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相對論悖論（中）

2018/06/13   維加斯新聞報
劉文旺

       三、相對論與傳統光學的矛盾

       1、光學實驗與相對論的時空變化

      （1）在一個相對於地面運動的慣性系S/內，作光子的雙縫干涉實驗，測得的光子的波長為λ，而在另一個相對於地面靜止不動的慣性系內看著同一實驗過程會發現，由於兩狹縫間的距離處於與運動慣性系的運動方向垂直的方向上，因此其擁有的長度是一個不變量，由形成明條紋的條件為x=±kDλ/2a (k=1、2、3、---)可知，由於其中的d、λ都是運動變化量即有d/=d(1-(v /c)2)1/2，λ/=λ(1-(v/c)2)1/2，而x與a是不變的，因此，靜止在地面上的觀測著看來，干涉現象產生的明條紋的位置應相應變小，但實驗結果決不會因為有運動的慣性系的存在而發生任何變化。衍射現象亦然。這些現像是相對論所不能解釋的。

       假設在一個靜止的實驗室中做光學實驗，實驗器材的小孔或狹縫的尺度相對於入射光子的波長來說較大，不能發生明顯的干、衍射實驗。實驗結果是在屏上找不到明暗相間的干衍射條紋，但在一個與運動方向垂直的觀測者來說，當其以適當的速度運動時，由於運動方向與光的傳播方向垂直，因此光的波長不變（橫向多普勒效應很小），但小孔或狹縫的大小會變短，所以應該能發生幹衍射現象而能見到明暗相間的干衍射條紋。這個矛盾怎樣解決？

       相對論與乾、衍射理論不相容。

      （2）三角函數與折射率

       在地面上的坐標系內做光的折射實驗，如上圖所示，在光線的射出方向做一個直角三角形。兩個直角邊分別長a、b折射角為θ假定其數值是300其正切為tgθ=b/a。

       現假設有一個觀測者沿入射光的方向運動，他會發現，由於相對論效應的存在，使得a邊變短了帶入三角函數公式tgθ=b/a[1-（v/c）2]1 /2會發現，這個折射角的數值應該變大。也就是說，介質的折射率增加了。但由於量角儀顯示的角仍是300是不會變化的。

       介質的折射率變了沒有？

       這個觀測者怎樣解釋這一現象？

       2、光子間的相對運動

       由相對論的速度疊加原理可知，一個光子相對於另一個光子的運動速度也是光速。這就產生一個問題，在一束光中含有大量的光子，若每一個光子相對於另一個光子的運動速度仍是光速，我們為什麼沒有見到這些光子彼此分開？

       還有，在托馬斯•楊的雙縫干涉試驗中要求兩個光子同一時間到達光屏的同一點疊加而產生明暗條紋，若真的有兩個光子同時到達屏上，則由於一個光子相對於另一個光子的運動速度是光速，則不會發生疊加。但是。這個實驗已有無數人做了二百多年。

       不用愛因斯坦追光子，相干光子間必須擁有位相一定的確定波形，彼此觀看對方的運動圖像，只能是不變的同步震蕩的電磁場，不然就不會產生明暗條紋了。

       四、相對論與傳統電學的矛盾

       1、光電效應悖論

       一個實驗者在地面上做光電效應實驗，

       假設在地面上靜止的實驗室中一束光子照射在金屬板上沒有發生光電效應——沒有光電流產生，電流計的讀數為零。這說明光子的能量小於金屬的脫出功。但是若這個實驗者從金屬板的後面向金屬板高速運動，這時其是逆著光子運動，因此會發現光子因發生多普勒效應而紫移，能量增加。當其運動速度足夠大時，光子的能量會增加到能發生光電效應的程度，但儀表上的讀數不會發生變化;相反，假設在地面上做實驗時能發生光電效應，電流計上有讀數顯示有​​光電子產生。但若這個實驗者從金屬板的前面向金屬板高速運動，這時其是沿著光子運動，因此會發現光子因發生多普勒效應而紅移，能量減少。當其運動速度足夠大時，光子的能量會減少到不能發生光電效應的程度，但儀表上的讀數不會發生變化——仍有電流產生。

       這怎麼解釋？ ！

       2、歐姆定律與電阻率

       我們知道我們熟知的電壓的概念是指電場中任意兩點之間的電勢差。而電勢則是單位電荷從一點一到另一點時電場所做的功。下面我們分析其與相對論的矛盾。

       在地面靜止的實驗室中，有一電路，如上圖所示。用一個電壓表測量電源兩端的電壓，讀數是U。這一讀數可以計算出來。我們讓一電荷q從平行板間，在電源的電壓的作用下從一端運動到另一端，假定極板間的距離是d，電場強度是E。則由簡單的物理常識可知：Uq=Eqd，因此，電壓表的讀數應該是U=Ed

