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龐加萊的迂闊與愛因斯坦的天真

——揭開“狹義相對性原理”蠱惑人心的奧秘

2018/06/13   維加斯新聞報
顧孟潔

       摘 要：真實、細密地觀察自然現象，正確地進行分析、推理，充分而合理地發揮想像力，以及恰當地運用數學工具，是物理學研究的成功之路。本文追踪了“伽利略相對性原理”的由來，揭示了它被後人曲解，並進一步被愛因斯坦利用來當作“重要立論基礎之一”而推出“狹義相對論”的過程及其荒謬性。

       關鍵詞：伽利略相對性原理 龐加萊 愛因斯坦 狹義相對性原理 蠱惑

       Poincarè’s Pedanticism & Einstein’s Naivety

       ——Reveal＂the principle of special relativity＂that contains secrets of inducing people to be confused in their minds

Gu Mengjie（China Electronics Standardization Institute 100007）

       Abstract: Observe the phenomenon of nature truly & carefully,analyse & reason correctly,use mathematical tools properly are the successful road of the research in physics.

       This paper is to trace the origin of＂Galilean principle of relativity＂,reveal that it was distorted by next generations and it was further used by Einstein as ＂important one of his theoretical bases＂to produce his ＂special relativity theory＂process and its absurdities.

       Key words:Galilean principle of relativity; Poincarè; Einstein;the special relativity theory; bewitch

       丁格爾教授的遺恨

       在圍繞愛因斯坦相對論正誤問題的全球百年車輪大戰中，已故英國倫敦大學的丁格爾（H.Dingle）教授稱得上是一位“倒相”營壘中的重量級人物。因為他原來是一位宣傳相對論的大師，從上個世紀20年代起就致力於相對論研究，1922年發表大著《大眾相對論（Relativity for All）》，1940年寫的《狹義相對論（Special Theory of Relativity）》一書是英美許多大學的相對論標準教科書，並且《不列顛大百科全書》的相對論條目就是由他執筆撰寫的。但作為一個正直的科學工作者，當他於1959年突然意識到狹義相對論存在致命問題時，便奮筆直書，對相對論進行反戈一擊。可惜為時已晚，因為“離弦之箭”已不再屬於射手，在他先前長期向社會灌輸“迷魂湯”的過程中，已造就了一些對相對論的“痴迷者”；這樣他就不得不與一位“鐵桿擁相者”麥克瑞（McCrea）在著名雜誌《Nature》上進行曠日持久的激烈的筆戰，直到1968年雜誌編者對此產生“審美疲勞”而不再願意刊發論戰文章為止。在這種無可奈何的情況下，丁格爾教授終於毅然決然地以出版《科學在岔路口上（Science at the Crossroads）》一書，來向世人公開表明他的觀點，以及他對以愛因斯坦相對論為突出標誌的理論物理學被扭曲的現狀及其發展前景的憤慨與憂傷之情。

      【1】綜觀丁格爾教授畢生的學術事業，他在愛氏邪說的“蠱惑”下，長期有力地為其傳道，從他的猛省和反戈一擊固然顯現出了他的作為一個科學工作者的良知，但對他來說實難有回天之力。因為愛氏相對論是集常識性錯誤、邏輯性錯誤、哲理性錯誤以及數學運算法錯誤等等之大成的產物，不是單憑數學、物理和邏輯等幾方面的知識所能釐清和闡明的

      【2】——更不要說還有“皇帝新裝效應”以及“既得利益者的壓制和抵製作用”存在著。但丁格爾教授的學風和人品將能載入青史，而他的未竟的事業將會有大批的後繼者來完成。

       愛氏“狹義相對論”的三大立論基礎是“光速不變原理”、“狹義相對性原理”和“同時性的相對性”。筆者在前通過《走出夢幻的迷霧——揭示愛因斯坦曲解光速攪渾物理學世界的實際》和《氣定神閒破邪招——揭露愛因斯坦曲解時間攪渾物理學世界的行為》兩文，力圖為否證愛氏相對論奠定學理基礎。本文再就愛氏所謂的“狹義相對性原理”進行剖析。但為此勢必牽涉到在物理學史上名聲赫赫的“全能數學家”龐加萊，因為他和以電動力學家著稱的洛倫茲，雖然他們本人並不樂於接受“相對論先驅”的桂冠，但卻實實在在地起著“始作俑者”的重要作用！

