推翻相对论得从根上挖,以下三招,成一即可

至今,反对相对论的人仍然有很多,相对论不是真理,当然是可以被推翻的,只是目前这些不论在“民”还是在“官”的反对者们,没一个人反到点子上。本文就以狭义相对论为例,为您介绍推翻相对论的正确姿势。

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第一招,推翻光速不变原理

真空单向光速不变是相对论的两个立论基础之一,如果您能在实验中真实测量到真空光速发生变化,只要您的测量方法能够经受住同行的检验,相对论就会被推翻。无奈历史上所有的光速测量过程都支持目前真空光速不变这个原理。

速度是物体在单位时间内的位移,一秒钟就能绕地球赤道跑上七圈半。早期,大家认为光速无限大,恒星发出的光可以一瞬间到达宇宙的每个角落。伽利略最早意识到光可能是以有限速度运动并尝试测量,以当时的技术条件,他没有得到任何测量结果。

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1676年,丹麦天文学家奥劳斯·罗默利用木星卫星的星蚀时间变化证实光是以有限速度传播的。他利用木星的木卫一在木星在木星圆面上的投影作周期性变化的现象,第一次定量估测出光速,大约为每秒22万公里。

罗默得到的光速值与今天公认的光速值相去较大,这不是方法有问题,而是当年对地球和太阳距离、木星系统的观测还不够精确,现代采用罗默方法经过各种校正后得出的结果是每秒29.8万公里,很接近近代实验室所测定的精确数值。

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正因为如此,光速有限并不被当时的科学界接受。直到1728年,詹姆斯·布雷德里发现了光行差现象,即地球的轨道运动会造成抵达地球的星光有一个微小的角度偏差,这个偏差大约为5‰。利用光行差可以得到光速与地球公转速度的比例,可以估算出光速。

布雷德里计算的光速为298000公里/秒,这与现在的数值只有不到1%的差异。至此,光是以有限速度运动的思想为科学界所认可。随后的科学家们不断涌现奇思妙想,尤其是发明了很多实验室办法,使得在实验室测定光速成为可能。

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1849年,法国物理学家A.H.L.菲佐用旋转齿轮法首次在地面实验室中成功地进行了光速测量,最早的结果为c=315000千米/秒。1862年,法国实验物理学家J.-B.-L.傅科根据D.F.J.阿拉戈的设想用旋转镜法测得光速为c=(298000±500)千米/秒。

19世纪中叶J.C.麦克斯韦建立了电磁场理论,他根据电磁波动方程曾指出,电磁波在真空中的传播速度等于静电单位电量与电磁单位电量的比值,只要在实验上分别用这两种单位测量同一电量(或电流),就可算出电磁波的波速。

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1856年,R.科尔劳施和W.韦伯完成了有关测量,麦克斯韦根据他们的数据计算出电磁波在真空中的波速值为3.1074×10^5千米/秒,此值与菲佐的结果十分接近,这对人们确认光是电磁波起过很大作用。

1926年,美国物理学家迈克尔逊改进了傅科的实验,测得c=(299796±4)千米/秒,他于1929年在真空中重做了此实验,测得c=299774千米/秒。后来有人用光开关(克尔盒)代替齿轮转动以改进菲佐的实验,其精度比旋转镜法提高了两个数量级。

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1952年,英国实验物理学家K.D.费罗姆用微波干涉仪法测量光速得c=(299792.50±0.10)千米/秒。此值于1957年被推荐为国际推荐值使用,直至1973年。1972年,艾文森测得了目前真空中光速的最佳数值:299792457±0.1米 /秒。

当代实验室测定光速都是利用麦克斯韦电磁理论,以波动光学为基础,让光在一个空腔内共振,利用空腔长度求出共振波长,再将共振腔波长换算成光在真空中的波长,用波长与频率的乘积计算出真空光速。

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从前面介绍的光速测量历史可以看出,随着光速测量的精度不断提高,真空光速值越来越趋近于一个固定值。对于光速的测量结果,科学界普遍是没有什么疑问的,至多是对测量精度还不满意。

