检验相对论的最佳途径是什么？

~

自爱因斯坦为解释迈克耳孙-莫雷干涉试验结果，于1905年发表了第一篇狭义相对论论文以来，已经过去了近百年时光。相对论的某些结论也得到了部分物理实验、观测结果的支持，如星光的偏转、高速运动粒子寿命延长、水星近日点前移、引力红移、空间弯曲等。

尽管如此，但从严格意义上讲，相对论仍存在着一个严重缺陷,其假设光（或电磁波）的运动速度在任何惯性系中恒定不变且其速度为宇宙中物质运动速度的极限。因此，验证相对论理论的正确性的最好、最直接的方法是测量运动速度不同的物体所发出的光（或电磁波）的运动速度是否真的相同。而以上各种试验和测量都不能直接证明光速是恒定不变的，更不能证明不同惯性系中的时间、尺规是不同的。

随着科学技术的发展与进步，我们完全有能力直接测量运动速度不同的物体所发出的光（或电磁波）的运动速度的量值，从而直接检验相对论的正确性。对直接测量电磁波速度量值的设想，将在本文最后章节中详细阐述。

一、如何认识支持相对论理论的几个试验观测结果

我们知道，在客观现实中，一件事物往往可能存在多种解释和可能。因此，支持相对论的一些试验、观测结论是否只存在唯一的解释和可能呢？这一点有必要进行探讨。

1. 迈克耳孙-莫雷干涉试验

众所周知，光波的干涉必须满足两个基本条件：一是光波必须是同一光源（甚至必须是同一光源的同一区域）发出的；二是光的频率必须单一。另一方面，干涉条纹的间距主要与波长有关，而与频率、波速无直接关系（当然，波长是波速与频率的函数）；干涉条纹的图形形状主要与两束路径不尽相同的光的波程差与波长的比值有关，而与波速、频率无直接关系。因此，迈克耳孙-莫雷干涉试验未能测量出早晨与傍晚的太阳光或沿地球自转方向与垂直该方向的两束光间的干涉条纹的变化这样一个结论可以有如下多种可能性：

.①太阳光相对于地球表面某一点的运动速度不因地球表面此点与太阳的相对运动速度或方向的变化而变化（即爱因斯坦光速不变原理或称作假设）；

②虽然试验中早晨与傍晚的太阳光的速度不同，但因其频率也不同（多普勒效应），即早晨光速高，频率也高；傍晚光速低，频率也低（两者成比例变化，保持了波长不变）。因此，试验装置无法检测出干涉条纹的变化就在意料之中了（波速和频率虽然不同，但波长不变）。

③ 因光的速度、频率的变化可能导致试验装置中的分光三棱镜对光的选择发生了某种变化，这种变化正好弥补了光速变化所引起的干涉条纹变化。

④ 当采用将干涉装置旋转90°的方式来检测沿地球运动方向与垂直地球运动方向的光线所形成的干涉条纹变化情况时，只需要假设“利用同一个三棱镜分解出的某一光束，在相对于反射镜静止的惯性系中测量时，在不同反射镜上形成的反射光光速等于入射光光速”（这一假设符合完全弹性碰撞理论）就可以解释迈克耳孙-莫雷干涉试验结果。而没有必要一定要假设光速在任何惯性系中恒定不变。

还有其它可能导致本试验不能检测出光的干涉条纹发生变化的可能性。但从以上所列几种情况可以说明：本试验结论并不是只能用光速不变原理才能解释。

2．万有引力对星光运动的影响（星光偏转观测测量）

曾有科学家在日全食时观测到视角离太阳较近的星光发生偏转的情况，并且其偏转量与相对论计算的结果很接近。那么，该观测结果是否只能唯一地用相对论来解释呢？笔者认为不然，如下两种原因都有可能引起试验所观测到的效应。

① 太阳和月球都是由气体包裹着的天体（只是月球的大气层很稀薄而已），当星光透过其大气层时将发生折光现象，因此在地球上观测这类星光时，就会得出星光偏转的观测结果。

② 光（或电磁波）与引力间存在着相互作用，这种作用很微弱，在一般情况下难以发现。但在特殊情况下，如本天文观测中，星光靠近大质量的太阳时，这种相互作用效应才被观测到。

3．高速运动粒子寿命延长

据报道，高速运动的粒子比静止的同类粒子的寿命长得多，且延长的时间与相对论计算结果相近。但笔者认为这并不能证明相对论的正确性。我们可以作一个类似的假想试验，在试验中让两个同样的、运动速度相同的粒子朝相反的方向运动，则按相对论推算，这两个粒子的寿命应延长相同的寿命，即寿命相同。

