|
研究超光速問題，類似於研究超音速飛機，誰先開展誰先受益。二十世紀五、六十年代，美國、前蘇聯和歐洲一些國家率先研究超音速飛機，帶動了一系列科學技術迅速發展，超音速飛機也隨之誕生。在今天，超音速飛機已經成為人類科學技術的重要成果和重要基礎之一。
研究超音速飛機的先行者成為領先者之後，他們就變成了領先認識、領先技術、領先產品的生產者和銷售者，一直受益多多。超音速飛機研究的落後者和曾經的旁觀者卻只能被動地購買領先者的認識、技術和產品，付出巨大的代價，並長期尾隨人後。尤其應該指出的是，生產超音速飛機的技術，還是研究和製造超音速軍事武器的重要基礎。
超光速，指速度值大於C=299792458米/秒的情況。凡是與超光速有關的事情，都可稱之為超光速問題。研究超光速問題，一方面可以擴展人類對超光速問題的認識，另一方面可以促進“超光速”技術迅速發展，例如推動“發現”超光速的實驗，“製造”超光速的技術都迅速發展。尤其應該指出，人工“製造”超光速的技術，還是研究和製造超光速軍事武器的重要基礎。
在本文中，我們使用綜合實踐法這種創新的研究方法，對超光速問題進行研究，得出了如下結論：根據現有的測量速度值的技術方法和相關經驗，任何物體的速度值，包括光的速度值，都應該使用具體測量設備，通過具體測量活動來確定；在兩種特殊情況下，也就是約定基準米和約定真空中的介電常數和磁導率的時候，相當於約定了特定情況下的光速值C=299792458米/秒，但由此並不能推論任意情況下的光速值都是常數C；依託具體事例，愛因斯坦的光速不變假設可以落實為兩種說法和兩個數學方程，或者表述為兩個數學方程和兩種解釋；研究表明，光速不變假設的兩個數學方程和解釋，只有一個符合球定義，並能獲得足夠的實驗支持，另外一個數學方程和解釋製造出“雙心怪球”，推翻球定義，缺乏足夠的實驗支持，所以，光速不變假設是正確內容與錯誤內容並肩而立的混合物，這是有關的爭論延續了100多年的主要原因；使用綜合實踐法這種創新的研究方法研究超光速問題，突破超光速研究的人為障礙，具有重要意義。
一、創新的綜合實踐法簡介
關於超光速問題，有很多具體觀點，其中包括如下兩種存在矛盾的基本觀點：
“創新者”的基本觀點。在工程技術領域，經過長期實踐，關於使用測量設備，通過具體測量，觀測確定運動物體的速度值，已經有很多技術方法和相關經驗。根據上述測量速度值的技術方法和相關經驗，研究超光速問題的“創新者”認為：任何物體的速度值，包括光的速度值，都應該使用具體測量設備，通過具體測量活動來確定；人們既可以積極地去發現“天然”超光速現象，也可以努力地去製造“人造”超光速事件。
“守舊者”的基本觀點。愛因斯坦在狹義相對論中根據光速不變假設曾經斷言，光速是宇宙中的最大速度，宇宙中不存在超光速。根據愛因斯坦的上述斷言，研究超光速問題的“守舊者”認為：宇宙中不存在超光速現象，人類也無法研究出製造超光速的技術；或者僅當實驗中證據確鑿地發現了超光速現象之後，人們才有必要對狹義相對論光速不變假設進行反思審查和修改完善，同時開始研究超光速技術。
本文使用綜合實踐法這種創新的研究方法，研究了超光速問題。綜合實踐法包括認識綜合和認識實踐兩部分內容。下面以研究超光速問題為例，給予簡介。
認識綜合：針對超光速問題，可以把涉及超光速問題的一些重要現象、實驗、觀點、理論都綜合起來，例如把物理學中確定速度值的方法，確定光速值的方法，愛因斯坦的光速不變假設等內容綜合起來，這樣就可以獲得關於超光速問題的“初級版”綜合圖像。
認識實踐：基於上述認識綜合，一方面，對以往超光速問題認識成果的可靠性進行獨立檢驗，得出創新認識；另一方面，使用創新的認識方法研究更多的超光速問題，發現前人未曾認識到的新情況，獲得創新認識。例如獨立研究光速不變假設與球定義的關係，光速不變假設與實驗的關係，對超光速問題的創新研究方法等，並獲得創新認識。然後，基於創新認識，對超光速問題的“初級版”綜合圖像進行補充、修改和完善，獲得“升級版”綜合圖像。
