黃志洵

（中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024）

1 引言

2005年，美國著名刊物《Science》創(chuàng)刊正好125年。為了紀(jì)念也為了活躍學(xué)術(shù)討論，該刊在廣泛征求專家學(xué)者們（其中有多位Nobel獎(jiǎng)獲得者）的意見后，整理提出了125個(gè)問題，涵蓋數(shù)學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，展示出研究前沿所在以及科學(xué)發(fā)展面臨的困難。16年后（即2021年）恰逢上海交通大學(xué)建校125周年，該校林忠欽校長決定重新公布上述125個(gè)問題，作為校慶感言。筆者認(rèn)為這些問題的提出并非全都很好，但它們有很強(qiáng)的代表性。例如，在天文學(xué)欄目（Astronomy）中，有幾個(gè)問題就很尖銳，一個(gè)是“Where did the big bang start？”(大爆炸從何處開始的？)；另一個(gè)是“Is Einstein’s general theory of relativity correct?”(Einstein的廣義相對論是正確的嗎？”)還有一個(gè)問題是“What is gravity”(“什么是引力”)。這些問題矛頭指向廣義相對論(GR)，流露出強(qiáng)烈的不信任感。也有一些問題是間接質(zhì)疑狹義相對論(SR)的，一個(gè)是“Will we ever travel at the speed of light？”(我們能以光速旅行嗎？)，另一個(gè)是“What is the maximum speed to which we can accelerate a particle?”(我們能把粒子加速到的最高速度是多少？)這都暗指SR的一個(gè)著名論點(diǎn)：以光速或超光速運(yùn)動是不可能的。進(jìn)入新世紀(jì)之后，美國名刊《Science》領(lǐng)頭質(zhì)疑相對論，而又被中國的名校上海交大所重復(fù)，確實(shí)令人有些吃驚。

1921年5月，A.Einstein[1]在美國Princeton大學(xué)的講座Stafford Little Lectures作了講演，共4次，題目分別為“相對論前物理學(xué)中的空間與時(shí)間”、“狹義相對論”、“廣義相對論”、“廣義相對論（續(xù)）”，其重點(diǎn)是放在GR上。Einstein把物理學(xué)的發(fā)展分為相對論前的（pre-relativity）和相對論出現(xiàn)后的兩大階段，顯然是把相對論放在歷史性里程碑的地位。他可能太過自信了，百多年來批評之聲不絕于耳。鑒于當(dāng)前有的專家學(xué)者在嚴(yán)厲批評GR的同時(shí)明確表示不愿意放棄對SR的信任，我們在此略抒己見。本文企圖回答的問題是：Is the Einstein’s special relativity correct?這個(gè)論題其實(shí)很大，我們只能摘要敘述。

2 狹義相對論(SR)的主要內(nèi)容

我們先看SR的核心內(nèi)容是什么。SR的基礎(chǔ)是兩個(gè)公設(shè)和一個(gè)變換。第一公設(shè)說“物理定律在一切慣性系中都相同”，即在一切慣性系中不但力學(xué)定律同樣成立，電磁定律、光學(xué)定律等也同樣成立。第二公設(shè)說“光在真空中總有確定的速度，與觀察者或光源的運(yùn)動無關(guān)，也與光的顏色無關(guān)”。這被Einstein稱為L原理。為了消除以上兩個(gè)公設(shè)“在表面上的矛盾”（運(yùn)動的相對性和光傳播的絕對性），SR認(rèn)定“L原理對所有慣性系都成立”；或者說，不同慣性系之間的坐標(biāo)變換必須是Lorentz變換(LT)?，F(xiàn)在，Einstein認(rèn)為LT不僅賦予Maxwell方程以不變性，而且是理解時(shí)間與空間的關(guān)鍵，即用LT把時(shí)、空聯(lián)系起來。SR還有4個(gè)推論（運(yùn)動的尺變短、運(yùn)動的鐘變慢、光子靜質(zhì)量為零、物質(zhì)不可能以超光速運(yùn)動）和2個(gè)關(guān)系式（速度合成公式、質(zhì)量速度公式），這些便是構(gòu)成SR的主要內(nèi)容。至于質(zhì)能關(guān)系E=mc2，我們認(rèn)為它不能算是SR的導(dǎo)出關(guān)系式。

先看第一公設(shè)(狹義相對性原理)；1905年Einstein[2]說：“企圖證實(shí)地球相對于‘光媒質(zhì)’運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)的失敗，引起了這樣一種猜想……在力學(xué)方程成立的一切坐標(biāo)系中，對于上述電動力學(xué)和光學(xué)定律都同樣適用?！覀円堰@個(gè)猜想提升為公設(shè)”。這就是說，他是把力學(xué)領(lǐng)域里熟知的Galilei相對性原理推廣到所有現(xiàn)象——首先是電磁現(xiàn)象，并希望由此提出自然界和時(shí)空相互聯(lián)系的性質(zhì)的結(jié)果。因此，狹義相對性原理是說“一切物理定律在相對作勻速直線運(yùn)動的所有慣性系內(nèi)均成立”。

再看第二公設(shè)；1905年Einstein說[2]：“光在空虛空間里總是以一確定速度c傳播著，這速度同發(fā)射體的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)”。與第二公設(shè)相聯(lián)系的另一個(gè)核心概念是“同時(shí)性的相對性”。設(shè)在A點(diǎn)的鐘可定義在A處事件的時(shí)間(tA)，在B點(diǎn)的鐘可定義在B處事件的時(shí)間(tB)；但如何比較tA及tB？需要一個(gè)“同時(shí)性”定義。為此，Einstein提出光速不變假設(shè)。如在tA發(fā)送光脈沖，則B處時(shí)鐘指示的時(shí)間為

cAB是A→B的單向光速，被認(rèn)為不可觀測，因它取決于鐘A和鐘B的事先同步（單向光速與同時(shí)性定義有關(guān)）。現(xiàn)在Einstein按cAB=cBA=c而定義同時(shí)性，這與按回路光速不變原理出發(fā)而定義不同（迄今各種實(shí)驗(yàn)只證明回路光速不變，而非單向光速不變）[3]。光速不變原理如正確，則時(shí)間、同時(shí)性不是絕對的，長度測量也失去絕對性（在不同慣性系中測量得到結(jié)果不同）。

還有一個(gè)SR的核心概念是“不存在prefered frame（譯作優(yōu)越坐標(biāo)系或優(yōu)越參考系）。這件事關(guān)系到對“以太”的理解。J.Maxwell在1879年去世前一直關(guān)注著測量以太(ether)的可能性，希望測出地球與以太的相對速度——假如以太存在的話。但1887年的Michelson-Morley實(shí)驗(yàn)就未觀察到這一速度，以太理論岌岌可危。1892年H.Lorentz發(fā)表論文（“論地球?qū)σ蕴南鄬\(yùn)動”）提出了長度收縮假說，1895年更精確地給出了這一收縮的系數(shù)為，亦即在運(yùn)動方向上有