但我们来考虑另一方面的问题就会发现：假想试验中的两个粒子的寿命不应该相同。因为，无论用经典物理学还是用相对论理论来计算这两个粒子的相对速度V′，其结果都是大于它们中的任意一个相对于静止粒子的速度V的。

按经典物理学计算：

　　　V′=2 V…………………………………………………………（1）

按相对论理论计算：

　　 V′=2 V/（1+ V×V/（C×C））………………………………（2）

由于V＜C，（1+ V×V/（C×C））＜2，因此，V′> V。

根据相对论理论，速度越高、寿命越长。因此，两个运动粒子的寿命时差不仅不能相同，而且应比其与静止粒子间的寿命时差要大一些。这就与前面推论的两个运动粒子的寿命相同发生矛盾。

由以上分析可以看出，相对论所推论的速度越高、寿命越长的结论是存在问题的。高速运动的粒子寿命延长不应该是因运动速度本身引起的，而可能是下述原因引起的：

①试验中观测装置与高速粒子“诞生”、“死亡”时刻所处空间位置间的距离不相等，而观测是利用某种光源发出的光在粒子上的反射或直接测量粒子发出的光（或电磁波）来实现的，光的入射、反射速度不同；所旅行的距离也不同。因此观察到高速粒子的诞生与死亡时刻间的时差也就与观察相对静止的粒子的时差有所不同。如果是这种情况，则高速粒子远离观测装置运动时，会显得寿命延长；而朝观测装置运动时，则寿命会缩短。

②该试验是在地球上完成的，由于到处不在的地球引力以及试验中可能存在的巨大电磁力等的影响，使高速运动的粒子与静止的同类粒子间可能存在差别，特别是运动速度接近光速时，这种差别可能更加显著。如果是这种情况，则高速运动的粒子相对于观测装置的运动方向的改变就不会引起观测结果的变化。

4．引力红移、水星近日点前移和空间弯曲

产生这些现象的本质因素可能是：引力与电磁波间存在相互作用以及引力、电磁波的运动速度为有限等原因所引起的。这些观测结果与广义相对论的推论一般存在5～10%的误差，而观测的天体的运动速度远小于光速的3%，用（0.97～1.03）C代替C代入广义相对论计算式中计算所得值的变化率也在10%以内。因此，这些测量结果也不能排斥光速是可变的。

二、时间、尺规与运动的关系

狭义相对论根据光速不变原理和相对性原理推导出：时间和尺规与运动速度间存在相互关系，即运动速度越快，其时钟行走越慢、尺规越短。这一结论是否客观呢？笔者认为其结论存在严重逻辑问题。

简而言之，宇宙中其它星球相对于地球都存在一绝对值大于零的运动速度，按相对论推算，其它星球上的时钟都应比地球上的行走得慢些、尺规也短些；在其它星球上的智者也可以作类似的推算，也会得出同样的结论。这就出现了一个矛盾：每个星球上的推算者都认为自己所在的星球上的时钟（尺规）是宇宙中走得最快（长度最长）的。这显然不符合逻辑。

为进一步说明这一问题，再作一假想试验：有二架相同型号的高速飞机，各载一台精度相同的时钟和一把长度相等的尺规，在同一时刻、同一地点、以相同的速度朝相反的方向绕地球飞行若干圈后，同时回到起飞地点。按相对论的观点，在地面上的人会认为：两架飞机上的时钟所指示的时刻相同、尺规长度也相同，但比地球上同精度的时钟所指示的时刻慢些、尺规短些；在任一一架飞机上的人会认为：另一架飞机上的时钟所指示的时刻最慢、尺规最短，地面上的时钟、尺规次之，他上面的时钟所指示的时刻最快、尺规最长；在另一架飞机上的人会得出与此相同的结论。因此,时钟所指示的时刻、尺规长度间存在明显的相互矛盾。

三、不同惯性系中光波的运动速度及相关问题

当我们假设光速在与发光源相对静止的惯性系中的运动速度为C时，而在其它惯性系中测量时，其运动速度不再等于C。

为说明这一问题，我们作一假设测量光速试验。有两套运动速度和方向相同（即同在一个惯性系中）的测量装置，它们位于一光源的不同侧（即一个朝光源运动，另一个远离光源运动）。按照古典物理学和我们日常的理解，朝光源运动的装置测得的光速高，远离光源运动的装置测得的光速低。那么，为了使两个装置测量的光速相等，必须使远离光源的装置中的尺变短或时钟变慢；而朝光源运动的装置中的尺变长或时钟变快。