       龐加萊大師的迂闊

       在物理學發展的過程中，從物理定律理想模型的建立，再從定性分析到定量計算，都離不開數學。數學既是開展物理學研究的工具，又往往是一些物理學研究成果趨於成熟的標誌。數學與物理學的完美結合，成功地架起了人類社會現代科技突飛猛進的橋樑。但數學並不甘心於僅僅被其他學科當作工具，而有它自主發展的方向與道路。正如世界著名物理學家費恩曼所說的“……數學家們僅僅處理推理的結構，並不真正關心他們所談論的是什麼東西。他們甚至不需要知道他們所談論的是什麼東西，或者，像他們自己常說的那樣，並不關心他們所說的東西是否真正存在。”——正是這樣，當物理學研究過分地依賴數學家，或數學家過度地“插手”物理學研究的時候，麻煩的情況可能就會發生……

       1887年“邁-莫實驗”的零結果和1900年開爾文勳爵的“烏雲驚呼”，一石激起千層浪，引發了物理學精英們的大思考與大暢想。馳名的法國數學大師龐加萊也當仁不讓地介入了對經典物理學質疑和革新的洪流。 1904年，在美國聖路易斯舉行的世界博覽會組織的演講會上，龐加萊率先提出了“相對性原理”，將其列入了物理學的六條普遍原理之中。他說：“根據該原理，對於靜止的觀察者就像對於做勻速運動的觀察者一樣，物理現象的定律必然是相同的；因此，我們沒有而且也不可能有任何辦法辨別我們是否做勻速運動。……”

     【3】龐加萊的這一理論創舉，是對17世紀物理學先輩伽利略為支持“日心說”、批駁“地心說”而提出的建立在常理和直覺判斷基礎上的物體運動具有相對性的思想（後人稱之為“伽利略相對性原理”）的“精緻化“和”定量化”。從伽利略的相對性的思想到龐加萊的“相對性原理”，是理論表述上和實質內容上的一個大步飛躍。進而，龐加萊於1905年寫信給洛倫茲，高度評價他1904年的論文是“極其重要的論文”，並且修正了洛倫茲的某些方程，最後正式把洛倫茲那個變換式命名為“洛倫茲變換式”。就這樣，他大刀闊斧地把對於每一個新的實驗結果創立一種特殊假設的做法，上升為建立一種具有普遍意義的新理論——這樣的大手筆，如果給爾後物理學的進步與發展以巨大的推動力，當然是令人欽佩和值得讚賞的，但如果因他的“名人干預行為”造成巨大的負面影響的話，今人就只能稱之為“迂闊”了！

       伽利略巨匠的灼見

       諺云：真理多走一步，就會變成謬誤。當此圍繞相對論正誤問題的全球百年論爭的大結局依然令人感到撲朔迷離之際，殊有必要對所謂“伽利略變換”的歷史真面目來一次徹底的“尋根之旅”。

       1632年，伽利略出版了他的名著《關於托勒玫和哥白尼兩大世界體系的對話》。書中用“薩爾維阿蒂的大船”帶著船艙中的蒼蠅、蝴蝶、一大碗水和水中的游魚，以及往下滴水的水瓶和下面的寬口罐等等在海（或河）上航行的形像比喻，來說明一條極為重要的真理，即：從船中發生的任何一種現象，是無法判斷船究竟是在運動還是停著不動的。這一形像比喻有力地反駁了維護亞里士多德-托勒玫體系的人（地靜派）反對地動說的強硬理由：如果地球是在高速地運動，為什麼在地面上的人一點也感覺不出來呢？結末，日心說終於戰勝了地心說。後人便把伽利略的這個高明論斷稱為“伽利略相對性原理”。