式中β=v/c；據(jù)此他預(yù)言在地球上不能觀測到“以太風(fēng)”的數(shù)量級的效應(yīng)。此后，1904年Lorentz[4]發(fā)表的論文中提出了LT。到1905年，Einstein[2]說由兩個(gè)公設(shè)并運(yùn)用Maxwell理論即可得簡單的動體電動力學(xué)，“光以太概念是多余的”。1907年，Einstein[5]重申必需拋棄以太，并說組成光的電磁場不是一種狀態(tài)而是一種實(shí)物。但到1920年，Einstein[6]說，SR也并不一定要求否定以太，也可以假定以太是存在的，只是必須不認(rèn)為它有確定的運(yùn)動狀態(tài)。為什么呢？“否認(rèn)以太存在最后總意味著空虛空間絕對沒有任何物理性質(zhì)”；但任何空間都有引力勢，它對空間賦予度規(guī)性質(zhì)（用10個(gè)函數(shù)即引力勢gμv描寫空虛空間是廣義相對論的內(nèi)容）。換言之，引力場的存在是和空間相聯(lián)系的，這與電磁場不同（在某個(gè)空間部分沒有電磁場是可能的）。因此，Einstein說，按照GR，“一個(gè)沒有以太的空間是不可思議的，因?yàn)樵谶@種空間里光不能傳播，而量桿和時(shí)鐘也不能存在了?！蔽覀兛吹?，在SR發(fā)表15年后，Einstein不再說以太多余并不斷重復(fù)一個(gè)名詞——“廣義相對論以太”(ether of GR)。

如果我們局限于討論SR，就不能把Einstein提出GR以后的思想與原來的SR混為一談。眾所周知，SR認(rèn)為不存在優(yōu)先的參考系，認(rèn)為任何慣性系都是等價(jià)、平權(quán)的，只有相對運(yùn)動才有意義。反之，Lorentz理論是以絕對時(shí)空觀以及存在以太（形成絕對坐標(biāo)系）作為出發(fā)點(diǎn)的，它可以解釋M-M實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果。也就是說，Lorentz選擇以太作為優(yōu)先的參考系，靜止在這個(gè)系中的物體長度最大、時(shí)鐘走得最快、時(shí)間是Newton的絕對時(shí)間（唯一真實(shí)的時(shí)間）；而相對于這個(gè)系運(yùn)動的物體會縮短，時(shí)間會變慢。而長度、時(shí)間的變化總是絕對的，可由對應(yīng)于以太的速度唯一地決定。這就與SR不同；SR認(rèn)為這些變化是相對的、可倒易的，不存在什么絕對時(shí)間。

3 SR理論體系的內(nèi)在矛盾和不自洽

首先，光速不變的絕對性與強(qiáng)調(diào)運(yùn)動相對性的狹義相對性原理是不可能相容的。在SR的兩條基本假設(shè)之間存在著不可調(diào)和的矛盾，這一點(diǎn)已在20世紀(jì)70年代由E.Silvertooth證明了。雖然Einstein本人對此也心存疑慮并試圖證明只是存在表觀矛盾，但未能解決二者的相容性。實(shí)際上在Einstein用同時(shí)的相對性和長度收縮這兩個(gè)由公設(shè)（原理）導(dǎo)出的推論來證明相容性時(shí)，已經(jīng)犯了本末倒置和邏輯循環(huán)的錯(cuò)誤。Einstein斷言沒有絕對運(yùn)動以堅(jiān)持相對性原理，又把無靜止系因而是絕對運(yùn)動的光引入來構(gòu)造第二公設(shè)，兩個(gè)公設(shè)互不相容極其明顯。

具體到第一公設(shè)（狹義相對性原理），早在20世紀(jì)60年代就受到批評，例如H.Bondi[7]（在1962年）、P.G.Bergman（在1970年）、N.Rosen（在1971年），他們認(rèn)為在宇觀尺度上SR的相對性原理被破壞，因此時(shí)慣性運(yùn)動和慣性系概念已不再適用。2005年郭漢英[8]說，當(dāng)今物理學(xué)要求把宇觀物理和微觀物理聯(lián)系起來用統(tǒng)一規(guī)律描述，但相對性原理與宇宙學(xué)不協(xié)調(diào)；這表現(xiàn)在河外星系紅移的發(fā)現(xiàn)表明宇宙現(xiàn)象存在優(yōu)越速度，這一點(diǎn)早在1962年就由Bondi指出了。滿足相對性原理的物理規(guī)律按說沒有時(shí)間方向，但宇宙演化、膨脹卻給出了時(shí)間方向。這些導(dǎo)致相對性原理不再成立。正如Bondi所說，宇宙學(xué)和相對論物理理論之間有明顯沖突。

2007年譚暑生[9]的論述與郭漢英一致但又深入一步：宇宙學(xué)原理要求描述宇宙演化和宇宙空間的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，它是一個(gè)優(yōu)越的時(shí)空坐標(biāo)系；大尺度時(shí)空根本不是SR的Minkowski時(shí)空，而是宇宙標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)和宇宙背景空間，故SR時(shí)空觀及相對性原理在宏觀尺度上是不成立的。SR單純強(qiáng)調(diào)運(yùn)動的相對性而忽視運(yùn)動的絕對性，造成了深刻的邏輯矛盾。

另外，也有學(xué)者對第一公設(shè)設(shè)計(jì)專門的證偽實(shí)驗(yàn)。2008年王汝涌[10]說，如果在一個(gè)封閉系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)勻速直線運(yùn)動狀態(tài)下所得結(jié)果不同，即證偽了狹義相對性原理；而且，如實(shí)驗(yàn)是使用光速，也就證偽了光速不變原理。他把這個(gè)課題稱為“速度計(jì)項(xiàng)目”，也有做實(shí)驗(yàn)的打算。

關(guān)于第二公設(shè)（光速不變原理），現(xiàn)有的表述都是假設(shè)，至今缺乏真正的實(shí)驗(yàn)證明。這是連相對論學(xué)者都承認(rèn)的，例如張?jiān)僦赋鯷3]，說“光速不變已為實(shí)驗(yàn)證明”并不確實(shí)。Einstein光速不變原理所指為單向光速，即光沿任意方向的傳播速度；但許多實(shí)驗(yàn)所測并非單向光速的各向同性，而是回路光速的不變性。此外，該書1994年重印本再次強(qiáng)調(diào)單向光速不可預(yù)測，這是因?yàn)椤拔覀儾]有先驗(yàn)的同時(shí)性定義，而光速的定義又依賴于同時(shí)性定義”。張?jiān)僬J(rèn)為Newton的絕對同時(shí)性在現(xiàn)實(shí)中無法實(shí)現(xiàn)；Einstein提出光速不變假設(shè)，即用光信號對鐘；……說是假設(shè)，因它不是經(jīng)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)）結(jié)果，因?yàn)閱蜗蚬馑俚母飨蛲詻]有（也無法）被實(shí)驗(yàn)證明。要測量單向光速就得先校對放在不同地點(diǎn)的兩個(gè)鐘，為此又要先知道單向光速的精確值。這是邏輯循環(huán)，因此試圖檢驗(yàn)單向光速的努力都是徒勞的。（文獻(xiàn)[3]列舉的多個(gè)實(shí)驗(yàn)都是為了證明回路光速不變原理）。

多年來在科學(xué)界一直有人提出與光速不變原理不同的意見。1936年，A.Proca[11]提出了在考慮光子靜止質(zhì)量(m0≠0)時(shí)的對Maxwell方程組的修正；而在Proca方程組的理論體系中，光速不變原理不再正確，光速將與電磁波的頻率有關(guān)。1980年，陸啟鏗等[12]提出“放寬對光速不變原理的要求”，即把“假定同一慣性系中任一時(shí)空點(diǎn)測量的光速都是c”，改為“給定慣性系中只有一個(gè)時(shí)空點(diǎn)（可選為時(shí)空坐標(biāo)原點(diǎn)）的光速都是c”。這是為了減小SR與現(xiàn)代宇宙學(xué)的沖突。