但与我们假设这两套装置在同一惯性系中，该惯性系中应该只有一种尺规长度或时钟速度。从另一方面讲，朝光源运动的测量装置，经过一段时间的运动后，会变为远离光源运动，我们总不能因为这种变化而要求其改变尺规长度和时钟行走速度吧。因此，唯一的选择是：让测得的光的速度不同。

另一方面，光或电磁波运动速度与频率（周期）、波长间存在如下关系：

　　　　　 V＝fλ………………………………（3）

　式中V、f、λ分别为光或电磁波的运动速度、频率、波长。上式在任何惯性系中都是严格成立的。也就是说，在任何惯性系中测量任何运动状态的光或电磁波源发出的光或电磁波的这三个参量，它们都存在以上关系。根据天文观测，远离光源运动时会发生红移（f变小）；而朝光源运动时会发生蓝移（f变大）。那么，在上面的两测量光速的装置中，朝光源运动时测得的频率高、远离光源运动时测得的频率低。为保持速度V不变，则前者所测得的波长应变短、后者所测得的波长应变长。

若把光源所发出的光的频率f之倒数（即周期T）、波长λ当作光源所在惯性系中的时间、长度单位时，在上述的测量惯性系中所测得的周期T′、波长λ′就是该惯性系测量光源惯性系的单位时间、长度的量值。但如上所分析，所测得的量值与测量装置与光源间的相对位置有关，而并非为唯一的量值。

　从上面的分析可以发现，要解决狭义相对论存在的逻辑矛盾，只有放弃光速不变原理（或称假设）。那么光的运动到底会遵循什么规律呢？笔者认为，光的运动规律最可能的情况是：在相对于发光体（严格地讲，是在相对于发光原子发光瞬间时的原子核）静止的惯性系中，光的运动速度恒定为C；而在其它惯性系中来测量时，光速就不再恒定为C了，而与测量装置与发光体之间的相对运动速度和运动方向有关。

这样设想，既不会破坏质能转化关系，也不需要寻找一个绝对静止的惯性系。同时，还可以很容易地解释为什么太阳表面不同点的光谱线红移量不同（见“参考文献”2的第57页倒1行），其原因是太阳是一个很大很大的气体球或称作等离子球体，其表面不同点的发光物质相对于地球的运动速度都是不同的，因此测得不同点上的光谱线红移量不同也就很正常了。

四、直接测量光（或电磁波）运动速度的设想

我们知道，银河系以外还存在着许多类似的星系，这些星系中也存在着脉冲星。本设想是欲测量某一特定的河外星系中的一个脉冲星所发出的电磁波的运动速度。这个脉冲星的空间位置应尽可能地位于太阳绕银河系中心运动的轨道平面上且尽可能地位于太阳所在位置的轨道切线上。

找到几个符合条件的脉冲星后，就可以在地球上的适当位置上，建立一个能直接测量脉冲星所发出的电磁波的运动速度的测量站。测量站最好由位于一条直线上的三个测量点组成。这样可利用位于中间测量点上发出标定信号来校核测量系统的计时精度。

如果设测量站S1与S2、S2与S3间的距离为1Km，脉冲星与太阳间的相对运动速度为V0（脉冲星远离太阳系运动时，V0取正值，否则取负值）；地球绕太阳运动的速度为V1；地球自转速度暂不考虑，则按照本文的观点计算测量点S1与S2或S2与S3间观测到同一脉冲的时间差的公式如下：

当地球远离脉冲星运动时：

　　　　　　　 ΔT12、远=ΔT23、远=1/（C-V0-V1）……………………（4）

　当地球朝脉冲星运动时：

　　　　　 ΔT12、近=ΔT23、近=1/（C-V0+V1）……………………（5）

式中：ΔT12、远、ΔT23、远为地球远离脉冲星运动时，测量点S1与S2、S2与S3间测量的时差；ΔT12、近、ΔT23、近为地球朝脉冲星运动时，测量点S1与S2、S2与S3间测量的时差。

不同V0时的时差计算值（取V1=30Km/S） 表1

注：表中C为光速，其值等于300000Km/S；μS为时间单位“微秒”。

从表1中可以看出：当能够在地球表面的适当位置上建立这样一个测量站（三个测量点间的直线距离不小于2Km）且当地球位于上述两个特定位置上时，各测量点的计时总精度高于10的-10次方秒时，既使是脉冲星相对太阳的运动速度V0＝0，也可以利用这种测量站对河外脉冲星的电磁波运动速度的测量结果来验证或否定相对论关于光速不变的假设。