使用綜合實踐法研究超光速問題的最大特點是：針對超光速問題，面對存在矛盾的不同觀點，研究者不是先入為主地擁護某種觀點，簡單輕率地否定另一種觀點，而是把相互矛盾的觀點先綜合起來，讓它們平等地等待後面認識實踐的檢驗。通過繼續進行認識實踐就可以確定，有些相互矛盾的觀點，實際上是盲人摸象式的矛盾，相當於“摸到的大象尾巴者”和“摸到的大象腿者”發生爭論。有些相互矛盾的觀點，卻是“摸到的大象耳朵”和“想像的大象翅膀”之間的矛盾，是“盲人摸象”和“盲人想像”的爭論。
二、使用綜合實踐法研究超光速技術
使用綜合實踐法，我們綜合了如下認識：物理學中確定速度值的方法，確定光速值的方法，狹義相對論的光速不變假設；然後，我們對以下問題進行了認識實踐：光速不變假設與球定義的關係，光速不變假設與實驗的關係，研究超光速問題的創新方法。
2.1速度值必須使用時鐘和量尺測量獲得
在物理學中談論速度值時，必須有實驗依據，才有物理意義。例如說一個人的步行速度值是每秒1米，一個子彈的運動速度值是500米每秒，這都有實驗依據。這裡所說的實驗依據，就是使用時鐘和量尺進行的具體測量活動及其結果。
具體說，如圖一所示，假設有一個相對地面靜止的觀測者，以下簡稱為靜止觀測者，他手裡有一個時鐘和一個量尺。他在地面上畫一條直線，在直線上設定A、B、C三點，他使用量尺測出AB間的距離為4米，BC間的距離為12米。然後，他在B點向C點快速地踢出一個足球，同時，他使用時鐘開始計時。通過使用時鐘計時，他觀測確定足球直線滾動12米，從B到C所用時間值為1秒。在這種情況下，他使用時鐘和量尺觀測確定的足球相對地面的速度值就是v1=12米/1秒=12米/秒。
在上述情況下，靜止觀測者說足球的速度值是12米/秒，就是有實驗依據，不是憑空虛構。對於他說的足球運動速度值為12米/秒，別人也可以進行重複性實驗，驗證其真偽。在本文下面的內容中，在類似情況中都是如此。
假設在靜止觀測者進行上述測量，從B點向C點踢出足球時，另有一個實驗者乘滑板車也從B點出發，快速地滑向A點。靜止觀測者使用自己的時鐘、量尺測出“滑板車實驗者”直線滑行4米，從B到A所用的時間值為1秒。那麼在上述情況下，靜止觀測者觀測確定的“滑板車實驗者”相對地面的速度值就是v2=4米/1秒=4米/秒。
對於靜止觀測者來說，在他使用的時鐘顯示1秒時間值裡，足球從B點出發運動12米，到達了C點，運動觀測者從B點出發運動4米，到達了A點，足球相對運動觀測者的運動距離為（12 + 4）米=16米，因此，足球相對“滑板車實驗者”的速度值是v3=（12 + 4）米/1秒=16米/秒。
在上述情況中，如果“滑板車實驗者”手裡也有一套時鐘和量尺，而且他也使用自己的時鐘和量尺測量速度值，那麼，這個“滑板車實驗者”，以下簡稱為運動觀測者，他測出的速度值是多少呢？
對於運動觀測者來說：如果運動觀測者使用的時鐘跟靜止觀測者使用的時鐘是完全相同的時鐘，一個時鐘顯示1秒時間值時，另一個時鐘對應地也顯示1秒時間值，這樣的兩個時鐘就是同步時鐘；如果運動觀測者使用的量尺跟靜止觀測者使用的量尺是完全相同的量尺，一個量尺顯示的1米長度值，與另一個量尺顯示的1米長度值永遠等長，這樣的兩個量尺就是同長量尺；在運動觀測者與靜止觀測者使用同步時鐘和同長量尺的情況下，運動觀測者通過正確的測量活動，他測出的足球相對運動觀測者的速度值就是V1=（12 + 4）米/1秒=16米/秒，靜止觀測者相對運動觀測者的運動速度值就是V2=4米/秒，足球相對靜止觀測者的運動速度值就是V3=12米/秒。
但是，如果運動觀測者使用的時鐘跟靜止觀測者使用的時鐘是不同的時鐘，一個時鐘顯示1秒時間值時，另一個時鐘對應地顯示了多於1秒或少於1秒的時間值，這樣的兩個時鐘就是非同步時鐘；如果運動觀測者使用的量尺跟靜止觀測者使用的量尺是不同的量尺，一個量尺顯示的1米長度值，與另一個量尺顯示的1米長度值不等長，這樣的兩個量尺就是非同長量尺；在上述情況下，運動觀測者使用自己的時鐘和量尺測出的足球相對運動觀測者的速度值、靜止觀測者相對運動觀測者的速度值、足球相對靜止觀測者的速度值，就既有可能分別是16米/秒、4米/秒、12米/秒，也有可能是其他速度值。具體是多少，就得由運動觀測者所用的時鐘、所用的量尺、所做的測量活動等三要素共同決定了。但是，在這種情況中，對速度值是不能憑空假設，信口咬定的！