如果您真想推翻相对论,真空单向光速不变原理是第一个突破口。除了早期罗默和詹姆斯·布雷德里利用天文学方法得到的是单向光速值之外,近代、现代光速测量方法普遍采用折返光路测量,科学家们一直没有找到在实验室中测量单向光速的方法,这就给广大反相人士留下了足够的想象空间。

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第二招,找到“以太”存在的直接证据

在相对论出现之前,科学家们尽管已经知道光以有限速度运动,但没人意识到它的真空速度是个常数,这时候,他们在纠结另外一个问题:所有的机械波都依赖介质,那么光波的介质是什么呢?这种介质真的存在吗?当时的科学家们假想了一种光介质,并命名为“以太”。

前面说过光行差,地球的运动会影响对光的观测,那么地球在以太中穿行会不会影响到光速呢?在阳光照射过来的方向(径向),以及地球公转运动的方向(切向)就会产生速度差。按照伽利略速度叠加原理,在这两个方向上的光速应该不同。

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为此,美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊设计了一个非常精细的实验,来观察这种由于地球公转运动所造成的光速变化,试图间接证明“以太”的存在。迈克尔逊的实验装置非常简单精确,直到今天仍然被用来测量微小的位移变化,其精度可以达到光的半波长。

这套装置由单色光源、分光镜、两个相互垂直的往返光路、干涉屏(观测装置)组成。做过大学物理激光干涉法测量位移实验的小伙伴都知道,光源发出的光经过分光镜分成垂直的两束,其中一束作为校准光源,另外一束作为测量光源。

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如果测量臂的光路长度发生变化,则折返回来的光在干涉屏上形成的条纹会发生移动。这种装置的测量精度非常高,LIGO引力波天文台使用改进过的这种装置,可以检测到分光镜到反射镜之间不到四分之一个质子半径的位移。

同样,在迈克尔逊的实验中,调整测量臂与地球公转运动的方向平行,如果测量臂中的光速发生了变化,同样可以在屏上看到干涉条纹会发生移动。通过观测条纹移动的条数,就可以测出地球相对于以太运动的速度,这就可以间接证明以太是存在的。

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实验的结果是,不论如何调整实验装置、排除外界影响、提高实验精度,都没有发现任何条纹移动。在此之后的许多年,这个实验被重复了许多次,所得结果都与迈克尔逊当年相同——零结果。

零结果意味着——如果以太存在,那么它就应该是一个绝对静止的参照物,地球公转过程中,不论在哪个位置,相对于“以太”的运动都一样,这样的物质怎么可能存在。换句话说,迈克尔逊设计的实验直接否定了以太的存在

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现在科学家们面临一个新的难题:迈克尔逊的实验零结果事实需要一个符合逻辑的解释。在1887年到1905年这18年中,无数科学家投入到这项工作中,其中下面几个科学家的解释比较著名,这些假说至今仍然有很多“学院派民科”支持。

1889年,乔治·菲茨杰拉德根据麦克斯韦电磁理论提出:如果物质是由带电荷的粒子组成,一根相对于以太静止的量杆的长度,将完全由量杆粒子间取得的静电平衡决定,而量杆相对于以太在运动时,量杆就会缩短,因为组成量杆的带电粒子将会产生磁场,从而改变这些粒子之间的间隔平衡。这样,当测量臂与地球公转运动方向平行时就会缩短,而缩短的程度正好抵消光速的减慢。

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菲茨杰拉德的假设完全没有实验依据,是彻头彻尾的猜测,没有得到任何观测或实验上的支持,所以这个假设没有说服当时的科学家。

1892年,荷兰物理学家洛仑兹提出了与乔治·菲茨杰拉德相同的量杆收缩解释。洛伦兹认为,以太存在、光速不变,通过以太的运动物体,纵向线度发生收缩(平行运动方向),其收缩的比例恰好符合迈克尔逊——莫雷实验的计算。同时这个方向的时间也变慢,这样这个方向的光的速度保持不变。

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洛伦兹的光速不变假说仍然有巨大的瑕疵,它非但没有解决“以太”是否存在的问题,反而增加了动体时间变慢的疑难。正因为如此,洛伦兹的光速不变没有能为科学界所普遍认同。不过,洛伦兹给出的长度收缩公式与实验结果保持一致,这是一个不小的成就。