在實(shí)驗(yàn)方面，文獻(xiàn)[3]列出了“光速不變性”方面的實(shí)驗(yàn)共12個(gè)（從1881年到1972年），“光速與光源運(yùn)動無關(guān)性”方面的實(shí)驗(yàn)共16個(gè)（從1813年到1966年）。但前者只說明回路光速不變原理，后者只適用于v＜＜c的情況。1996年，陳紹光等[13]以實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)光速是否各向同性，據(jù)稱已達(dá)到Δc/c＜1×10-18的精度，但也是針對雙向平均光速的。近年來，美國St.Cloud州立大學(xué)的王汝涌(R.Wang)研究員用現(xiàn)代科技重做Sagnac類型實(shí)驗(yàn)，使用了運(yùn)動光纖、空心光纖、呈之字形移動的光纖以及分段的光纖，在不同速度條件下做了現(xiàn)代的Sagnac實(shí)驗(yàn)，證明速度對來回運(yùn)動的光纖中的光傳播有影響，光的傳播時(shí)間是不同的。2005年王汝涌說[14]“我們的結(jié)果證偽了光速不變原理”(“a result falsifying the principle of the light-speed constancy”)。

總的講，光速在SR中的數(shù)學(xué)表達(dá)似乎是混亂的——有時(shí)c±v=c，有時(shí)c±v≠c；c既是有限值，又仿佛是無限大。光速不變原理否定了傳統(tǒng)的速度合成法則，造成了物理學(xué)中的兩種速度求和方法——經(jīng)典物理的和相對論的，這造成了混亂。

近年來國內(nèi)外多位科學(xué)家提出存在優(yōu)先參考系，即認(rèn)為有絕對坐標(biāo)系的形成。故Lorentz-Poincarè時(shí)空觀重新受到重視；亦出現(xiàn)了進(jìn)一步的理論。多年前科學(xué)刊物《New Scientist》所報(bào)道的“以太理論高調(diào)復(fù)出、取代暗物質(zhì)”，也在提醒我們不宜完全拋棄SR理論出現(xiàn)之前的科學(xué)成果。如果說現(xiàn)在有向Galilei、Newton、Lorentz回歸的傾向，那也是在現(xiàn)代條件下的高層次回歸，而不是簡單的倒退到舊有的概念。

Lorentz物理思想重新受到重視是有原因的。1977年Smoot等[15]報(bào)告說，已測到地球相對于微波背景輻射(CMB)的速度為390km/s；因而物理學(xué)大師P.Dirac[16]說，從某種意義上講Lorentz正確而Einstein是錯(cuò)的。美國物理學(xué)家T.Flandern[17]于1997年～1998年間發(fā)表引力傳播速度(the speed of gravity)是超光速，為v≥(109—2×1010)c，同時(shí)聲稱用Lorentz相對論（Lorentzian relativity）就能解釋這些結(jié)果，而SR在超光速引力速度面前卻無能為力。

“時(shí)間延緩問題本文不再詳述，現(xiàn)在談一下Sagnac效應(yīng)、GPS修正和SR兩公設(shè)的檢驗(yàn)。1913年法國科學(xué)家G.Sagnac[18]做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)；在一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤上，兩個(gè)反向傳播的光束經(jīng)過一閉合回路所用的時(shí)間不同，其差值為：

式中ω是旋轉(zhuǎn)角速度，A=πr2是回路面積。Sagnac效應(yīng)與光速不變原理是否有矛盾？爭論一直不斷。由于光束是作圓周運(yùn)動，而SR是針對勻速直線運(yùn)動，故未有肯定結(jié)論。另外，1925年A.Michelson和H.G.Gale發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)的Sagnac效應(yīng)；1985年通過比較地球上三個(gè)地面站（分處美國、德國、巴西）收到的GPS衛(wèi)星的信號時(shí)間，證實(shí)了地球自轉(zhuǎn)的Sagnac效應(yīng)對收到信號時(shí)間的影響。

現(xiàn)已查明，在同一軌道上的兩個(gè)GPS衛(wèi)星之間的信號傳遞，從后面衛(wèi)星傳到前面衛(wèi)星的時(shí)間，比前面衛(wèi)星傳到后面衛(wèi)星的時(shí)間，多出幾個(gè)ns。這是Sagnac效應(yīng)造成的，是不可忽略的。有人認(rèn)為進(jìn)行的修正是相對論性的，因?yàn)楣馑俨蛔冊碚f在一個(gè)慣性系中光速總是c，而當(dāng)接收器運(yùn)動時(shí)，光束要多走一些或少走一些路程，故到達(dá)接收器會晚一點(diǎn)或早一點(diǎn)。王汝涌[10]認(rèn)為：光速不變原理是指在所有慣性系中光速都是c，而非只在某個(gè)單獨(dú)慣性系中是c，因此看成相對論修正是不對的。他指出：“與狹義相對論的斷言相反，相對于運(yùn)動的觀察者而言，光速并非永遠(yuǎn)保持恒定。GPS 顯示，在地球慣性中心(Earth Centered Inertial,ECI)非旋轉(zhuǎn)框架里，光速相對于框架恒定為c，但不是相對于該框架中運(yùn)動的觀察者（或接收機(jī)）恒定為c”。

王汝涌曾設(shè)計(jì)了多個(gè)推廣的Sagnac效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，除基本實(shí)驗(yàn)之外又有零面積、8字形、剪切平行四邊形等。如果比較兩個(gè)邊長不同的剪切平行四邊形，實(shí)驗(yàn)會發(fā)現(xiàn)當(dāng)勻速直線運(yùn)動的上邊長度增加ΔL，時(shí)間差就增加v·ΔL/c2；這與光速不變原理不相容。

4 中國科學(xué)家對光速不變假設(shè)的大尺度判決性實(shí)驗(yàn)

既然光速不變原理來自靜止以太理論，而MM實(shí)驗(yàn)卻否定了以太，那么光速不變原理是否還應(yīng)存在呢？Einstein的作法，不但保留光速不變這個(gè)假說，而且提高其地位。他曾說：第一步要拒絕以太假說：然后為走出第二步，必須使相對性原理容納Lorentz理論的基本引理，因?yàn)榫芙^這條引理即是拒絕這個(gè)理論的基礎(chǔ)。以下即此引理:‘真空中光速為常數(shù)，并且光和發(fā)光體的運(yùn)動無關(guān)。’我們將此引理上升為原理。為簡單起見我們以后稱之為光速不變原理。在Lorentz理論中此原理僅對一個(gè)處于特殊運(yùn)動狀態(tài)的系統(tǒng)成立：即必須要求系統(tǒng)相對以太為靜止。假如我們想保留相對性原理，我們必須容許光速不變原理對任何非加速度運(yùn)動系成立”。

Einstein又說：“根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們還把下列量值

作為一普適常數(shù)——空虛空間的光速。利用在靜止系中的靜止鐘來定義時(shí)間這一點(diǎn)是本質(zhì)的，我們稱現(xiàn)在適合于靜止系定義的時(shí)間為‘靜止系時(shí)間’?！?/p>

很明顯，在這當(dāng)中有一些需要用實(shí)驗(yàn)證明的假設(shè)。在Einstein 1905年論文中還沒有這樣的實(shí)驗(yàn)證明，因而Einstein把自己的作法稱為“借助于某些物理經(jīng)驗(yàn)”的假設(shè)。百年來人們大多立即接受之，未考慮這當(dāng)中會不會有問題。根本之點(diǎn)在于，Einstein提出了一種使用往返雙程的光信號定義。tB-tA=t′A-tB這個(gè)假定成立的式子表示：光在“往”和“返”同樣路程時(shí)所需的單程時(shí)間相同，亦即“光速與光的進(jìn)行方向無關(guān)”。這樣一來，“光速不變原理”（或“光速恒定性原理”）就成為一個(gè)必不可少的理論假設(shè)。但是，這當(dāng)然是一件尚待實(shí)驗(yàn)證明的事情。