應該指出，兩個觀測者測量同一物體的速度值，並把測量結果進行比較時，他們首先應該搞清楚兩個觀測者使用的時鐘是否是同步鐘，兩個觀測者使用的量尺是否是同長尺，然後，他們對測量結果進行比較才有明確意義。否則，就可能導致有關的爭論。
2.2在兩種特定條件下，光速值C=299792458米/秒
一般情況下，時間這個名詞既指各種事物都處於運動變化中這種可觀測性質，也指時鐘顯示的“時間讀數”。因此，在本文中，為了說明問題，防止混淆，對於時鐘顯示的“時間讀數”，本文專門使用“時間值”來表述。
同理，一般情況下，長度這個名詞既指各種事物都有一定尺度、都佔據一定空間這種可觀測性質，也指量尺顯示的“長度讀數”。因此，在本文中，為了說明問題，防止混淆，對於量尺顯示的“長度讀數”，本文專門使用“長度值”來描述。
因為現實中存在各種各樣的時鐘，各種時鐘顯示時間值的“進程”有快有慢，快慢不同，所以，人類約定了時間值的基準，簡稱為基準秒：銫133原子基態的兩個超精細能級間躍遷輻射的9192631770個週期的持續時間為1秒。各種時鐘顯示時間值的基本單位“秒”，都需要相對上述基準秒進行校對。
同理，因為現實中存在各種各樣的量尺，各種量尺顯示長度值的“刻度”有長有短、長短不一，所以，人類約定了長度值的基準，簡稱為基準米：光在真空中1/299792458秒時間間隔內所行進的路程為一米。各種量尺顯示長度值的基本單位“米”，都需要相對上述基準米進行校對。
應該指出，根據上述基準米約定，在提供基準米的裝置中，提供基準米的特定光，它在1/299792458秒時間值裡行進的路程被約定為一米，這就等於約定提供基準米的特定光，它在提供基準米的裝置裡相對裝置本身的運動速度值v=1米/(1/299792458)秒=299792458米/秒。對於上述特定情況下的光速值，一般情況下使用特定字母C來表示，也就是C=299792458米/秒。
類似的，在電磁學中，人們在約定真空中的介電常數和磁導率時，也約定在特定的條件下，特定的光，相對特定物體的速度值為C=299792458米/秒，這就是人們可以從電磁學的麥克斯韋方程中推導出光速值C=299792458米/秒的原因。
必須指出，以上所述兩種情況，都是在特定情況下，特定的光，相對特定物體的速度值是C=299792458米/秒。
另外，在類似的情況中，觀測者使用時鐘和量尺測量光速值，也可以測得特定光，相對特定物體的速度值是 C=299792458米/秒。
關於一般情況下測量光速值的情況，可以參照前面討論測量足球速度值的情況，進行具體討論。把圖一中的“足球”更換為“光束”，就變成了圖二所示的情況，再進行類似的測量活動，就可以得到如下觀測結果。應該指出，本文以下所說的觀測確定光速值，實際上是按照現有的測量速度值的技術方法和相關經驗進行邏輯推理的結果，同時沒有盲目地照抄照搬狹義相對論光速不變假設的有關說法。
如圖二所示，讓靜止觀測者在地面上畫一條直線，在直線上設定A、B、C三點，他使用量尺測出AB間的距離為4米，BC間的距離為299792458米。然後，靜止觀測者在B點向C點發射一束光，同時，他使用時鐘開始計時。通過使用時鐘計時，他觀測確定光束直線運動299792458米，從B到C所用時間值為1秒。在這種情況下，他使用時鐘和量尺觀測確定的光束相對地面的速度值就是v1=299792458米/1秒=299792458米/秒。一般情況下測量光速值的具體實驗，基本原理大多如此。
若在靜止觀測者進行上述測量，從B點向C點發出光束時，另有一個實驗者乘滑板車也從B點出發，快速地滑向A點。靜止觀測者使用自己的時鐘、量尺測出“滑板車實驗者”直線滑行4米，從B到A所用的時間值為1秒。那麼在上述情況下，靜止觀測者觀測確定的“滑板車實驗者”相對地面的速度值為v2=4米/1秒=4米/秒。
