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质证狭义相对论的实验证据(1)

2019-10-06 19:47阅读:
质证狭义相对论的实验证据(1)
李子 李晓露
摘要 本文介绍了狭义相对论主要原理和证实狭义相对论原理的实验。对验证狭义相对论的几个著名实验,迈克耳-莫雷实验、飞行μ寿命增长和环球飞行原子钟速率减慢实验、多普勒效应等实验证据进行质证和反驳。
本系列文章证明了狭义相对论的两条基本假设、钟慢效应、多普勒效应、质能关系、力学基本方程、质速关系、洛伦兹坐标变换公式4)都是假原理,不可能为真。由此彻底否定了
狭义相对论。
键词 狭义相对论 洛伦兹坐标变换
1.前言
由百度百科“狭义相对论”可得:“狭义相对论(Special Theory of Relativity)是阿尔伯特·爱因斯坦1905年发表的题为 《论动体的电动力学》一文中提出的区别于牛顿时空观的新的平直时空理论。狭义表示它只适用于惯性参考系。这个理论的出发点是两条基本假设:狭义相对性原理速不变原理。理论的核心方程式是洛伦兹变换(群)(见惯性系坐标变换)。狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有的一些新效应(相对论效应),如时间膨胀、长度收缩、横向多普勒效应质速关系质能关系等。狭义相对论已经成为现代物理理论的基础之一:一切微观物理理论(如基本粒子理论)和宏观引力理论(如广义相对论)都满足狭义相对论的要求。这些相对论的动力学理论已经被许多高精度实验所证实”。
本文指出:上面百度百科作者所言的相对论的动力学理论被许多高精度实验所“证实”,这只是该作者选了能证明狭义相对论真实、正确的一面进行了实验解读。而对于这些证据不充分、与客观事实不符的另一面情况,却闭口不谈。也许作者根本不知道这些证据还能否证狭义相对论。
下文对狭义相对论的几个著名实验证据进行质证,并进行举证反驳。
2.引用世界已公认的公式(原理)
21狭义相对论的基本假设[1]
a:不论是相对作均匀运动的两个坐标系中哪一个来说,物理体系状态变化所遵循的定律是不受影响的。
b:“静止”坐标系中所有光线都以确定速度c运动,不论光线是由“静止”物体还是由运动物体所发出的。
22狭义相对论的洛伦兹坐标变换公式[1][2][3]
x′=x-ut÷二次根号(1-u^2÷c^2 1
y′y 2
z′z 3
t′=
t-ux÷c^2÷二次根号(1-u^2÷c^24

其中u为相对运动速度,c为光速。
23狭义相对论的相对运动钟慢效应[1][2][3]
t2-t1=t2-t1÷二次根号(1-u^2÷c^2) (5
24狭义相对论的质速关系公式[1][2][3]
m=m÷ 二次根号(1-u^2÷c^2 6
其中m是相对运动质量,m。是静止质量,u是相对速度,c是光速。
25狭义相对论力学的基本方程[[1][2][3]
F=d(mu)/dt 7
uc时,(7)公式近似牛顿第二定律:F= ma
26狭义相对论的质能关系公式[1][2][3]
E=m×c^2 8
27狭义相对论的“棒长缩短”公式[1][2][3]
L′= L×二次根号(1-u^2÷c^ 9
3.实验证据
3.1光速不变的实验
由百度百科“狭义相对论”可得:“光速不变的实验
首先,同光速不变原理有关的大量实验已经证明,真空中光速同光源的运动速度和惯性运动状态无关。定量的测量表明,真空中平均回路光速с是一个常数,约为每秒30万千米(с的精确测量值见基本物理常数)。这类实验中,最著名的是迈克耳-莫雷实验。这个实验是在相对论出现之前很久的1881年首先由迈克耳完成的。1887迈克耳E.莫雷又用干涉仪以更高的精度重新做了观测。这个实验的目的是测量地球相对于以太的运动速度。但实验结果同以太论的预言相矛盾。狭义相对论建立之后,这个实验就被看成是光速不变原理和狭义相对性原理以及否定以太论的重要实验基础。还要说明一点,现有的实验(包括迈克耳-莫雷实验)并没有证明光速是否同方向无关。引入光速同方向无关的假定是为了定义不同地点的事件的同时性,在没有其他方法确定这种同时性之前,光速是否同方向无关是无法用实验判断的。”