       現假定這個實驗者沿電場方向運動則有d‘=d(1-β²) 1/2。代入U=Ed得：U‘=E’d‘= E’d(1-β²) 1/2。

       即U‘=E’d(1-β²) 1/2。

       現在，我們改變一下，在上述實驗裝置中用一個彈簧秤繫住電荷，從彈簧秤的讀數可知電場對電荷的作用力，假定為F，則有F=Eq。我們在前面分析過，彈簧秤的讀數是運動個不變量，而電荷q也是一個運動不變量。因此，從這一事實分析E=F/q也應該是一個運動不變量。即E‘=E

       再代入U‘=E’d(1-β²) 1/2中得：U‘= Ed(1-β²) 1/2=U(1-β²) 1/2。

       從這一結果我們得出當這個實驗者相對於這一實驗裝置運動時，電源的電壓應該變小，但電壓表的讀數是不會變化的。

       這個實驗者怎樣解釋這一事實？

       相對論錯了？ ！

       還是現有的電學理論錯了？ ！ ！

       學過中學物理的人就知道，導體的電阻與其長度成正比與導體的橫截面繼成反比——電阻定律。用公式表示就是R0=ρ0L0/S其中ρ為材料的電阻律，不同材料中導電粒子不同，導電粒子與導體晶格的作用不同，同種材料它基本上是一個常數，當然，按相對論隨運動狀態的不同質量不同，因此在運動速度增加時質量增大會導致電阻的增加——電子質量是無窮大時，電壓很難使電子產生定向運動形成電流。下面我們用相對論來分析一下上述實驗。

       假設有一個實驗者，先在地面靜止的實驗室中做測量導體電阻的實驗。假設連接好電路後，發現電壓表的讀數是U、電流表的讀數是I，則由歐姆定律可知R0=U/I。現在這個實驗者開始相對於這個實驗裝置方向高速運動，結果發現：一方面，電壓表和電流表的讀數沒有變化，因此，由歐姆定律可知，導體的電阻沒變還是可知R=U/I；另一方面，由於導體的橫截面積不變，長度沿運動方向減小L=L0[1-（v/c）2]1/2、電子質量的增加，材料的電阻率ρ0=2m0v/ne2λ0將發生變化：m=m0/[1-（v/c）2]1/2、自由程λ=λ0[1-（v/c）2]1/2由於電荷具有運動不變性，所以，材料沒變，則電阻率：ρ=2mv/ne2λ=2m0v/ne2λ0[1-（v/c）2]=ρ0/[1-（v/c）2]

       代入R=ρL/S

       =ρ0/[1-（v/c）2] L0[1-（v/c）2]1/2/S

       =ρ0L0/[1-（v/c）2]1/2S

       =R0/[1-（v/c）2]1/2

       因此，導體電阻變大為R0/[1-（v/c）2]1/2。這樣就產生了與歐姆定律的直接矛盾。因為，實驗發現，電壓表、電流表的讀數都沒有發生變化，U、I不變，因此，R=U/I也不應該發生變化。

       另外，認為導體的電阻不變，則導體的電阻率就是一個變化的數值。通過簡單的計算會發現，電阻率變為原來的1/[1-（v/c）2]倍。即有：ρ=ρ0/[1-（v/c）2]，而此也不是事實。這是因為，我們實驗室中的導體都在隨地球的自轉與公轉而處於運動狀態，我們並沒有發現導體的電阻率因不同國家的緯度的不同而有明顯的不同。因此，導體的電阻率應該是一個運動不變量。但這裡的電流表的讀數就是沒有發生變化。

       這一現象怎麼解釋？

       五、相對論與量子理論的矛盾

       1、多普勒效應與能級躍遷

       量子力學告訴我們不同的元素能發出不同顏色的光，這種光的顏色與相應的元素的對應關係稱為這種元素的特徵光譜。這就產生一個問題，在一個實驗者的實驗室內某種顏色的光不能被某一原子吸收時，一個相對於這個實驗者運動的觀測者認為，當其以一定的速度運動時，光子會發生多普勒效應而使其能量發生變化，從而達到這一元素的特徵光譜，應該使原子吸收光子而實現能級躍遷，而事實是這一原子沒有吸收這一光子而發生能級躍遷，光子逃逸掉了。兩者的矛盾如何解釋？當然，也有相反的過程發生，即在一個環境中的一個原子吸收了一個光子而發生了能級躍遷，但在另一個運動的觀測者看來，由於光子會發生多普勒效應，而能量發生紅移或紫移而不應該發生吸收現象，而應該散射掉。相對論如何解釋這一矛盾的過程。