在上述情況中，在靜止觀測者看來，在靜止觀測者使用的時鐘顯示1秒時間值裡，光束離開B點到達C點運動距離為299792458米，“滑板車實驗者”離開B點到達A點運動距離為4米，所以，光束相對“滑板車實驗者”的運動距離是（299792458+4）米=299792462米，因此，光束相對“滑板車實驗者”的速度值v3=（299792458+4）米/1秒=299792462米/秒。在這裡，v3=299792462米/秒>C=299792458米/秒，就是超光速。
在上述情況中，如果“滑板車實驗者”手裡也有一套時鐘和量尺，而且他也使用自己的時鐘和量尺測量速度值，那麼，這個“滑板車實驗者”，以下簡稱為運動觀測者，他測出的速度值是多少呢？
對於運動觀測者來說，如果他按照現有的測量速度值的技術方法和相關經驗進行推論，而不是盲目地照抄照搬狹義相對論光速不變假設的有關說法，那麼，在運動觀測者與靜止觀測者使用同步時鐘，使用同長量尺的情況下，運動觀測者通過正確的測量活動，他測出的光束相對運動觀測者的速度值也應該是V1=（299792458+4）米/1秒=299792462米/秒。在這裡，V=299792462米/秒>C=299792458米/秒，就是超光速。與此同時，運動觀測者觀測確定的靜止觀測者相對運動觀測者的速度值是V2=4米/秒，光束相對靜止觀測者的速度值是V3=299792458米/秒。
當然，如果運動觀測者與觀測者使用的時鐘是非同步時鐘，使用的量尺是非同長量尺，那麼在上述情況下，運動觀測者測出的光束相對運動觀測者的速度值，就既有可能是299792462米/秒，也有可能是其他速度值。運動觀測者觀測確定的靜止觀測者相對運動觀測者的速度值、光束相對靜止觀測者的速度值也既有可能是4米/秒、299792458米/秒，也有可能是其他速度值。具體是多少，那就得由運動觀測者所用的時鐘、所用的量尺、所做的測量活動等三要素共同來決定了。但是，對於這種情況的光速值，同樣不應該憑空假設，信口咬定！
為了更好地說明測量光速值的問題，在這裡需要介紹一下與測量光速值有關的球定義和球的數學方程。關於球，有如下定義：半圓以它的直徑為旋轉軸，旋轉所成的曲面叫做球面。球面所圍成的幾何體叫做球體，簡稱球。半圓的圓心叫做球心。連結球心和球面上任意一點的線段叫做球半徑。球的示意圖如圖三所示。按照上述球定義，一個球只能有唯一的球心、半徑、球面。
在圖三所示的直角坐標系oxyz，當一個球的半徑為r，球心座標在直角坐標系oxyz的原點，球面上任意一點的座標為（x、y、z）時，球的數學方程為
x 2+ y2 + z 2= r 2
設有如圖四所示的兩個直角坐標系r-oxyz、R-OXYZ，r系和R系的x、X軸重合，y、Y軸平行，z、Z軸也平行，且R系沿r系x軸正方向以u速運動。另設r系和R系原點o、O重合，兩系時間值t=T=0時，在r系原點o處有一個點光源發出一個球面光波。然後，就有了一個“三體”運動的情況，一個C速膨脹的球面光波裡，有兩個觀測者u速遠離。
對於上述“三體”運動情況，r系原點o處觀測者根據現有的測量速度值的技術方法和相關經驗，可以對球面光波運動給出如下描述：在r系，點光源發出的球面光波從半徑為零開始，以v速膨脹為球形，球面光波的半徑r=vt，球面光波的球心始終在光源處，也就是始終在r系原點o處，在球面光波上選擇任意一點，該點時空座標為（x、y、z、t），則球面光波的數學方程為（1）式
x 2+ y2 + z 2= r2=v2 t 2 ……………………………（1）
方程（1）描述的就是一個球心在r系原點o，半徑r=vt的動態球面光波。球面光波上的任意光子相對r系的速度值為
v =√(x^2+y^2+z^2 ) /t =（x2+y2+z2）1/2/t
在符合約定光速值C=299792458米/的特殊情況下，或者在特定的測量條件下，可以有v=C=299792458米/秒。
對於上述“三體”運動情況，R系原點O處觀測者根據現有的測量速度值的技術方法和相關經驗，可以對球面光波運動給出如下描述：在R系，點光源發出的球面光波從半徑為零開始，以V速膨脹為球形，球面光波的半徑R=VT，球面光波的球心始終在光源處，該球心和光源在R系沿X軸負方向以u速運動，在球面光波上選擇任意一點，該點時空座標為（X、Y、Z、T），則球面光波的數學方程為（2）式