本文指出:迈克耳E.莫雷实验仅证明了光在地球坐标系X轴、Y轴方向速度为c,既使旋转干涉仪,改变光在空间的传播方向,同一束光在干涉仪两臂(X轴、Y)速度始终为c,无光程差,因此,无干涉条纹移动现象。
因该实验证据并未证明光在所有坐标系或非地球坐标系(包括太阳坐标系)速度都为c。所以该实验的事实证据与其证明的基本假设b(结论)不存在充分条件关系,属于证据不充分,或称证据不足。
因此,迈克耳E.莫雷实验证据并未证明在所有坐标系狭义相对论的基本假设b都真实、正确。以地球坐标系实验结果就认定基本假设b在所有坐标系都成立的观点,在逻辑学犯了“以偏概全”的逻辑错误。
3.2光速不变原理(狭义相对论的基本假设b)的反驳(证伪)
举证1:在同步卫星上进行测量光速实验
用反证法。即假设狭义相对论是真实的原理(真理),证明用其推出的结论会产生矛盾或与事实不符,从而否定假设的证明方法。这是证明数学定理常用的方法(如著名数学定理《哥德尔不完全性定理》[4]的证明),也是逻辑学的主要论证方法。
由百度百科“同步卫星”可得:卫星公转周期与地球自转周期相同的称地球同步卫星,亦称24小时同步卫星。地球同步卫星是人为发射的一种卫星,它相对于地球静止于赤道上空。从地面上看,卫星保持不动,故也称静止卫星,从地球之外看,卫星与地球以相同的角速度转动,角速度与地球自转角速度相同,故称地球同步卫星。在平常的计算中,我们认为这是匀速圆周运动,运转周期约为24小时,地球同步卫星距赤道的高度约为36000千米,线速度的大小约为每秒3.08公里。
定理1:狭义相对论不可能是真实的原理。
证明:用反证法。
假设狭义相对论是真实的原理(真理)
狭义相对论的基本假设b是狭义相对论的内容之一,则根据假设可得:狭义相对论的基本假设b也必然是真实的原理。
现从地面向同步卫星A发射一个光脉冲r,求光脉冲r在地球坐标系和A坐标系的速度?
解:有2个自相矛盾的答案。
答案一:根据狭义相对论的基本假设b可得:光脉冲r在地球坐标系和A坐标系的速度都为c
答案二:在地球坐标系,已知光脉冲r的位移y=36000千米。光脉冲r速度在地球坐标系测量值为c。光脉冲r从地面到同步卫星A所需时间t=y/c。则r在地球坐标系速度v=y/t=c
然而,在同步卫星A坐标系,已知光脉冲rY的位移y′y=36000千米。光脉冲r从地面到同步卫星A所需时间为t′AX轴方向相对地球线速度大约为每秒3.08公里。狭义相对论的钟慢效应(5)可得:t′t慢,即t′小于t。光脉冲r在同步卫星A坐标系的平均速度v=y′/t′,则v′>c
v′c,由此可得:光速不变原理(狭义相对论的基本假设b)在同步卫星A坐标系不可能成立。并且,由此可得狭义相对论的基本假设a也不可能成立。
因此,本文定理1的假设不可能成立。即狭义相对论不可能是真实的原理。
本定理证毕。即反驳(证伪)完毕。
3.3狭义相对论的相对运动钟慢效应实验
由百度百科“狭义相对论”可得:“直接的实验验证包括飞行μ寿命增长和环球飞行原子钟速率减慢”。
本文指出:其它原因也可能导致此现象,如高空温度低也可能导致μ寿命增长;飞行原子钟是运动导致钟变慢而时间并未变慢,等。
就算是相对运动坐标系时间事实上变慢,这两个实验也只证明了相对地球运动的坐标系时间变慢,并未证明在非地球坐标系(μ坐标系)中,相对μ坐标系运动的地球坐标系的时间变慢。这两个实验的证据与其证明的狭义相对论的钟慢效应公式(结论)并不存在充分条件关系,也属于证据不充分,或称证据不足。
3.4狭义相对论的钟慢效应证据的反驳(证伪)
举证2:宇宙的年龄证据
由百度百科“宇宙的年龄”摘录可得:“宇宙年龄(age of universe)宇宙从某个特定时刻到现在的时间间隔。根据大爆炸宇宙模型推算,宇宙年龄大约138.2亿年!欧洲航天局2013321日公布了普朗克太空探测器传回的宇宙微波背景辐射全景图,近乎完美地验证了宇宙学标准模型,并且把宇宙的精确年龄修正为138.2亿岁。
宇宙的年龄是如何测出来的
在南京地质博物馆,有一块来自加拿大的小石头。这块石头表面看上去黑黝黝的,暗淡无光。但科学家说,它是最古老的岩石。这块岩石是镁铁和超镁铁岩包裹体,经同位素测定,如果据这块岩石推测,地球年龄的下限大概在40亿岁。
