觀察系的長度縮短，與在同一觀察系中所看到的當它靜止時由于受力而發(fā)生的彈性壓縮變形同樣是等價而且真實的。

波爾在關于互補原理的闡述中，針對實際觀察結果與客體本身的時空因果過程之間的關系，提出了如下的認識觀：所謂“觀察現象”實際上是被觀察的客體與儀器相互作用的整體表現。由于最小作用量子的不可分性，我們不可能從現象中最終區(qū)分客體本身的行為和客體與觀察儀器之間發(fā)生的相互作用，不可能象在經典理論的試驗中那樣把后者忽略掉。普利高津也認為，由于測量過程本身只能是一個不可逆過程，因而會有相應的熵產生(entropy production)，所以測量的精度只能是一個有限值。而且，這個熵產生顯然是與被測客體本性有關的量，是不可與客體的性質分割開來的。這種情況就象我們在對某物體的質量大小進行判定時，是基于了對它的重量的測量值來認定的，而這個測量值顯然會隨著測量的具體方法、測量的地點的不同而不同。實際上我們永遠也無法真正獲知它的那個超乎于測量結果之外的“質量”究竟是多大。但是在我們的全部需求中除了這個由測量而獲知的“質量”值之外并無它求。因此這個關于質量的測量值本身就是唯一真實并有物理實在意義的物質存在。

愛因斯坦認為長度縮短只是一種測量結果，并不是真實的物質存在。這是將測量結果與客體本身性質分而置之而產生的認識，也正是愛因斯坦歷來堅定地追求自然界的真實本源的科學精神的充分體現。作為一種哲學意義上的純認識而言，是正確的，但是作為一種指導具體運用的理論認識而言，是沒有實際意義的。這是因為在與我們密切相關的那個“世界”里，全部所有的只有這個“測量結果”。洛倫茲的認識觀點則賦予了這個測量結果以超乎測量的絕對性意義。這是因為他是站在一個“絕對靜止”的“以太”參照系上來看這個測量結果的，因此他自然會將這個長度縮短效應具體到分子力的相應改變上來。但是，歷史上對于運動物體的一切關于分子力變化的測試，如１９０２年和１９０４年瑞利等人所做的關于水和二琉化碳透明體的雙折射現象的測試卻給出了否定的結論，并成為了狹義相對論誕生的有力動力之一。（由于他們所基于的速度軸是普通速度軸，而沿著這條普通速度軸其實可能是永遠也到達不了絕對靜止的。因為在這條純運動學意義下的速度軸上不存在絕對靜止！或者說要想從實驗上確定純運動學意義上的絕對靜止是一件及其困難的事情。很可能那個靜止點實際上就是個漂移不定的點。從不同時期對宇宙背景微波幅射的各向異性的測定得出了不同的結果有可能說明了這一點。）

　　應該認識到的是，這種試驗的否定結論并不能真正否定長度縮短效應的真實性�；蛘哒f，在我們的手頭僅有一條普通速度軸的限制下，以分子力那樣具體的物理參量來作為描述長度縮短效應真實性的物理參量是片面的，是無法反映這種真實性的。正如波爾在敘述互補原理時采用的“黎曼面”比喻一樣，“所謂黎曼面是一套有許多個葉面的復數平面，一個多值復函數的不同值設想為表明在不同的葉面上，每個葉面上的函數是單值的。必須把所有葉面上的情況都全部考慮在內才能全面、真實地理解整個函數。當進行具體計算時不要不自覺地從一個葉面滑到另一個葉面上去。不同的葉面是不能相互比較的”。把長度縮短效應歸結到分子力或者是物體的“方向密度”的改變上來就是由“某個葉面”去解釋“整個函數”而形成的偏見。