（X+Ut）2+ Y 2+ Z 2= V2 T2 ……………………………………（2）
方程（2）描述的就是一個球心在點光源處，也就是在r系原點o，該球心和點光源在R系沿X軸負方向以u速勻速移動，半徑R=CT的動態球面光波。球面光波上的任意光子相對R系的速度值為
V=√(〖(X+uT)〗^2+Y^2+Z^2 )/T=[(X+uT)2+Y2+Z2 ]1/2/T
在上述情況下，球面光波上的不同光子相對R系各有具體速度值，並非都是V=C= 299792458米/秒。在R系觀測者和r系觀測者使用的時鐘是同步時鐘，使用的量尺是同長量尺的情況下，R系和r系的時鐘時間值可以具有如下關係T= t, 球面光波上任意點的X、x座標值可以存在如下關係X=x-uT。在特定情況下，當v=C時，在x、X軸正方向上可以有 V= C–u，在x、X軸負方向上可以有V=C+u。
2.3愛因斯坦光速不變假設的物理意義
1905年，愛因斯坦通過《論動體的電動力學》一文建立狹義相對論時，首先提出了相對性原理和光速不變假設。光速不變假設內容如下：無論在何種慣性系（慣性參照系）中觀察，光在真空中的傳播速度都是一個常數，不隨光源和觀察者所在參考系的相對運動而改變。這個數值是C=299792458米/秒。
應該指出，從1905年到現在，對於愛因斯坦提出的光速不變假設，有無數的相對論學習者和研究者提出了無數的質疑、批評和完善。面對無數的質疑、批評和完善，愛因斯坦等相對論專家也給出了無數的辯解、回應和說明。因此就有了100多年爭論。
在狹義相對論中，對於光速不變假設，愛因斯坦等人還使用一個具體事例，也就是點光源發出球面光波，球面光波以C速膨脹為球形，兩個相對運動的觀測者觀測上述球面光波的情況，給出了光速不變假設的兩種具體說法和兩個數學方程，具體情況如下：
設有如圖四所示的兩個直角坐標系r-oxyz、R-OXYZ，r系和R系的x、X軸重合，y、Y軸平行，z、Z軸也平行，且R系沿r系x軸正方向以u速運動。另設r、R系原點o、O重合，兩系時間值t=T=0時，在r系原點o處有一個點光源發出一個球面光波。然後，就有了一個“三體”運動的情況，一個C速膨脹的球面光波裡，有兩個觀測者u速遠離。
對於上述“三體”運動的情況，愛因斯坦根據光速不變假設認為：
r系原點o處的觀測者觀測到，點光源發出的球面光波從半徑為零開始，以光速C膨脹為球形，在球面光波膨脹過程中，球面光波的半徑r=Ct，球面光波的球心始終在r系原點o處，也就是始終在點光源處。在球面光波上選擇任意一點，該點時空座標為（x、y、z、t），則球面光波的數學方程為（3）式
x2+y2+z2=r2=C2t2 …………………………（3）
方程（3）描述的就是一個球心在r系原點o，半徑r=Ct的動態球面光波。
R系原點O處的觀測者觀測到，點光源發出的球面光波從半徑為零開始，以光速C膨脹為球形，在球面光波膨脹過程中，球面光波的半徑R=CT，球面光波的球心始終在R系原點O處，也就是不在點光源處。在球面光波上選擇任意一點，該點座標為（X、Y、Z），則球面光波的數學方程為（4）式
X2+Y2+Z2=R2=C2T2 …………………………（4）
方程（4）描述的就是一個球心在R系原點O，半徑R=CT的動態球面光波。
可以說，對於上述“三體”運動的情況，愛因斯坦根據光速不變假設給出的方程（4），它的主要作用之一，就是人為地消除了超過光速C的速度值。正是據此，愛因斯坦斷言光速C是宇宙中的最大速度值，宇宙中不存在超過光速C的速度值。
在狹義相對論中，對於上述“三體”運動的情況，愛因斯坦給出的如上所述兩種說法和方程（3）（4），就是光速不變假設的具體表述，其中的方程（3）（4），就是光速不變假設的數學運算式。
在狹義相對論中，方程（3）（4）是愛因斯坦推導出洛侖茲變換、動鐘變慢、動尺變短、同時的相對性（在狹義相對論時空觀中還有另一種“雷擊火車”的同時的相對性）、速度變換公式等數學方程式的重要前提。