2001年天文学家利用欧洲南方天文台的甚大望远镜,对一颗距离地球约1万光年、球状星团中编号为CS31082-001的恒星,进行了高精度光谱观测。根据光谱,第一次得到太阳系外天体的放射性同位素钍-232和铀-238(Uranium-238)含量之比,从而计算出该恒星的年龄是125亿岁。
2007年,天文学家又用相同的办法,测得一颗距离地球7500光年、编号为HE 1523-0901的红巨星的年龄为132亿岁。
宾西法尼亚州立大学的天文学家经过近10年的观测,于20132月公布找到一颗距离地球仅190光年、编号为HD 140283的亚巨星,其测定的年龄高达144.6亿岁,但误差有8亿岁。”
以上宇宙的年龄证据证明,在地球上观测的实践事实证据证明:宇宙的年龄可以确定约为138.2亿岁。然而,时间、年龄在狭义相对论和广义相对论都是相对的。不可能存在确定唯一的宇宙年龄,并且依据狭义相对论的推导,在地球坐标系宇宙的年龄有无数个不同答案。
如在μ坐标系,因高空μ相对地球速度为0.998c根据狭义相对论的钟慢效应(5)可得:μ坐标系的时间变慢约16倍。μ静止寿命为2us,而在地球坐标系为31.7us
由此可得:μ坐标系,宇宙的年龄为138.2亿岁/16=8.6亿岁。
而如果在μ坐标系宇宙的年龄确定为8.6亿岁,因地球相对μ运动,在μ坐标系,根据狭义相对论的钟慢效应(5)必然可得:宇宙的年龄在地球坐标系必为8.6亿岁/16=0.54亿岁。这与观测的实践事实完全不符。因此,狭义相对论的钟慢效应(5)不可能正确。
以此类推还可得:在地球坐标系、μ坐标系宇宙年龄有无数个不同答案。并非只有唯一的138.2亿岁。
因此,狭义相对论在所有坐标系钟慢效应(5)不可能是真实的原理。
定理1再次得到证明。
举证3:在GPS卫星进行测量时间实验
定理2:狭义相对论的相对运动钟慢效应(5)不可能是真实的原理。
证明:用反证法。
假设狭义相对论的相对运动钟慢效应(5)是真实的原理。
问地球坐标系地面原子钟和GPS卫星A坐标系的原子钟时间谁慢?
GPS卫星A相对地球运动,根据狭义相对论钟慢效应原理可得:GPS卫星A坐标系的原子钟比地球坐标系地面原子钟每天慢7us。该结果与观测实践事实基本相符。然而,该事实同时证明了地球坐标系地面原子钟比GPS卫星A坐标系的原子钟每天快7us
地球坐标系地面原子钟,减去广义相对论引力时间效应值每天慢45us后,在GPS卫星A坐标系,因地球相对A运动,根据狭义相对论相对运动钟慢效应(5)原理可得:地球坐标系地面原子钟比GPS卫星A坐标系的原子钟还应该每天慢7us。累计每天慢52us。然而已知的测量事实证明地球地面原子钟时间并没有每天慢52us,而是只有38us。地球坐标系地面原子钟的用时事实证明:相对运动导致时间变快了7us,而不是变慢7us。由此可得狭义相对论相对运动的钟慢效应(5)与事实不符,是假的原理。
因此,狭义相对论的钟慢效应(5)原理GPS卫星A坐标系事实上并不成立。并且,由此可得狭义相对论的基本假设a也不可能成立。
狭义相对论的钟慢效应(5)原理在非地球坐标系不成立,所以,假设不成立。即狭义相对论在所有坐标系钟慢效应(5)不可能是真实的原理。
本定理证毕。反驳(证伪)完毕。
3.5狭义相对论的多普勒效应
由百度百科“狭义相对论”可得:“时钟变慢直接导致相对论性的多普勒效应多普勒频移)。当光源同观察者之间有相对运动时,观察者测到的光波频率将同光源静止时的光频有差别,这种差别称为多普勒频移。经典理论也预言了多普勒频移,但狭义相对论的预言同经典理论的预言不同(同一个数学结果,不同数学方法解题)两种预言之间的差别是由运动时钟的速率不同于静止时钟的速率造成的,也就是时钟变慢效应造成的。
光线的频率和传播的方向在洛伦兹变换下分别按如下公式变换:
ν'=(1v·cosθ/c)(1v2/c2)1/2 cosθ'=(cosθv/c)(1v·cosθ/c)
式中νν'分别为在K系和K'系中测得的光波频率,θθ'为光线的传播方向分别与x轴和x'轴的正方向之间的夹角。当θ=90°(即垂直于光线方向)时,
ν'=v/(1v2/c2)1/2
这就是横向多普勒效应(牛顿经典物理学没有这种效应)。横向(或二阶)多普勒效应实际上来自时间膨胀效应,它们已被很多实验直接证实。
3.6狭义相对论多普勒效应的反驳(证伪)
现从地面雷达向同步卫星A发射一个频率为f的正弦波电磁波脉冲r,问同步卫星A接收的光脉冲r频率是降低还是增高?