　　那么，長度縮短效應的那個“整個函數”又是什么呢？回答是：是物體的能量狀態(tài)！能量是一個最基礎的物理量，一切所謂的物理效應最終都可以歸結到物體的能量狀態(tài)的改變上來。相對論指出的運動坐標系中的長度縮短、時鐘變慢效應，實際上表達了這樣一個事實：此時該運動系與外界交換能量的速率用靜止系中的“眼光”來看是變慢了。即該運動系此時與外界的能量交換速率比宏觀靜止時變小了。當運動系的速度達到光速時，系中一切過程的能量變化速率都變成了無限慢━━能量狀態(tài)不再進一步變化。因而從時間上來考察表現為過程無窮長(時間無限慢)；從空間上來考察表現為能量狀態(tài)處處相同(空間尺度縮為了一個點。因為只有點才會具有“處處相同”的屬性)。所以，關于物質狀態(tài)的準確表述是它們的能量狀態(tài)及其變化速率，而其它的那些物理量，如時間、長度、密度、力等等作為單個的物理量，一般只不過是表現了物質體系的能量狀態(tài)的某一個方面而已，它們是那個“整個函數”中的一個具體的“葉面”。僅由它們的單獨變化常常是不能足以說明體系的全部真實情況的。力和速度等物理量本身都不是能量，它們只是構成能量因子的一個方面，一般也與能量(包括熱量在內的廣義的能量)不存在著一一對應的關系。因此僅僅根據它們是無法準確說明體系的真實狀況的。

普通速度軸上的物體運動速度ｕ與包括熱量在內的物體總能量狀態(tài)不存在一一對應的關系，它也只不過是構成體系能量狀態(tài)的一個“葉面”而已。但是，當速度的含義擴展為與物質結構直接相關的絕對速度Ｊ以后，由于物質結構與它的能量狀態(tài)有著一一對應的關系，因此Ｊ也就獲得了宏觀速度ｕ所沒有的、對體系能量狀態(tài)作唯一表述的地位和功能。事實上，使一個物體由宏觀靜止狀態(tài)變成具有一定的宏觀運動速度的狀態(tài)，是由于外界環(huán)境向它輸入了一定的能量（動力學功）的結果，這顯然是真實的。因此，它在運動中對環(huán)境（靜止系）表現出來的“測量結果”也應該是環(huán)境對它輸入的那個能量產生的效果的真實反映，也就是它此時的能量狀態(tài)的真實反映。物體與環(huán)境之間發(fā)生了交換的那個能量的真實性決定了長度縮短效應的真實性。由此我們看到了長度縮短效應的Ｊ模型表述與洛倫茲表述和愛因斯坦表述都分別有著不同之處。

另外，洛倫茲理論關于時空的變換與相對論時空變換有一個本質的差別。洛倫茲的變換和它的反變換是一組不對稱的變換；而相對論變換是一組對稱的變換。不難理解，這種本質的差別來源于關于“靜止”的認定。洛倫茲的變換是基于了一個絕對靜止的以太系而言的，因此它的變換是不對稱的。相對論變換是基于了一個相對靜止的“最優(yōu)慣性系”而言的。由于這個靜止是相對的、不定的，與任何其它的運動狀態(tài)毫無本質的不同，因此它的變換與反變換必然是具有相同的物理意義的，因而必定是對稱的。所以說它是基于相對靜止的正確變換。Ｊ軸的靜止點在不可超越的真實的物質狀態(tài)點上，因此，對于Ｊ軸而言時空變換的反變換沒有絲毫的實際物理意義。但也正是因為這個特點使得由Ｊ軸而產生的描述和判斷具有了真實的性質。由這個特點還可以理解為什么由絕對速度的意義來看長度縮短效應更為接近洛倫茲的觀點。因為由一個絕對的參照點去看一個自然現象所得出的判斷只有可能是認為“它是真實的”，這是一種自然而然的邏輯結果。遺憾的是，洛倫茲所基于的“絕對”參照點本身是不真實的，因而他的判斷是失實的。當然，他的理論計算值與實際物理測量結果不相符還有著另外一個重要的原因（詳見下一節(jié)的敘述）。