總之，作為SR的兩個(gè)基石之一的光速不變原理，只是Einstein為了保留原來基于靜止以太的物理方程的數(shù)學(xué)形式，而用定義作為一種處理手段；即定義光信號通過“往”和“返”兩個(gè)單程的時(shí)間相等，并引進(jìn)了“靜止系”和“靜止鐘”時(shí)間概念。

2009年1月，林金等[19]在《宇航學(xué)報(bào)》發(fā)表了論文“愛因斯坦光速不變假設(shè)的判決性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)”，對他們團(tuán)隊(duì)利用航天高新技術(shù)在大尺度距離上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況作了詳細(xì)報(bào)道。這是一項(xiàng)絕無僅有的工作。如所周知，世界在1957年進(jìn)入了航天時(shí)代。時(shí)間技術(shù)（原子鐘及時(shí)間信號遠(yuǎn)距離傳遞）加上衛(wèi)星通信技術(shù)（導(dǎo)航電文），使得單程光（電磁）信號成為現(xiàn)實(shí)。于是具備了實(shí)驗(yàn)條件來檢驗(yàn)Einstein在1905年論文中的假設(shè)定義等式tB-tA=t′A-tB是否真實(shí)成立。2008年林金等在中國科學(xué)院國家授時(shí)中心（原陜西天文臺）的TWSTT(雙向衛(wèi)星時(shí)間傳遞)設(shè)施上完成了對Einstein 1905年的同時(shí)性定義的判決性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)證明，在存在相對運(yùn)動情況下，Einstein假設(shè)的等式是不成立的！實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的原理是基于狹義相對性原理和單程光（電磁）信號同時(shí)性定義。檢驗(yàn)原理通過對比單程光信號同時(shí)性定義和Einstein雙程光信號同時(shí)性定義的測量機(jī)制證明：在A和B間有相對運(yùn)動的情況下，把雙程光信號分解成“往”和“返”兩個(gè)單程光信號的信號傳遞時(shí)間是必然不相等的。在林金等的實(shí)驗(yàn)中，西安臨潼地面觀測站和烏魯木齊地面觀測站的銫原子鐘，分別通過鑫諾衛(wèi)星和中衛(wèi)一號衛(wèi)星進(jìn)行雙向時(shí)間傳遞。觀測數(shù)據(jù)證明，衛(wèi)星和地面站之間存在的相對速度雖然只有1m/s量級，但是由于信號通過同步衛(wèi)星傳遞的距離達(dá)到72000公里的量級，造成西安臨潼站和烏魯木齊站之間“往”和“返”兩個(gè)單程信號通過的時(shí)間不相等，差值為1.5ns量級。觀測結(jié)果驗(yàn)證了林金理論分析的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)中不確定度在±0.01ns量級。

這項(xiàng)由航天大系統(tǒng)完成的、在地面實(shí)驗(yàn)室不可能實(shí)施的判決性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，動搖了SR的一塊基石。因此林金認(rèn)為從衛(wèi)星系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航測量原理的視角，應(yīng)當(dāng)重新再思考傳統(tǒng)的時(shí)間和空間理論。從衛(wèi)星導(dǎo)航特有的單向光（電磁）信號視角應(yīng)重新恢復(fù)Galilei變換的地位。

從表面上看，只要有一個(gè)地面站（當(dāng)作A點(diǎn)）和一個(gè)衛(wèi)星（當(dāng)作B點(diǎn)）就可以做實(shí)驗(yàn)了。但實(shí)際上井非如此；現(xiàn)代原子鐘技術(shù)和航天技術(shù)的發(fā)展使得利用單程光信號進(jìn)行時(shí)間同步成為可能，雙向衛(wèi)星時(shí)間傳遞(Two Way Satellite Time Transfer，TWSTT)概念正是利用遠(yuǎn)距離的兩臺原子鐘同時(shí)各向?qū)Ψ桨l(fā)射電磁信號（不同鐘同時(shí)刻的秒脈沖）來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離原子鐘時(shí)間同步的?，F(xiàn)在，林金等采用兩臺（分處兩地）原子鐘Aj、Ak，原則上它們應(yīng)同時(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)射光信號。實(shí)際上Aj和Ak為地球上相隔遙遠(yuǎn)距離并隨地球在地心慣性系中轉(zhuǎn)動的觀測站，無法實(shí)現(xiàn)直接視線方向的觀測和通信，所以技術(shù)上Aj鐘和Ak鐘的雙向單程光信號時(shí)間同步的觀測模型是通過地球同步定點(diǎn)通信衛(wèi)星Sn轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)的。

實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，考慮因素很多，例如要考慮地面站和衛(wèi)星在地心慣性系中的運(yùn)動對觀測方程的影響，以及其他復(fù)雜問題；甚至還要考慮Sagnac效應(yīng)。林金團(tuán)隊(duì)最終得到了雙向衛(wèi)星時(shí)間傳遞觀測方程，原則上單程信號觀測量由鐘差、Sagnac效應(yīng)和信號傳遞時(shí)間三個(gè)部分組成。在實(shí)際的單程觀測量中要進(jìn)行鐘差和Sagnac效應(yīng)修正，之后才能得到Einstein單程光信號同時(shí)性定義的兩個(gè)基本要素：光信號到達(dá)時(shí)刻鐘上的讀數(shù)和光信號走這段距離所需的時(shí)間。但在雙向衛(wèi)星時(shí)間傳遞中，雙方通過通信手段都掌握了雙方對發(fā)的兩個(gè)單程信號觀測量，雙向的單程信號觀測量相加時(shí)鐘差和Sagnac效應(yīng)由于原理上的不對稱性自動對消，于是最終得到了單程信號傳遞時(shí)間和雙方鐘上讀數(shù)的關(guān)系式。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的搜集，分成兩個(gè)大組：①臨潼站與烏魯木齊站通過鑫諾衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)觀測數(shù)據(jù)；②臨潼站與烏魯木齊站通過中衛(wèi)1號衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)觀測數(shù)據(jù)。國家授時(shí)中心對信號傳遞各環(huán)節(jié)的時(shí)延進(jìn)行了仔細(xì)的標(biāo)定，并進(jìn)行了經(jīng)常性或?qū)崟r(shí)的監(jiān)測，從多年長期記錄的原始觀測數(shù)據(jù)分析可以看出數(shù)據(jù)精確穩(wěn)定。林金團(tuán)隊(duì)以2008年2月18日12時(shí)至13時(shí)原始觀測數(shù)據(jù)為例作了說明。林金認(rèn)為觀測數(shù)據(jù)證明衛(wèi)星和地面站之間存在1m/s量級的相對速度會造成西安臨潼站和烏魯木齊站之間“往”和“返”兩個(gè)單程信號通過的時(shí)間不相等，差值在1.5ns量級；觀測結(jié)果的不確定度在±0.01ns量級。Einstein 1905年以定義方式引進(jìn)的等式tB-tA=t′A-tB，在有相對運(yùn)動情況下不成立。筆者認(rèn)為，這是一個(gè)大氣魄的實(shí)驗(yàn)，而且很重要，航天大國（美國、俄羅斯）都沒有做過。

5 討論

SR時(shí)空觀與Galilei、Maxwell以及Lorentz時(shí)空觀的根本區(qū)別在于SR時(shí)空觀的相對性。1922年Einstein曾說：“由于未加論證就把時(shí)間概念建立在光傳播定律基礎(chǔ)之上，從而使光傳播在理論上處于中心地位，狹義相對論遭到了許多批評”。