       伽利略，這位意大利物理學家、天文學家，他發現了物體的慣性定律、擺振動的等時性、拋物體運動規律，是利用望遠鏡觀察天體的第一人，他推翻了亞里士多德關於“物體落下的速度和重量成比例”的學說，建立了落體定律……人們公認他是經典力學和實驗物理學的先驅。因此，後人把他關於物體的運動（區別“動”與“靜”）具有相對性的這種鮮明的觀點命名為“伽利略相對性原理”，是恰如其分的。之後的物理學研究者和物理教師們，一步一步地又在此基礎上進行引申發揮，提出來諸如“慣性系”、“參考系”這一類的概念。其大意是：“一個參考係可以代表一類處於相同運動狀態的物體”；“適用於牛頓運動定律的參照(考)系，稱為慣性系”，以及如此等等，但這些已不屬於伽利略所首創的那個“運動的相對性”的樸素的觀念了。

       愛因斯坦是從幼年時代起就好幻想和做“白日夢”的人。他出道後的名言滿天飛，其中有一句他的真實感言是：“想像力比知識更重要，因為知識是有限的，而想像力概括著世界上的一切，推動著進步，並且是知識進化的源泉。嚴格地說，想像力是科學研究中的實在因素。”

     【4】到今天我們終於看到，愛因斯坦同伽利略的想像力有一個顯著的差別：伽利略的想像力是建立在理性的框架內和觀察、實踐的基礎之上的，而愛氏則不然，就如他1936年給格羅斯曼（Grossmann）夫人的信中所表白的他自己是“一個離經叛道和好夢想的人”。這種思維方式，就遠不是“比真理多走一步”，而是越出了很多，而不幸的是，這種情況在他之前已先發生在了全球數學明星龐加萊的身上！

       偏見比無知離真理更遠

       被後人命名的“伽利略相對性原理”，原本只是一種質樸的思想，是治學嚴謹的科學工作者的一項真知灼見。它只是藉用人們的常識和生活經驗，運用形象化的生動比喻，闡明了在人的主觀感覺中“動”與“靜”的相對關係，以及“慣性”這種特殊的力學現象。它僅是一種定性的表述，而並非定量的計度。因為要反駁“地靜派”的觀點，這已經夠了。

       但是我們看到，在伽利略之後二三百年，由龐加萊所提出的“相對性原理”，由於他所邁出的是“虛擬的一步”，因而成為了一種脫離實際的“數學家的空想”。現具體分析如下：

       ——“勻速運動”是一個不清晰、不嚴謹的概念。差不多今天的人們憑常識就都明白，在宇宙自然界，從宇觀的天體、宏觀的在地球表面運動著的物體（諸如天上的飛機、地面上飛馳的車輛、海上的航船……）到物質深層微觀的粒子，都是在沿著一條弧形的軌道運行著，在穩定的理想狀態下，它們是在進行著一種等加速的圓周運動，而絕非“勻速直線運動”。 （其實只要想一想人造衛星和太空飛船的運行情況，一切便不言自明。）

        ——“伽利略相對性原理”只是一種定性的、近似的和形象化的表述，並沒有列出什麼可供定量地精確計算用的數學方程式（後人所稱的“伽利略變換式”實為一種“狗尾續貂”式的杜撰）。在有限的距離或長度內，把球面視為平面，把弧線視為直線，用初等數學（算術或代數）的方法來計算運動物體與靜止物體（或兩組運動物體）之間的相對速度，稱不上是運用什麼原理。

        ——從嚴格的理論意義上看，說兩個坐標系“相互間進行著勻速（直線）運動”，就現今適合於牛頓定律的地球（乃至太陽係也罷）這個“慣性系”來說，上述情況純屬空想或空談。至於說，在地球上的任意的不同的坐標系之間存在什麼樣的相互運動關係，那是屬於同一個慣性系內部的事，可以運用規範的數學方程式來進行計算。

        ——那種說在兩個相互作勻速（直線？）運動的“系統”之間物理現象的定律必然是相同的云云，是沒有意義的，因為這種情況屬於不必要的虛構或稱妄念！

       但長期以來，由於一系列眾所周知的原因和過程，丁格爾教授所驚嘆和憂傷的“科學在岔路口上”不僅真正地存在，而且已經越走越遠、愈陷愈深了……

       愛氏東施效顰的天真

       宇宙間萬物的生長、運行和無窮變幻，其潛在的規律或法則，對於甚為有限的人的智力來說，是永遠不能徹底破譯之謎。龐加萊提出“相對性原理”以及他和洛倫茲兩人聯手拋出“洛倫茲變換”，這屬於天賦人權所涵蓋的學術探索自由，是值得人們尊重並大力提倡的。