關于這個長度縮短效應的問題，目前在理論物理學界仍然存在著爭論。有相當一部分物理學家認為，宇宙學的最新發(fā)現要求回到絕對時空觀念。如著名物理學家狄拉克對此做出的評論：“以太觀念并沒有死掉，它只不過是一個還未被發(fā)現有什么用的觀念，只要基本的問題仍未得到解決，必須記住這里還有一種可能性．．．．．．。從某種意義上說，洛倫茲是正確的而愛因斯坦是錯誤的，因為愛因斯坦說過的一切，是當時的物理學不可能觀測到絕對的零速度。”今天，我們可以理解了，僅基于一條普通速度軸 ,是無論如何也爭論不清楚長度縮短效應究竟是否真實的問題的。這正是在這個問題上長期以來一直存在著不同觀點的原因。我們將會看到，在絕對速度Ｊ的認識下，以太觀念有可能會找到巨大的應用意義。

愛因斯坦所基于的是一個相對靜止的靜止點，由于靜止點的相對性，由它所產生出來的判斷也是相對的、不定的。正是由于這種不定性，愛因斯坦只能認為長度縮短是不真實的，僅僅是一種測量結果。那么，長度縮短效應是否是真實的呢？結論是肯定的！因為它正是此時運動物體的能量狀態(tài)對靜止觀察系的真實體現。由Ｊ軸上的真實的絕對靜止點來看，把普通速度軸上的長度縮短效應通過能量吞吐量的測定或相應的數學換算變換成Ｊ軸上的長度縮短時，這種長度縮短就將會重新獲得洛倫茲提到了但沒有獲得的真實性。即，把長度縮短公式中的速度ｕ換成Ｊ后計算出來的縮短量才是與能量的吞吐量同樣真實的縮短值。可見，Ｊ模型關于長度縮短的表述與洛倫茲的表述有著本質的區(qū)別，但又同時撥開了愛因斯坦認識觀所形成的迷霧。易于想見，這個長度縮短效應真實性的重新獲得就掃清了運動和靜止、熱力學和動力學統(tǒng)一的最大障礙。使得熱力學和動力學可以真正達成從認識觀到具體技術方法上的貫通。

第二節(jié). 物理絕對靜止和長度縮短效應的真實性

　　從本質上看，關于長度縮短真實與否之爭其實就是關于速度軸上的靜止點的物理意義之爭。因為關于這一點的認識直接關系到狹義相對論的“不存在絕對的參照系”，和當今仍然存在的另一種認識觀認為的“以太參照系是真實存在的”這兩種截然相反的觀點究竟誰更具合理性的問題。要想回答清楚上述問題，就必須回答：宇宙中是否存在具有物理實在意義的“絕對靜止”、這個絕對靜止有著什么樣的物理性質？

本人在另一篇文章《熱力學系統(tǒng)與相對論》中推導出了熵Ｓ和絕對速度Ｊ的關系式，進而令Ｊ＝１，就由關系式得到了一個僅由物理常數構成的、關于熵Ｓ的常數項K0。顯然，它也是一個物理常數。

                          　　　　　　　　　　　　　　　  K0 =Ｒlnｃ

                             　　　　　　　　　　 　　　　　 =8.31(ln3+8ln10)         　　　　　　　　　        (１)

                              　　　　　　　　　　　　　　　 =162.2(焦耳/開·摩爾)