“以太”这种假想物质在相当长一段时间内被大量的科学家们所认可,但苦于没有找到其存在的任何证据(直接的或者间接的)。如果广大反相人士能够设计一个巧妙的实验证明“以太”真实存在,无疑可以动摇相对论的根基,因为相对论认为“以太”不存在。

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第三、推翻狭义相对性原理

1905年,爱因斯坦发表了著名的《论动体的电动力学》,即狭义相对论。论文指出——既然光速不变,作为静止参考系的以太就没有理由存在。于是抛弃静止参考系以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。

在狭义相对论中,空间和时间并不相互独立,而是一个统一的四维时空整体,整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的。结合狭义相对性原理和上述时空的性质,也可以推导出洛仑兹变换。这里的洛仑兹变换只是纯数学的空间缩短,不再是组成量杆的带电粒子距离缩短,这种空间缩短不具有任何实质性的物理意义。

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狭义相对性原理是伽利略相对性原理的推广。它的内容是:全部物理现象都具有这样的特征,即它们不给引进“绝对 运动”的概念提供任何依据。这说明没有绝对运动 ,因此各种寻找“以太”漂移效应或寻找优越惯性系的实验所给出的零结果,都可以看作是狭义相对 性原理的实验证据,其中最著名的就是前面提到的迈克尔逊 - 莫雷实验 。

如果您觉得这个实验还可以有其它解释,证据还不充分,那么我再为您介绍三个实验:

实验1:——特鲁敦-诺贝尔实验

特鲁敦-诺贝尔分别于1902年和1903年用静止在地球上的平行板电容器做测量地球通过“以 太”运动的实验。但实验结果是:未发现电容器所受到力偶的任何迹象,为零结果。

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特鲁敦-诺贝尔实验

实验2——惯性质量的空间各项同性实验(穆斯堡尔效应实验

在某些条件下,如果被激发的原子核在衰变时为一晶体点阵的组成部分,则γ射线可能在没有核反冲的情况下被发射。类似的 ,在某些情况下,当原子核为晶体点阵的组成部分时,它可能吸收适当能量的 γ射线而不反冲。无反冲的发射及以无反冲的吸收从而导致核共振荧光的现象被称为穆斯堡尔效应。

如果惯性质量是各向异性的,那么磁场中的原子和原子核的能级将受到影响,用穆斯堡尔效应观测塞曼能级分裂有无随地球运动而变化,进而检验惯性质量的各向异性。这类实验的精度很高,这种实验的零结果是相对性原理的一个很好的证据。

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穆斯堡尔效应实验

实验3——飞行π介子和μ介子寿命实验

如果狭义相对性原理在小距离上不正确,则π介子和μ介子的寿命将会改变。对足够高能量的 μ介子能谱所作的分析表明,在小于5×10^-10nm的范围内,狭义相对性原理才可能不正确。另外,用飞行π介子寿命实验的数据与一个假定在小距离上相互作用传播的速度是超光速的模型比较,得出基本长度的上限是 3×10^-8nm,这表明在小于10^-8nm的范围内才有可能存在破坏相对论的超光速相互作用。

相对论建立100多年以来,一大批物理学家以其非凡的勇气和毅力反复不断地通过各种实验去验证相对论中的观点和结果,为该理论提供了 丰富的实验证据,其中就包括了狭义相对论中相对性原理的实验证据。如果各位反相人士能够设计出证明狭义相对性原理是错误的实验,无疑可以给狭义相对论以雷霆一击。

结语

实践是检验真理的唯一标准,但科学从来不认为自己的理论是真理,相对论也不是真理,但它能对已知的物理现象做出符合逻辑的解释,并且能给出可以验证的预言。目前所有的实验结果都与相对论的理论预言保持一致,但这只能说明在目前阶段,相对论是正确的。

如果各位反相人士,有能力用实验证明以太真实存在、推翻真空光速不变及狭义相对性原理这三条中的任何一条,那么无疑他将作为成功推翻相对论的伟大人物而载入科学史册。我相信这一天迟早会到来,但那一定不是推翻而是修正。

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页面更新:2024-04-30

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