       2、時空變化與隧道效應

       在量子力學中有一種隧道效應，說的是當粒子的能量小於勢壘的能量時，這個粒子也具有一定的機率穿過勢壘。在超導現像中人們在兩片金屬板之間加一絕緣板構成的結構稱為隧道結——厚度約10-9m。這時會有電子通過絕緣體，若在兩端加上電壓，就會形成電流——隧道電流。

       我們可以做一個任意厚度的隧道結——假設是L=1m把這一隧道結連入電路。

       當實驗者相對於這一電路靜止時，會發現電流表的示數為零，這是因為這一隧道結的厚度太大了，是能產生隧道電流的應有厚度的109倍。現在，這一觀測者開始以極高的速度相對於這一裝置運動。由於相對論效應，這時，該隧道結的厚度明顯變小L‘=L(1-β²) 1/2。當運動速度達到某一數值時，L’<10-9m，這時隧道結的厚度滿足隧道效應的產生條件，該實驗者認為能見到隧道電流的產生。但是，我們知道電流表的示數是不會發生變化的，即電流表的示數仍然是零。這個觀測者會產生疑惑嗎？

       3、引力波風波

       2016年6月16日凌晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03:38:53，位於美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器幾乎同時探測到了一個引力波信號；這是繼LIGO2015年9月14日探測到首個引力波信號之後，人類探測到的第二個引力波信號。

       這一消息震驚了科學界，理論物理學家們認為這證明了廣義相對論的正確性，實驗物理學家們認為，證明廣義相對論的最後一塊基石（另外的有光線彎曲、水星進動、微波背景輻射等已先後找到）已經找到。

       其實，讓一個觀測者相對於這個引力波探測器的兩條長臂的方向運動，這時若真的存在鐘慢尺縮現象，則在這個運動的觀測者看來，引力波的長臂在其運動的方向上發生了收縮，則應該發生干涉條紋的變化。

       事實上，世界上運動的物體多了，而引力波並沒有因此而產生干涉條紋的移動。也沒有令人信服地發現引力波的存在。

       4、量子力學與狹義相對論的衝突

       按照狹義相對論的質能關係可知，能量與質量一一對應。因此，在原子吸收光子而發生能級躍遷的過程中，一方面，由於原子吸收了光子而使其能量增加：E=hν，因此，它擁有的整體質量應該增加，增加量為：Δm=hν /c2，但是，另一方面，由量子力學的知識可知，原子吸收光子後軌道電子發生能級上遷，運動速度減小。再由狹義相對論的質速關係：可知m=m0/[（1-（v/c））]1/2可知，軌道電子由於運動速度減小而質量減小。而原子核的質量沒有變化。因此，原子的總質量應該減小。這就產生了不可調和的矛盾。都是應用狹義相對論的知識，在量子力學中卻出現了不可調和的矛盾。

       六、相對論自身的矛盾

       1、運動尺縮與超視距效應

       在某一時刻，地球上兩個觀測者以接近光速運動，一個朝向太陽，一個背離太陽。由鍾慢尺縮可知，此時兩者都距離太陽很近。此時他們能看見太陽細節嗎，能感覺到太陽的炎熱嗎？

       背離太陽方向的運動，反而更接近太陽？

       2、空間變化與黑洞

       由相對論理論可知在運動的觀測者看來，任何物體都是“黑洞”，但“黑洞”又不黑——奇異的旅行。

       假定靜止在地面上的任一物體其質量為m，其體積為V的長方體，則其具有的密度為ρ=m/V而對於從其旁邊運動的慣性系上的觀測者來說則有:m/=m/[1-(v/c)2]1/2 ; V/=V[1-(v/c)2]1/2

       ρ/= m//V= m/[1-(v/c)2]1/2/ V[1-(v/c)2]1/2= （m/V）[1-(v/c)2] =ρ/[1-(v/c)2]

       因此，對於地面上的任一物體，對於一個運動速度足夠大的觀測者來說，其擁有的密度可以達到任意可能的數值，這當然可以達到形成“黑洞”所需要的密度值。由黑洞的形成條件：史瓦西半徑

       可知，任一物體在一個速度足夠大的觀測者看來，其空間尺度都能因為運動捲縮到小於史瓦西半徑而成為黑洞；另一方面，由於光譜的多普勒效應可知，當我們向其運動時，還會發現其發出的光譜的頻率增加，再由λmT=σ可知，其溫度升高，亮度增加。這不是矛盾嗎？

       它是越來越黑變成黑洞哪？還是越來越亮哪？