式中Ｒ是氣體常數；ｃ是真空中的光速。

　　K0是當絕對速度Ｊ=１(米/秒)時的單位克式量物質的熵值。由于K0是與具體物質無關的物理常數，并且由(1) 式可見，此熵值十分巨大，因此它表現了所有的物質這時都處于完全相同的狀態(tài)──極稀薄的氣體（理想氣體）。用這種Ｊ=１的物質狀態(tài)來代替絕對速度軸上的Ｊ=０的絕對靜止點，就賦予了“絕對靜止”更加明確的、具有理想氣體的物理實在的意義。(原來的Ｊ=０的絕對靜止，是實際無法達到的物質狀態(tài)。)這樣，除了在光速端我們已有了的，Ｊ=ｃ(Ｔ=０)時的標準物質狀態(tài)──理想晶體以外，我們又在絕對速度軸的靜止端一方找到了另一個表現了絕對靜止的標準物質狀態(tài)點。并將這個由Ｊ=１表示的靜止稱為“物理絕對靜止”�？梢哉J為，宇宙中存在著２.７Ｋ的宇宙背景微波幅射可以作為這個物理絕對靜止的實驗根據和物質基礎。由此我們就獲得了一條由Ｊ=１的物理絕對靜止端到Ｊ=ｃ的光速端的絕對速度軸了。所以說，宇宙中確實存在著具有物理實在意義的絕對靜止，但那不是經典理論中僅僅從運動學意義上認定的那個絕對靜止！它并不是僅具運動學意義的速度軸的起點，而是與物質結構相對應的絕對速度軸Ｊ軸的起點。

既然認為長度縮短是真實的，那么它到底真實到什么程度呢？洛倫茲認為真實到物體分子間作用力的改變，那么為什么實驗測試結果會與理論計算出現巨大的偏差呢？從現有的僅具運動學意義的普通速度軸上來討論上述問題可能是百思不得其解的。而從絕對速度軸上來分析將會使我們得到清晰的概念和判斷，因為Ｊ是直接與物質結構、即“分子力”直接相關的物理量。宏觀運動速度ｕ只不過是引起物體的Ｊ值發(fā)生變化的諸因素中的一個而已(溫度Ｔ的變化也會引起物體Ｊ值的變化)，并且ｕ對Ｊ的影響也不是一一對應的線性關系，而是非線性的相對論速度變換法則的關系，ｕ只是通過對Ｊ的影響而與長度收縮量相關聯的。因此，只有將相對論長度縮短公式放到Ｊ軸上來考察才能得到關于長度縮短的真實信息。下面，讓我們來進一步討論一下。

假定某物質的物體宏觀靜止時的絕對速度是J0，原始長度是L0 。在與L0平行方向上的宏觀運動速度ｕ的作用下，該物體的絕對速度就變成了Ju 。 Ju和J0的關系由速度變換法則(2) 式給出

                                　　　　　　　　 　　　                                                       (２)

該物體在ｕ的作用下的真實長度收縮后的值Ｌ為

  　　　　                                      　　             (３)

結合(2) 、(3) 兩式不難看出，在J0 =０和J0 =ｃ這兩種情況下，(嚴格地講，J0 =０應該是指J0 =１的物理絕對靜止，因為在J0 =０時Ｌ0 是沒有物理實在意義的無窮大。)由(2) 式看出，此時的Ju與ｕ無論在物理意義上還是在量值上都完全相等。因此，在這兩種情況下，(3)式與狹義相對論長度縮短公式完全相同。由于J0是物體處于宏觀靜止時的絕對速度值，它同時還表示了此時物質的狀態(tài)，因此上述分析使得我們恍然大悟：原來狹義相對論的長度縮短公式僅僅只是關于J0 =０的理想氣體、和J0 =ｃ的理想晶體這兩種理想物質的長度縮短量的真實有效的描述。而對于一切實際物質的物體，相對論長度縮短公式本身都是存在著偏差的！所以，真正可疑的可能并不是長度縮短效應是否真實，而是產生這種判斷的根據━━相對論長度縮短計算公式本身是否合理的問題。現在，我們將問題放到Ｊ軸上來，并把(2)、(3) 式結合起來考察，由此來分析一下實際測量與理論計算存在巨大偏差的原因。