先看1905 年Einstein 對“同時(shí)性”的概念怎么說，Einstein寫道：“我們應(yīng)當(dāng)考慮到：凡是時(shí)間在里面起作用的我們的一切判斷，總是關(guān)于同時(shí)的事件的判斷。比如我說，‘那列火車7點(diǎn)鐘到達(dá)這里”，這大概是說：我的表的短針指到7同火車的到達(dá)是同時(shí)的事件?？赡苡腥苏J(rèn)為，用‘我的表的短針的位置’來代替‘時(shí)間’，也許就有可能克服由于定義‘時(shí)間’而帶來的一切困難。事實(shí)上，如果問題只是在于為這只表所在的地點(diǎn)來定義一種時(shí)間，那末這樣一種定義就已經(jīng)足夠了；但是，如果問題是要把發(fā)生在不同地點(diǎn)的一系列事件在時(shí)間上聯(lián)系起來，或者說——其結(jié)果依然一樣——要定出那些在遠(yuǎn)離這只表的地點(diǎn)所發(fā)生的事件的時(shí)間，那末這樣的定義就不夠了。”

筆者認(rèn)為，雖然Einstein在其1905年論文的開頭即突出地討論“同時(shí)性的定義”，但他確實(shí)是“未加論證”（實(shí)際上是沒有實(shí)踐證實(shí)作為基礎(chǔ)）就把“單程光速不變”從假設(shè)上升為“原理”，并導(dǎo)致了同時(shí)性的相對性，亦即時(shí)間是相對的。但是我們知道有那么多的人認(rèn)為時(shí)間是絕對的。SR中有尺縮、時(shí)延現(xiàn)象；因而同一事件在不同參考系中觀測到不同的結(jié)果——根本沒有判斷測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)，而是作相對運(yùn)動的兩個(gè)觀察者都可以說對方的鐘慢了、尺短了，雙方所說都可以成立。這種相對主義的教導(dǎo)曾經(jīng)弄胡涂了許多人?？梢哉f，1911年P(guān).Langevin提出的“雙生子佯謬”也是對相對主義（relativtism）的反對，據(jù)說Einstein本人也解釋不了。

中國科學(xué)家站在新的時(shí)代的起點(diǎn)上，把問題深化和解讀。林金等[19]的論文題目即表明他要做一個(gè)對Einstein光速不變假設(shè)的判決性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。他們在幾萬公里大尺度上做成功實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)了“單向光速是否各向同性”，得出了否定的結(jié)論，回答了長久以來的問題。因此，筆者認(rèn)為林金實(shí)驗(yàn)動搖了SR的基石[20]。

不僅如此，作為在航天系統(tǒng)長期工作的衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航專家，林金就自主慣性導(dǎo)航提供一個(gè)新理論模型，用來分析處理慣性導(dǎo)航的時(shí)間定義、測量機(jī)制和超光速運(yùn)動。他認(rèn)為，一個(gè)運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)自己可以測量自己相對一個(gè)給定慣性系的位置、速度和加速度，作為質(zhì)點(diǎn)自帶的運(yùn)動鐘固有時(shí)間的函數(shù)。原理上不需要與外界交換信息，不存在任何信號傳遞的速度問題。自主慣性導(dǎo)航是基于引力場的性質(zhì)，即使這個(gè)世界沒有電磁場、沒有光，純慣性系統(tǒng)照樣工作，照常自主定位、測速；既如此，3×108m/s為何會成為速度的極限？！簡言之，慣性導(dǎo)航的宇宙飛船的時(shí)間定義即飛船運(yùn)動鐘固有時(shí)間；只要未來能開發(fā)出新型動力源，飛船的速度不存在上限。……林金還認(rèn)為，應(yīng)恢復(fù)光子和其它微觀粒子相同的普通地位，即有靜止質(zhì)量，其速度也不是極限速度。

因此，林金院士對SR提出了全面的挑戰(zhàn)。在前面我們引述了Einstein對同時(shí)性的說明，其中說用一只表定義時(shí)間的不可能性。然而，正如林金所指出的，今天的純慣性導(dǎo)航只用“一只表”的固有時(shí)間，是完全自主的，不需要輻射或接收任何光（電磁）信號和外界發(fā)生聯(lián)系，所以測量機(jī)理十分簡單。設(shè)想一艘配備有慣性導(dǎo)航儀器的宇宙飛船，飛船相對慣性坐標(biāo)系（Galilei參考系）作加速飛行。只要積分的時(shí)間足夠長，飛船相對慣性系的飛行速度（加速度表輸出脈沖總數(shù)）可以超過3×108m/s。無需設(shè)想恒定或隨時(shí)間變化的引力場，宇航員觀察慣性儀表的指示，進(jìn)行完全自主式的宇宙航行。加速度表先在靜止在地面（發(fā)射點(diǎn)）的引力場中標(biāo)定，在飛行中測量火箭推力產(chǎn)生的慣性加速度。加速度表靜止在地面實(shí)驗(yàn)室做壽命試驗(yàn)，等效于加速度表在沒有引力場的宇宙空間作1g的恒加速飛行試驗(yàn)。由于

故大約一年后飛船速度超過3×108m/s，即以超光速航行。……這些就是一位航天專家的簡明扼要的論述，其結(jié)論與筆者反復(fù)闡明的內(nèi)容（肯定超光速的可能性）完全一致。

那么，是不是衛(wèi)星漂移造成光信號“往”、“返”路程不等造成林金測到的時(shí)間差[21]？2021年馬青平[22]作了詳細(xì)分析，否定了這種看法，認(rèn)為林金實(shí)驗(yàn)證明了電磁信號中轉(zhuǎn)衛(wèi)星漂移條件下的單向光速可變。他所作計(jì)算得到時(shí)間差為1.6ns，與林金等測出的1.5ns非常一致。此外他還建議了在太空中做更理想實(shí)驗(yàn)的方案。無論如何，我們對林金的貢獻(xiàn)都很推崇，對他在2016年不幸因病去世深表惋惜。

6 有質(zhì)粒子作超光速運(yùn)動的可能性問題

SR的一個(gè)重要推論是不可能有超光速運(yùn)動。對超光速筆者研究多年，著述甚多[23,24]；在這里難以用很少篇幅講清楚Einstein的錯(cuò)誤，這里只能作簡單敘述。以下兩式是最基本的粒子物理學(xué)方程：

式中：E、m0、v分別為粒子的能量、靜質(zhì)量、速度；故可得

令粒子動量為

得到

故得

而粒子動能為

式中E為粒子總能量，E0為粒子靜止時(shí)能量。以上除式(3)是定義之外，其余4個(gè)等式（或說4個(gè)方程），一直是粒子物理學(xué)家的準(zhǔn)則，罕見有人提出質(zhì)疑或挑戰(zhàn)。

經(jīng)典Newton力學(xué)的動能方程為

式中m、v分別為動體的質(zhì)量與速度。在Newton力學(xué)中質(zhì)量不隨速度變，故也可寫出下式：

故有

但由式(5)可以推出

(8)式與(9)式非常不同，這源于(6)式與(5)式的不同?？梢?，經(jīng)典力學(xué)與狹義相對論(SR)力學(xué)有非常大的分岐。當(dāng)p增大時(shí)，二者Ek的都增加；但Newton力學(xué)方程的Ek增加更快，數(shù)值也比SR算出的大。

公式(4a)是SR的反映能量—?jiǎng)恿筷P(guān)系的動力學(xué)方程（標(biāo)量形式）；按級數(shù)展開并近似地只取前二項(xiàng)，得