可以說，愛因斯坦就是基於光速不變假設、洛侖茲變換、動鐘變慢、動尺變短、同時的相對性、速度變換公式等數學方程式，建立了狹義相對論時空觀，其中的光速不變假設數學方程（3）（4）式，就是狹義相對論時空觀的重要基礎。
然後，愛因斯坦使用洛侖茲變換在慣性系協變原有的力學公式、電磁學公式之後，就得出了狹義相對論的力學、電磁學。狹義相對論時空觀、狹義相對論的力學、電磁學等內容綜合起來，就是所謂的狹義相對論。
2.4光速不變假設與球定義的關係
關於愛因斯坦給出的光速不變假設，必須強調指出：
（1）在愛因斯坦給出光速不變假設數學方程（3）（4）的情況中，也就是“三體”運動的情況中，只有一個球面光波，這就是r系原點o和R系原點O重合時，r系原點o處點光源發出的球面光波。該球面光波產生後，以光速C膨脹為球形，與此同時，兩個觀測者，也就是r系原點o處觀測者和R系原點O處觀測者，他們始終都在唯一的球面光波裡，並以u速遠離，越來越遠。
（2）在愛因斯坦給出光速不變假設數學方程（3）（4）的情況中，也就是“三體”運動的情況中，在唯一的球面光波上任選一點，該點在r系的時空座標為（x、y、z、t），在R系的時空座標為（X、Y、Z、T），愛因斯坦根據方程 （3）（4）推導出的洛侖茲變換，給出的就是（x、y、z、t）和（X、Y、Z、T）的變換關係。在牛頓時空觀中，（x、y、z、t）和（X、Y、Z、T）的變換關係是伽利略變換。
（3）在愛因斯坦給出光速不變假設數學方程（3）（4）的情況中，也就是“三體”運動的情況中，對於唯一的球面光波，愛因斯坦根據光速不變假設，在r系使用方程（3）進行了描述，在R系使用方程（4）進行了描述。對於這個唯一的球面光波，本文在前面根據現有的測量速度值的技術方法和相關經驗，在r系使用方程（1）進行了描述，在R系使用方程（2）進行了描述。
按照球定義，一個球只能有唯一的球心、半徑、球面。下面，咱們認真地看看愛因斯坦根據光速不變假設，使用方程（3）（4）及其解釋對“三體”運動情況所作的描述，與球定義的關係。
對於“三體”運動的情況，愛因斯坦根據光速不變假設認為，r系觀測者可以觀測到，r系原點o處點光源發出的球面光波從半徑為零開始，以光速C膨脹為球形，在球面光波膨脹過程中，球面光波的半徑r=Ct，球面光波的球心始終在r系原點o處，也就是始終在點光源處。對於上述情況，r系觀測者可以使用方程（3）進行描述。
在這裡，愛因斯坦給出的光速不變假設方程（3）和有關說法，符合“一個球只有一個球心、一個半徑、一個球面”的定義。
對於“三體”運動的情況，愛因斯坦根據光速不變假設還認為，R系觀測者可以觀測到，r系原點o處點光源與R系原點O重合時，點光源發出了球面光波，該球面光波從半徑為零開始，以光速C膨脹為球形，在球面光波膨脹過程中，球面光波的半徑R=CT，球面光波的球心始終在R系原點O處，也就是不在點光源處。對於上述情況，R系觀測者可以使用方程（4）進行描述。
在這裡，因為在上面的說法裡，愛因斯坦已經把r系原點o假設為球面光波的球心，把r=Ct假設為球面光波的半徑，所以，愛因斯坦再假設R系原點O也是球面光波的球心，R=CT也是球面光波的半徑，這就是給唯一的球面光波假設出了“第二球心”和“第二半徑”，這就是製造出了“雙心、雙半徑球”，推翻了球定義。因此，簡而言之，愛因斯坦給出的光速不變假設方程（4）和有關說法，不符合“一個球只有一個球心、一個半徑、一個球面”的定義，等於是推翻了球定義。
在狹義相對論中，對於“三體”運動的情況，愛因斯坦堅持光速不變假設方程（3）（4）同時成立，就等於r系原點o處觀測者和R系原點O處觀測者也都堅持方程（3）（4）同時成立。因此，r系原點o處觀測者就必須承認如下奇特說法也是正確的：“在C速膨脹的唯一球面光波裡，根據方程（3），我在唯一球面光波的球心，根據方程（4），R系原點O處觀測者也在唯一球面光波的球心，因此，唯一的球面光波就有了兩個不在一處的球心，這樣的雙心球，只能存在於狹義相對論中。”同理，R系原點O處觀測者也必須承認如下奇特說法也是正確的：“在C速膨脹的唯一球面光波裡，根據方程（4），我在唯一球面光波的球心，根據方程（3），r系原點o處觀測者也在唯一球面光波的球心，因此，唯一的球面光波就有了兩個不在一處的球心，這樣的雙心球，只能存在於狹義相對論中。”這樣奇葩的說法，在人類歷史上幾乎是絕無僅有。