由于幾乎一切我們能接觸到的實際物質都是處于遠離J0 =０和J0 =ｃ的中間狀態(tài)的，因此在這種情況下，表現了真實的相對論長度收縮量的公式(3)與傳統(tǒng)的相對論長度縮短公式必定會出現偏差。當J0 ＞0 以后，由(2) 式看出，Ju 與ｕ就出現了偏差，因此由(3)式計算出的長度縮短量與以ｕ為參量的狹義相對論長度縮短公式的計算值就出現了偏差。對于任何一個ｕ值而言，與之對應的Ju值都將偏小，并且偏差程度隨著J0的增大而增大。當J0等于某個臨界值J0* 時，這種偏差處于最大值。隨后，隨著J0的進一步增大Ju與ｕ的偏差又重新縮小，最后在J0 =ｃ時Ju與ｕ又重新相等了。另一方面，僅從宏觀運動速度ｕ的影響來看，情況也完全類似。對于一個具有某個確定的J0值的物體，同樣存在著與上面相同的Ju與ｕ的偏差隨著ｕ值的大小而變化的規(guī)律，也同樣存在著一個臨界的u*點，在這個點處Ju與ｕ的偏差取得最大值，并在ｕ=ｃ時(3)式也與傳統(tǒng)的相對論長度縮短公式完全相等了。

由以上敘述不難明了，對于任何實際物質，由于它們都具有遠大于零又遠小于ｃ的J0值，因此它們實際獲得的長度縮短值將恒小于根據狹義相對論長度縮短公式得出的計算值。并且看出，僅用一個公式(象在狹義相對論中那樣)，是無法算出實際物體的真實長度縮短的。要想計算實際物體的真實長度縮短必須是同時采用上述的(2)和(3)兩個式子�，F在，可以理解由瑞利等人所作的，驗證洛倫茲長度收縮理論的實驗為什么會得出遠小于理論計算值的實驗結果了。因為他們所采用的那些被測物質的實際收縮值確實是遠小于“理論”計算值的！事實是，可能他們的實驗結果是正確的, 而恰恰理論計算結果卻可能是錯誤的！因此愛因斯坦關于“長度收縮效應不真實”的判斷是錯誤的；而洛倫茲的判斷則是片面的�？梢灶A想，如果改進實驗方法和進一步提高實驗精度，是應該可以測出由(3)式所表示的物體真實長度縮短效應的。

(3)式還指出了，長度縮短量的大小實際上是隨著物質的不同而不同的。從這個意義上講，狹義相對論是采用了一個萬物同一（理想氣體和理想晶體）的長度縮短量來針對一種因物質而異的真實物理效應進行的描述，因而反而掩蓋了這種真實性。發(fā)生這種情況的主要原因是因為相對論是在一個“毫無特別靜止意義”的宏觀靜止點上來看長度收縮效應的。在這樣的靜止點上，各種物質的特性仍然是千差萬別的。一個質量為m的物體由宏觀靜止到獲得了大小為ｕ的宏觀運動速度，從而表現出對靜止系的長度縮短，是由于它由環(huán)境吸收了EK =1/2(mu2)功的結果。對于都獲得了相同的運動速度ｕ，因而吸收了相同的功的不同物質的物體，顯然只能由不同大小的材料彈性收縮量來對應這個相同的能量獲得。或者說，不同物質的物體是以不同的宏觀尺度縮短來獲得相同大小的運動動能的，這種差別是由它們的本性差別所決定的。由此可見，由Ｊ軸上去觀察一個運動物體使我們看見了它的真實長度縮短，這種縮短的真實性又通過Ｊ軸在靜止狀態(tài)下對問題描述的等效性而真實地表現到靜止問題中來了。

結論

　　運動物體的長度收縮是一種真實的物理效應，但是僅由普通速度軸上是看不出這個真實性的。必須在絕對速度軸Ｊ上來考察才能計算出它的真實收縮量。并由此看到，相對論長度縮短公式其實僅僅是關于理想氣體和理想晶體的精確計算公式。對于一切實際物質的物體，它的計算值都是偏大的。