(10)式右方第2項(xiàng)等同于(6)式，即近似地得到Newton力學(xué)的動量動能方程。

關(guān)于相對論力學(xué)存在的問題我們暫且不談，先看一下Einstein反對超光速的理由。他的基本理由如下：①由于SR認(rèn)為“運(yùn)動物體在運(yùn)動方向變短”，而變動的程度取決于因子，與Einstein文章中β的意義不同）。因而，當(dāng)v=c時(shí)，物體成為扁平，故Einstein認(rèn)為，再討論v＞c的情況，不再有任何意義。②在分析電子的運(yùn)動時(shí)所得到的數(shù)學(xué)式表明，v越大動能越大，而且動能的增加亦取決于因子。當(dāng)v=c(β=1)，電子的動能成為無限大，沒有意義。故電子不可能加速到光速c，更不可能達(dá)到比c還大的速度。③對物質(zhì)的運(yùn)動來講，由于因子的作用，其速度不可能比光速還快。

然而百余年來從未發(fā)現(xiàn)過“運(yùn)動的尺變短”的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，論點(diǎn)①是無價(jià)值和無意義的。實(shí)際上相對論者一向回避提這個(gè)論據(jù)，因?yàn)檫@是SR的弱點(diǎn)之一。在運(yùn)動方向上會發(fā)生長度收縮是H.Lorentz于1892年提出的，1895年他把收縮因子定為。這一理論隨即受到科學(xué)家們（如Poincare、Lienard）的批評。如果物體在運(yùn)動方向會變短（而且v越大縮短越多），那么物質(zhì)密度就會變化；這都與事實(shí)不符。1904年Lorentz提出了時(shí)空變換方程（Lorentz transformation，LT）；Einstein于1905年提出SR。這二者并不完全相同，例如長度收縮，Lorentz認(rèn)為是物質(zhì)內(nèi)部分子力改變造成的，Einstein則視其為空間屬性之一。但不管怎么說，這些都沒有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

再看論據(jù)②；他的公式中m0是電子開始運(yùn)動時(shí)的質(zhì)量，用后來物理界習(xí)慣的符號應(yīng)為m，故可寫作

然而W是電子的動能，即Ek，故上式實(shí)為

此即本文的公式(5)；因此這里沒有新的物理內(nèi)容。如果物質(zhì)質(zhì)量隨速度變化的觀點(diǎn)可疑，這里不再需要討論。也就是說，即使把速度加大到v=c，也不會出現(xiàn)無限大質(zhì)量和無限大能量的情況。

相對論者會說，加速器的技術(shù)實(shí)踐早已表明，提高能量是使粒子（電子或質(zhì)子）加速飛行的有效手段，甚至是唯一方法；而且加速粒子實(shí)際上只能達(dá)到非常接近c(diǎn)的值，例如0.99999c；既如此，傳統(tǒng)理論（包含Einstein的1905年論述）怎么可以反對？……對此，筆者提出以下觀點(diǎn)；首先，“用現(xiàn)在加速器沒有得到過v=c或v＞c的粒子”，與“宇宙中不會有超光速粒子”（或“不可能有超光速運(yùn)動”），不是一個(gè)概念。根據(jù)電磁場與電磁波原理設(shè)計(jì)的加速器，其中飛行的帶電粒子速度只能無限接近c(diǎn)而不能達(dá)到c，是很自然的，因?yàn)殡姶挪ū菊魉俣染褪莄；這說明不了問題。這就如同某人帶著球跑，球的速度最高只能是人的速度。其次，我們不否認(rèn)加大電磁能量能使電子加速，但這與證明SR質(zhì)速方程和整個(gè)SR能量關(guān)系不是一回事。特別是目前完全沒有針對中性粒子（如中子、原子）的實(shí)驗(yàn)證明，因而提出速度上的普遍限制沒有道理。再者，更大的問題在于Einstein僅把電子看成一個(gè)質(zhì)量m、速度v的一般動體(general moving body)，推導(dǎo)中沒有考慮電子是攜帶電荷的特殊動體(special moving body)，因而缺少一個(gè)計(jì)入了運(yùn)動電荷影響的電動力學(xué)理論。中國學(xué)者進(jìn)行分析[11]，得到的結(jié)果與Einstein顯著不同。數(shù)學(xué)分析計(jì)算證明[25]，電場對電子做功，即使速度達(dá)到光速也不是無限大，而是有限值?，F(xiàn)在的結(jié)果與Newton力學(xué)一致，而與SR力學(xué)所說不相符合。Einstein的光速極限原理完全錯(cuò)誤!

在一次學(xué)術(shù)會上，國內(nèi)著名激光物理學(xué)家、計(jì)量學(xué)家沈乃澂研究員說了這樣一段話：“當(dāng)前理論物理學(xué)的困境如何突破需要考慮。過去的理論物理常常是靠猜測；例如Einstein的‘光速不變原理’，所講的是單程光速，但并無實(shí)驗(yàn)證明（迄今只有雙程光速不變得到證明）。又如Einstein說光速不可超越，這也沒有實(shí)驗(yàn)證明。長期以來挑戰(zhàn)Einstein在科學(xué)界被視為禁區(qū)；但我們也看到，雖然大量書籍文獻(xiàn)宣傳相對論，而挑戰(zhàn)這一理論的卻大有人在，這是為什么？量子力學(xué)就沒有這個(gè)情況。又如相對論說當(dāng)速度趨近于光速c時(shí)，物體長度會變得很短趨于零、質(zhì)量會不斷增大趨于無限大，這些都缺少實(shí)驗(yàn)證明，是不成立的。然而，量子糾纏態(tài)傳播速度遠(yuǎn)大于c；1987年超新星爆發(fā)時(shí)中微子比光子早到地球；這些都表明了超光速的可能性。再舉一個(gè)例子，當(dāng)前米定義是以c為基礎(chǔ)，但前提是c不變，這都有待于提出精確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)?！边@些話既通俗又深刻。

7 關(guān)于質(zhì)能公式E= mc2

公式E=mc2既非Einstein導(dǎo)出的也非SR的一部分，這是多數(shù)人都不知道的一件事。由于該公式已成為Einstein的標(biāo)志性符號，揭露事實(shí)真相有人會不理解。至于Einstein是否剽竊他人成果，待我們理清事實(shí)再下結(jié)論。最早明確得出這個(gè)關(guān)系式的人是Jules Henri Poincarè(1854-1912)，他是法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。在SR提出之前5年（即1900年），H.Poincarè[26]發(fā)表論文“Lorentz理論和反應(yīng)原理”，出發(fā)點(diǎn)是Maxwell電磁理論，實(shí)際上是對一個(gè)光脈沖或是一個(gè)波列進(jìn)行計(jì)算。這其實(shí)是任何人都能進(jìn)行的推導(dǎo)：假設(shè)電磁場動量為p，光脈沖的“質(zhì)量”為m（筆者注：在1900年尚無光子概念），那么p=mv，這里v是電磁場在空間的傳播速度。這個(gè)速度當(dāng)時(shí)已知道是光速，故p=mc。對電磁場的研究側(cè)重于電磁能量的流動，認(rèn)為電磁輻射的沖量是Poynting矢量的大小與光速平方之比，即S/c2。設(shè)質(zhì)量為m的物體吸收的電磁能為E，那么由動量守恒可證明物體動量的增加來自電磁能沖量。設(shè)靜止“物體”吸收電磁能之后獲得了速度v，那么就有

取S=Ec，則有mv=Ec/c2，故如這個(gè)“物體”就是電磁能自己（v=c），即得

這里m代表電磁輻射的慣性（質(zhì)量）。上述推導(dǎo)表明，Poincarè以簡捷明快的方式和已有經(jīng)典物理學(xué)知識，便捷地導(dǎo)出公式E=mc2；因此把該式稱為“Poincarè公式”更為恰當(dāng)?！鋵?shí)，Einstein自己也說，質(zhì)能公式可以用SR提出之前的已知原理推導(dǎo)出來。因此，質(zhì)能公式與相對論沒有直接關(guān)系。