實際上，對於“三體”運動的情況，愛因斯坦根據光速不變假設給出數學方程（3）（4）式，製造出“雙心怪球”之後，愛因斯坦所說的“球面光波”，已經就是推翻球定義“雙心怪球”了，跟人們通常所說的符合球定義的“單心球”已經完全不是一回事了。在這種情況下，產生有關的質疑和爭論，就是難以避免的事情了。
2.5光速不變假設與有關實驗的關係
對於“三體”運動的情況，把光速不變假設的數學方程（3）（4）及其物理解釋，與本文前面測量光速值的具體討論和結果相比較，可以說：
在點光源一直位於r系原點o的情況下，愛因斯坦根據光速不變假設方程（3），在r系說C速膨脹的球面光波是以r系原點o為球心、以r=Ct為半徑的動態球面光波，這符合球定義，也符合現有的測量速度值的技術方法和相關經驗，也能獲得足夠的實驗支持。這也就是說，愛因斯坦光速不變假設方程（3），能得到足夠的實驗支持。
但是，在點光源一直位於r系原點o，不在R系原點O的情況下，愛因斯坦根據光速不變假設方程（4），在R系說C速膨脹的球面光波還是以R系原點O為球心、以R=CT為半徑的動態球面光波，這等於說唯一的球面光波在r系原點o有一個球心，在R系原點O還有第二個球心，唯一的球面光波在r系有一個半徑r=Ct，在R系還有第二個半徑R=CT，這就是製造出“雙心、雙半徑怪球”，推翻球定義了。而且，上述說法也不符合現有的測量速度值的技術方法和相關經驗，也缺乏足夠的實驗支持。這也就是說，愛因斯坦光速不變假設方程（4），缺乏足夠的實驗支持。
簡而言之，對於“三體”運動的情況，愛因斯坦光速不變假設的兩個數學方程及其解釋，一個符合球定義，能獲得足夠的實驗支援，另一個製造出“雙心怪球”，推翻球定義，缺乏足夠實驗支持。所以，愛因斯坦光速不變假設就是半對半錯的混合物。
2.6研究超光速問題的創新方法
可以說，愛因斯坦的光速不變第二假設和方程（4），它的主要作用之一，就是人為地消除了超過光速C的速度值。正是據此，愛因斯坦斷言光速C是宇宙中的最大速度值，宇宙中不存在超過光速C的速度值。
可以說，由於愛因斯坦光速不變假設是半對半錯的混合物，其中的方程（4）及其解釋存在製造“雙心怪球”，推翻球定義，缺乏足夠實驗支持等困難，所以，愛因斯坦等人根據光速不變假設和方程（4）作出的斷言：光運動的速度值在各種情況下都是常數C，光速C是宇宙中的最大速度，宇宙中不存在“天然”的超光速現象，人們也無法使用實驗設備人工“製造”出超光速事件，這些斷言仍然都是假設，是對實際情況的假設想像，而不是寫真圖像，這樣的假設想像完全不應該成為研究超光速問題的認識障礙。
在以往，人們在實驗中不斷地發現一些貌似速度值超過光速值C=299792458米/秒的實驗現象，對此，相對論擁護者根據光速不變假設和方程（4），堅持認為，在實驗中發現的疑似超光速，一定是實驗存在錯誤所致，例如實驗操作存在失誤，實驗資料存在錯誤，處理實驗資料有誤等，所以，在實驗中根本不存在超光速現象。
可以說，在今後研究超光速問題時，使用綜合實踐法這種創新的認識方法，突破光速不變假設製造的人為認識障礙，把涉及超光速問題的一些重要現象、實驗、觀點、理論都綜合起來，把以往的疑似超光速實驗也綜合起來，然後積極地進行創新的認識實踐，積極地探索研究更多的超光速實驗，這樣的創新研究具有重要意義，值得積極進行。使用上述創新的研究方法，人們就有可能一方面實現認識突破，通過有關實驗發現“天然”的超光速現象，另一方面實現技術突破，使用技術手段製造出“人造”超光速事件。
三、研究結論
根據現有的測量速度值的技術方法和相關經驗，可以說，任何物體相對參照物的速度值，都應該使用時鐘和量尺通過測量獲得，測出來多少就是多少。