当用人工方法发射类似的电磁波脉冲，并测量其时差，则该时差应约为：

　　　　ΔT12、人工=ΔT23、人工=1／C≈3.33333（μS）…………………（6）

因此，用人工发射波与河外脉冲星发射波测量的时差比较的话，则既使是脉冲星相对于太阳的运动速度V0＝0，也只要求测量站的计时精度高于10的-10次方秒就足够了，若V0的绝对值大于0.25C的话，则计时精度高于10的-6次方秒就足够了。

实际上，还可以通过增大测量站间的直线距离的方式，降低对计时精度的要求。但按本人的了解，目前已有的计时精度完全能够达到要求。因此，该直接检验相对论的方法是完全能够具体实施的。

---

月湖区17093102310： 相对论的验证方法及如何验证 - ？
壹才悦南： 铯原子钟检验,是让两个相同的铯原子钟放在两架飞机上,一家在赤道上逆着地球自转飞.一架顺着飞,结果原来时间相同的铯原子钟经过飞行,顺着自转飞的那架上的钟变慢了.

月湖区17093102310： 有哪些实验可以验证相对论? - ？
壹才悦南： 狭义相对论就太多了,不想讲. 广义相对论的验证实验有:引力红移,光线偏折,水星轨道近日点的异常进动,这三个实验是比较可看的,也是爱因斯坦本人提出来的,引力波,黑洞之类的可以算是广义相对论的预言,如果被天文观测所证实也可以算作一个验证.

月湖区17093102310： 狭义相对论的实验验证 - ？
壹才悦南： 验证狭义相对论的实验大体上分为六大类:①相对性原理的实验检验;②光速不变原理的实验检验;③时间膨胀实验;④缓慢运动媒质的电磁现象实验;⑤相对论力学实验;⑥光子静止质量上限的实验.关于相对性原理的实验检验,电动力学和...

月湖区17093102310： 有谁知道那些实验能够验证相对论的正确性啊? - ？
壹才悦南： 用声音实验,可以证明爱因斯坦的相对论:光速不变,与光源无关;同时是有相对性的. 爱因斯坦不知道空气、玻璃、水等,是光介质,所有波相对均匀稳定的介质,波速不变,与波源运动无关!同时性的相对性,是信号速度慢引起的,用声音...

月湖区17093102310： 为什么强调相对论理论必须经过实验和自然观察的验证 - ？
壹才悦南： 1、这个问题跟相对论没有关系.2、狭义相对论有两个基本假设,这就是主观假设,没有任何理论根据,只是他认为是这样罢了.反正他用了之后竟然没错.所以,这个理论很需要实验来验证.3、所有的理论都需要实验和自然观察的验证.无论这个理论在理论上正确与否.我们看到的,只是许多正确的罢了.一个正确的理论往往是伴随着无数个的失败的理论的,而且,每个在几个简单实验下都能说得通,但却有不同的结论和预测,这就需要实验来验证了

月湖区17093102310： 证明相对论的三个实验是什么:请详细讲讲爱因斯坦提出证明相对论的三个实验是什么,好象说现在已经证明了两个. - ？
壹才悦南：[答案] 光线在通过大质量物体附近时会发生弯曲,这是广义相对论的一个重要预言.但对这一预言的验证常被戏剧化地、简单化和夸张地再现给观众和读者,大大偏离了科学史史实.那么,真实的情形如何呢? 在一部艺术地再现爱因斯坦一生的法国电影《爱...

月湖区17093102310： 有哪些有力的实验事实有力地证明了狭义相对论的正确性? - ？
壹才悦南： 其实这些所谓的有力的实验事实也是有误差的,因为仪器、人、环境、温度等等诸多因素决定了数据不可能达到完美的无误,只是在尽可能剔除外界影响后能得到误差极小极小以致可以忽略不计验证狭义相对论的动量—动能关系 (这个实验过...

月湖区17093102310： 什么实验证明了相对论的正确性? - ？
壹才悦南： 证明相对论的实验很多了 不过最早最有名的是英国科学家爱丁顿在1919年5月19日进行的观察日全蚀的实验,观测结果证明了相对论的正确性.正是这个实验使爱因斯坦名声大起,因为在此之前相对论是很受怀疑的.

月湖区17093102310： 检验广义相对论有哪些的预言? - ？
壹才悦南： 爱因斯坦用来检验广义相对论的三项观测是光线在太阳附近的偏折,水星轨道的异常和引力场中原子谱线的红移. 光线经过太阳附近时的偏折是在1919年日食时观测到的,结果与爱因斯坦的计算值一致. 第二项检验涉及行星运动.按照牛顿天...

月湖区17093102310： “相对论”是什么意思 - ？
壹才悦南： 相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由爱因斯坦(Albert Einstein)创立,分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论).相对论的基本假设是光速不变原理,相对性原理和等效原理.相对论和量子力学是现代物理学的两...