1905 年Einstein[27]發(fā)表論文“Does the inertia of a body depend upon its energy content?”（物體的慣性同它所含能量有關(guān)嗎？）首先引起我們注意的是他在題目中所用的詞是“慣性”而不是“質(zhì)量”。不能說此文沒有意義，但也必須指出幾十年來有眾多的研究者指出該文是一個(gè)糟糕的推導(dǎo)；甚至給人以這樣的印象——Einstein是先知道結(jié)果(E=mc2)，然后拼湊出一個(gè)推導(dǎo)并發(fā)表了它。該文在開頭說：“假設(shè)有一組平面光波，參照于坐標(biāo)系(x,y,z)，設(shè)波面法線與z軸交角φ；而又有另一坐標(biāo)系(ξ,η,ζ)相對于(x,y,z)作勻速平行移動，其坐標(biāo)原點(diǎn)沿z的運(yùn)動速度是v；那么該光線在新坐標(biāo)系中的能量為

這里c表示光速，我們將在下面使用這一結(jié)果”。（注：公式編號是筆者所作，非原文的號碼；下同）

這是奇怪的，已在另一篇文章“論動體的電動力學(xué)”[2]中提出光速不變原理的Einstein，認(rèn)為僅僅由于人為地選擇了不同坐標(biāo)系光的能量就會由E變?yōu)镋′，而且沒有給出任何證明。他接著說，為考察此系統(tǒng)的能量關(guān)系，設(shè)在(x,y,z)有一靜物，其能量對(x,y,z)為E0，對(ξ,η,ζ)為H0。現(xiàn)在假設(shè)該物是發(fā)光體，發(fā)出平面光波方向與z軸交角φ，能量為L/2，該物在反向發(fā)出等量的光。同時(shí)，該物對(x,y,z)為靜止。考慮同一物體參照相對運(yùn)動的兩坐標(biāo)系的能量的差值Δ，對另一坐標(biāo)系而言Δ與物體的動能之間的差別只是一個(gè)常數(shù)。用K表示動能，最終他得到

略去高階小量，得

用現(xiàn)代習(xí)慣的符號，可寫作

這里Ek為動能，ΔEk為動能變量，E為物體放出的總能量?，F(xiàn)在，Einstein接著說道：“假如物體以輻射形式放出能量E，那么它的質(zhì)量就要減少E/c2。以上所述即為E=mc2公式的Einstein(1905年)推導(dǎo)。

在上述推導(dǎo)中，Einstein是作了Taylor級數(shù)展開并取近似值的處理，即

那么在取v=0時(shí)就有

這樣，發(fā)光前的能量和發(fā)光后的能量就相同了，即物體可以“不斷地發(fā)光而不損失能量”，這顯然不對。邏輯上說不通的地方不只這一例。

H.lves[28]在1952年批評Einstein的1905年推導(dǎo)，認(rèn)為它不僅不嚴(yán)謹(jǐn)，甚至隱含了一個(gè)前提條件E=(m0-m1)c2，這里m0、m1分別為物體在輻射前后的質(zhì)量。也就是說，需要證明的結(jié)論已隱含在前提中。2004年，馬青平[29]提出批評，認(rèn)為Einstein所研究的是伴隨能量發(fā)射和吸收的不同參數(shù)系的觀測差值，并未涉及靜止能量，即未能計(jì)算出靜止質(zhì)量到底等于多少能量。馬青平用計(jì)算（取v=0.8c）來證明自己的觀點(diǎn)；他認(rèn)為Einstein的1905年論文有錯(cuò)誤，得不出普適方程E=mc2；該文所研究的是伴隨能量發(fā)射和吸收的不同參照系的觀測差值，并未涉及靜止質(zhì)量到底相當(dāng)多少能量。有趣的是，物體未運(yùn)動時(shí)運(yùn)動造成質(zhì)增Δm=ΔE/c2，一旦開始運(yùn)動就有Δm＞ΔE/c2。Einstein的推導(dǎo)給人印象是：E=mc2的設(shè)定在先，推導(dǎo)在后。而這根源在于Einstein之前已有人提出質(zhì)量與能量的互變可能性，以及基本上提出了E=mc2。2002年M.Pavlovic[30]提出，E=mc2是由電子動能方程普遍化的結(jié)果，而非相對論的產(chǎn)物。事實(shí)上，可以從經(jīng)典物理導(dǎo)出該式。

總之，對質(zhì)能方程E=mc2而言，早在相對論問世之前就有多位科學(xué)家提出了該式（或提出了類似的公式），可開列如下：

O.Heaviside[31]—在1889年、1902年；

H.Poincarè[26]—在1900年；

O.de Protto[32]—在1903年；

F.Hasen?hrl[33]—在1904年；

因此，不僅Einstein不具有發(fā)明權(quán)，而且該式完全不是“相對論的成果”。

8 對時(shí)空一體化的批評

無論SR或GR均以時(shí)空一體化作為出發(fā)點(diǎn)，這個(gè)概念來自Minkowski；所有相對論著作都大談space-time（或spacetime），但這個(gè)spacetime（譯作“空時(shí)”或“時(shí)空”）究竟是什么意思？其實(shí)人們并不真的了解。教科書中是這樣介紹“4 維矢量”的：狹義相對論(SR)創(chuàng)立3 年后，Minkowski提出4維矢量概念，即把3維空間加上時(shí)間作為一個(gè)整體。由于坐標(biāo)變換中（變換參考系時(shí)）出現(xiàn)x2+y2+z2-(ct)2，這里c是光速；但是

因此就說jct可作為4維空間的一個(gè)分量。構(gòu)成4維矢量后，x2+y2+z2+(jct)2代表該矢量長度的平方；這時(shí)可以證明代表一點(diǎn)位置的4維矢量不隨參考系變化而改變。1908年Minkowski曾說：“從今以后空間、時(shí)間都將消失，只有二者的結(jié)合能保持獨(dú)立的實(shí)體。”這種古怪的觀點(diǎn)立即被Einstein接受和使用。

我們認(rèn)為這種處理方式雖在數(shù)學(xué)表達(dá)上有某些好處，但恰恰違反了物理真實(shí)性(physical reality)。把空間矢量與時(shí)間矢量“相加”，在實(shí)際上不可能，也沒有意義！從根本上講不應(yīng)把時(shí)間和空間混為一談。我們認(rèn)為，空間是連續(xù)的、無限的、三維的、各向同性的；時(shí)間是物質(zhì)運(yùn)動的持續(xù)和順序的標(biāo)志，時(shí)間是連續(xù)的、永恒的、單向的、均勻流逝無始無終的?？臻g、時(shí)間都不依賴于人們的意識而存在；而且，空間是空間，時(shí)間是時(shí)間；它們都是描述物質(zhì)世界的基本量。所謂spacetime在計(jì)量學(xué)及國際單位制SI中是不存在的，也不具有可測量的特性。人為地以不同量綱的物理量來構(gòu)造一個(gè)新的參量（所謂4D時(shí)空），從而把時(shí)間和空間這兩個(gè)完全不同的物理學(xué)概念混為一談，是缺乏合理性的作法。

有趣的是，2014年出版的書《Interstellar》（《星際穿越》）中，作者K.Thorne[34]承認(rèn)“空間與時(shí)間的混合與直覺相?！?；又說“人類對時(shí)空彎曲不甚了解，也幾乎沒有相關(guān)實(shí)驗(yàn)和觀測數(shù)據(jù)”。這就足夠說明問題了——一貫支持相對論并以其作為指導(dǎo)思想的美國CIT教授Kip Thorne（最早提出LIGO項(xiàng)目建議的人，也是2017年Nobel物理獎(jiǎng)獲得者之一），也認(rèn)為時(shí)空一體化和時(shí)空彎曲都存在問題。這值得我們深思。