解:有2个自相矛盾的答案。
答案一:根据狭义相对论的相对运动钟慢效应(5),在地球坐标系,同步卫星A原子钟的时间比地球坐标系的原子钟的时间慢,因此,同步卫星A接收的光脉冲r频率是降低。这容易通过空间站进行精确测量实践证实(注意还有广义相对论引力频移值,本文只推导狭义相对论多普勒效应部分。可以假设A是与地球一样的星球)
答案二:根据狭义相对论的相对运动钟慢效应(5),在同步卫星A坐标系,地球相对A运动,地球坐标系原子钟的时间比同步卫星A原子钟的时间慢,即同步卫星A原子钟的时间比地球坐标系的原子钟的时间快。因此,同步卫星A接收的光脉冲r频率是增高(注意将广义相对论引力频移部分减去即可)
答案一与答案二矛盾。
如果在空间站进行精确测量实践事实证据证实:空间站接收地面发射的光脉冲r频率降低。则空间站宇航员可得:因地球相对A运动,则地球坐标系原子钟的时间比A原子钟的时间慢,接收地面发射的光脉冲r频率应是增高。则狭义相对论的相对运动钟慢效应是假原理。
如果在空间站进行精确测量实践事实证据证实:空间站接收地面发射的光脉冲r频率增高。则地球上面的科学家可得:因A原子钟相对地球运动,则A原子钟的时间比地球坐标系原子钟的时间慢,则狭义相对论的相对运动钟慢效应是假原理。
因此,无论空间站事实上接收地面发射的光脉冲r频率是降低还是增高,都可证:狭义相对论的钟慢效应、横向多普勒效应不可能在所有坐标系都成立。由此可得:狭义相对论的基本假设a、基本假设b都不可能在所有坐标系成立。属于假原理。
4.结束语
实验、观测和其它实践活动都是检验真理的有效途径。这是因为任何理论A只有与实验、观测和其它实践的事实相符,A才可能成为真理。如果理论A的观点与实验、观测或其它实践的事实不符,则A不可能是真理。
实验、观测和其它实践对于验证真理很重要,但对实验、观测和其它实践的事实证据的解读同样重要。即某个实验究竟证明了什么?要实事求是的解读,不能随意扩大其证明范围。如飞行μ寿命增长和环球飞行原子钟速率减慢事实证据,最多仅能证明在地球坐标系钟慢效应可能成立,并未证明狭义相对论的钟慢效应(5)在所有坐标系都成立。
因此,目前科学界主流说“飞行μ寿命增长和环球飞行原子钟速率减慢事实证据,证明了狭义相对论的钟慢效应(5)成立”,证据不充分。其钟慢效应(5)原理未获有效证实。科学界不可采信。
但在目前的物理界,如百度的作者却说相对论的动力学理论已经被许多高精度实验所证实。这反映了我国目前物理界主流科学家们,在解读实验方面,存在重大错误。
本文3.4节已证明,狭义相对论的钟慢效应自相矛盾,必然为假。
科学不能从物理科学家们的主观良好原望(相对论是真理)出发,单纯通过实验验证爱因斯坦的预言,来证明爱因斯坦是对的,证据不充足。判断真理,除了实践验证,还需要有正确、有效的逻辑论证。不要人云亦云,西方科学界主流说什么,我们就相信什么,要提高自身判断真伪的逻辑论证能力。
科学来不得半点虚假,必须实事求是。否则,后果可能很严重,甚至会带来灾难。

参考文献

[1] []W.G.V.罗瑟著,岳曾元、关德相译,相对论导论,北京:科学出版社,1980年,98—171
[2] 蔡伯濂著,狭义相对论,北京:高等教育出版社,199139—64
[3] 南京工学院等七所工科院校,物理学,下册,北京:高等教育出版社,1978年,249—269
[4] 朱水林著,哥德尔不完全性定理,沈阳:辽宁教育出版社,1987年。

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