Einstein[1]在1922年的演講中說，宇宙是否在整體上是非Euclid空間的，人們已作過許多討論。在相對論建立后，事物的幾何性質(zhì)不再獨(dú)立，而依賴于質(zhì)量分布；亦即空間嵌入質(zhì)量后Euclid性質(zhì)受破壞。他的這些話正是引力場方程的物理表現(xiàn)——考慮物質(zhì)在Riemann空間中的運(yùn)動。但這些已進(jìn)入GR的范疇，本文不作討論。

到底什么是時(shí)間、什么是空間？這二者是否還能獨(dú)立地存在？這其實(shí)不難回答。長期以來在對相對論的宣傳中，空間、時(shí)間的獨(dú)立存在似乎失去了意義，這是我們不能同意的。任何實(shí)際的過程或現(xiàn)象都在一定時(shí)、空條件下發(fā)生；對此，雖可解釋成“時(shí)、空有聯(lián)系”或“時(shí)、空不能截然分開”，但卻不表示時(shí)、空之間真有一種強(qiáng)聯(lián)系，或者像許多理論家所說，真的存在一種東西叫做“時(shí)空”或“空時(shí)”(spacetime)。老實(shí)說，我們懷疑一個(gè)正常人頭腦中會出現(xiàn)“spacetime”的形象，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中既有時(shí)間又有空間，但那是兩個(gè)東西，卻并非真有一個(gè)叫“時(shí)空”（或“空時(shí)”）的東西存在。在計(jì)量學(xué)中，彼此獨(dú)立的量稱為基本量，由基本量的函數(shù)所定義的量稱為導(dǎo)出量?；玖康膯挝环Q為基本單位，導(dǎo)出量的單位稱為導(dǎo)出單位。眾所周知，長度和時(shí)間都是基本量，國際單位制(SI)的基本單位是米(m)和秒(s)。速度是導(dǎo)出量，導(dǎo)出單位是米／秒(m/s)。因此，所謂spacetime在計(jì)量學(xué)及SI中是不存在的，也不具有可定義、可測量的特性?？傊?，人為地以不同量綱的物理量來構(gòu)造一個(gè)新的參量（所謂4D時(shí)空），從而把時(shí)間和空間這兩個(gè)完全不同的物理學(xué)概念混為一談，是缺乏合理性的作法。正確的科學(xué)理論必定要維護(hù)空間和時(shí)間的獨(dú)立意義。

以下是Newton[35]的說法：

“絕對空間的自身特性與一切外在事物無關(guān)，處處均勻，永不移動。相對空間是一些可以在絕對空間中運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，或是對絕對空間的量度……絕對空間與相對空間在形狀與大小上相同，但在數(shù)值上并不總是相同?！?/p>

處所是空間的一小部分，為物體占據(jù)著，它可以是絕對的或相對的，隨空間的性質(zhì)而定。……

與時(shí)間間隔的順序不可互易一樣，空間部分的次序也不可互易；……所有事物置于時(shí)間中以列出順序，置于空間中以排出位置?！?/p>

這些說明非常易懂和明晰，百年后（1787年）受到大哲學(xué)家I.Kant的支持。而且，并不像有些人常說的那樣（“Newton只承認(rèn)絕對空間和絕對時(shí)間”）。另外，Newton論述的是物理空間而非數(shù)學(xué)空間。數(shù)學(xué)中，無論Euclid幾何空間，或者非Euclid幾何空間，只是數(shù)學(xué)上的概念和方法。Newton所依賴的是Euclid幾何學(xué)作為立論的基礎(chǔ)。在Newton那里，物理實(shí)在與數(shù)學(xué)概念二者分得很清。

Newton對時(shí)間又作如下說明：“絕對的、真實(shí)的和數(shù)學(xué)的時(shí)間由其特性決定，自身均勻地流逝，與一切外在事物無關(guān)。相對的、表象的和普通的時(shí)間是可感知和外在的對運(yùn)動之延續(xù)的量度，它常被用以代替真實(shí)的時(shí)間。如1小時(shí)、1天、1個(gè)月、1年”。

Newton對空間、時(shí)間的說明，要言不繁，今天來看也十分重要。但長期以來Newton的時(shí)空觀被貶低，似乎不值一提。今天，為數(shù)不少的專家學(xué)者堅(jiān)持以下觀點(diǎn)，筆者以為是正確的——空間是連續(xù)的、無限的、三維的、各向同性的；時(shí)間是物質(zhì)運(yùn)動的持續(xù)和順序的標(biāo)志，時(shí)間是連續(xù)的、永恒的、單向的、均勻流逝無始無終的?？臻g、時(shí)間都不依賴于人們的意識而存在；而且，空間是空間，時(shí)間是時(shí)間；它們都是描述物質(zhì)世界的基本量。……沒有理由說這這些觀念錯(cuò)了，似乎也沒有需要修改的地方。由于這些理由和其他眾多原因，2016年筆者提出了一個(gè)說法“牛頓仍稱百世師”。

9 結(jié)束語

過去筆者聽到過一種說法——相對論中的邏輯錯(cuò)誤、數(shù)學(xué)錯(cuò)誤及內(nèi)在矛盾多不勝數(shù)，其實(shí)是一堆知識垃圾。筆者覺得這樣說可能過頭了；盡管我們基于那么多的理由認(rèn)為狹義相對論(SR)是不正確的，但在1905年有Einstein（其人）和相對論（其事）出現(xiàn)，必定有其歷史性原因。而且，它引起全世界的人們的分歧和辯論，你可以說是“浪費(fèi)了許多寶貴時(shí)間”，但也能說成“極大地促進(jìn)了思維的活躍從而推動了科學(xué)發(fā)展”?！幸馑嫉氖?，著名英國物理學(xué)家H.Dingle長期宣傳介紹相對論，甚至受《不列顛大百科全書》編輯邀請撰寫了“相對論”條目；但在1959年他突然意識到SR有一個(gè)致命問題：Einstein理論中如何決定兩個(gè)作相對運(yùn)動的時(shí)鐘中哪一個(gè)鐘比另一個(gè)鐘慢？[特別是Einstein在1905年（論文）和1922年（書）都說過兩個(gè)觀測者都會發(fā)現(xiàn)對方的時(shí)鐘變慢]。由于意識到相對主義這個(gè)短板，Dingle放棄了對SR的信仰和贊美，別人也無法說他是由于“不懂相對論”所致。

1985年，正在歐洲核子研究中心(CERN)任職的著名物理學(xué)家J.Bell說，物理學(xué)為了擺脫困境，最簡單的辦法是回到Einstein之前，即回到Lorentz和Poincarè，他們認(rèn)為存在的以太是一種特惠的（優(yōu)先的）參照系。可以想象這種參照系存在，在其中事物可以比光快。有許多問題，通過設(shè)想存在以太可容易地解決……在發(fā)表了這些在當(dāng)時(shí)還是驚世駭俗的觀點(diǎn)后，Bell重復(fù)說：“我想回到以太概念，因?yàn)镋PR中有這種啟示，即景象背后有某種東西比光快；實(shí)際上，給量子理論造成重重困難的正是Einstein的相對論”……筆者認(rèn)為，所謂“回到Einstein之前”其實(shí)就是說SR錯(cuò)了，只是措辭委婉一些而已。

近年來出現(xiàn)了用改進(jìn)的Lorentz 理論(modified theory of Lorentz, MOL)取代SR 的說法，然而詳細(xì)討論這個(gè)問題已超出本文范圍。我們不贊同所謂Lorentz 相對論（Lorentz’s relativity）的提法，因?yàn)椤跋鄬φ摗币辉~還是專指Einstein的SR和GR為好，盡管它們可能都是不正確的。