對於光相對參照物的速度值，也應該使用時鐘和量尺測量獲得，測出來多少就是多少。在兩種特殊情況下，一是在計量學中約定長度值基準時，二是在電磁學中約定真空中的介電常數和磁導率時，可以分別約定兩種特殊情況下的光速值是常量C=299792458米/秒。但是，由此並不能無條件地推定在任意情況下光速值都是常量C，光速值無須使用時鐘和量尺測量獲得了，可以隨意假設、信口咬定了。
依託具體案例，對於“三體”運動的情況，愛因斯坦的光速不變假設可以落實為兩種具體說法和兩個數學方程，或者落實為兩個數學方程和兩種解釋。
光速不變假設的兩個數學方程和兩種解釋，其中的一個符合球定義，能獲得足夠的實驗支援，另一個製造出“雙心怪球”，推翻球定義，缺乏足夠的實驗支持，因此，光速不變假設就是半對半錯的混合物。這就是圍繞光速不變假設產生100多年爭論的重要根源之一。
綜合實踐法這種創新的研究方法，是研究超光速問題的最重要、最有效方法之一。
應該指出，在狹義相對論中，由於光速不變假設的數學方程（3）（4）式，既是推導洛侖茲變換等數學方程式的依據，也是狹義相對論時空觀的基礎，同時也是狹義相對論的基礎，所以，由邏輯規律所決定，方程（4）式製造出“雙心怪球”，推翻球定義，缺乏足夠的實驗支持，這樣的矛盾和困難都會不可避免地擴散到狹義相對論的很多具體結論中。所以，洛侖茲變換等數學方程式，狹義相對論時空觀，乃至狹義相對論的很多具體結論，都會像光速不變假設那樣，既有正確的內容，也有錯誤的內容，是半對半錯的混合物。可以說，這就是圍繞狹義相對論產生100多年爭論的重要根源之一。
可以說，在100多年的狹義相對論爭論中，對於製造出“雙心怪球”，推翻球定義，缺乏實驗支援的那部分內容遭到的質疑和批評，愛因斯坦等相對論專家經常使用符合球定義，能得到實驗支援的另一部分內容作為證據，為之辯解。因此就導致有關的爭論一直綿延不絕，一直難以根除。
應該指出，在1905年愛因斯坦提出光速不變假設，建立狹義相對論之前，“洛侖茲變換”早已經誕生和存在，愛因斯坦不過是根據光速不變假設重新推導出了類似於“洛侖茲變換”的數學方程式而已。實際上，直接使用原有的“洛侖茲變換”去改造原有的力學公式、電磁學公式，同樣可以得出狹義相對論的很多具體結論。這也就是說，在今天，直接使用原有的“洛侖茲變換”去改造原有的力學公式、電磁學公式，獲得狹義相對論的有價值內容，同時拋棄製造出“雙心怪球”，推翻球定義，缺乏足夠實驗支援的那部分狹義相對論內容，人們就可以推動狹義相對論走向發展完善，解決100多年爭論。
作者簡介
齊新，《管理大腦思想》《智勝愛因斯坦》圖書的作者，智慧大腦系列文化產品開發專案負責人，1964年2月出生；1986年畢業於內蒙古師範大學物理系，此後在赤峰學院物理系任教多年；2002年至2014年先後在《北方經濟報》和《內蒙古日報》擔任記者、編輯、部門主任等工作；2011年成立呼和浩特新動力文化傳媒有限責任公司。
齊新是管理大腦思想首倡者，大腦思想圖、大腦小精靈和管理大腦思想記錄表發明人；立足現代科學和中華優秀傳統文化等，對物質、時間、空間、生命、大腦、思想等問題進行了長期的跨學科研究；宣導人們立足現代科學，學習應用傳統文化管理智慧；進行管理大腦思想，重用好思想，禁止壞思想；對身體上的言行、情緒、習慣、成敗進行控制，實現增好減壞；致力於研究推廣中華優秀傳統文化智慧人物的大腦智慧，研究和推廣科學先進的大腦學習、記憶、思考方法，創新、覺悟、管理智慧等。
齊新在立足現代科學，學習應用中華優秀傳統文化，進行跨學科、跨文化探索和研究方面進行了長期的積極實踐。1998年，經中國科協原副主席、航太工業總公司總工程師莊逢甘院士推薦，齊新在《宇航學報》1998年第2期發表科學論文“論GPS與相對論時空觀”。2009年，經全國政協原副主席、國家科委原主任宋健院士推薦，齊新在《前沿科學》2009年第2期發表科學論文《狹義相對論被爭論100多年的主要原因》。2006年6月，齊新在內蒙古教育出版社出版科普書《智勝愛因斯坦》。 2017年7月，在光明日報出版社出版《管理大腦思想》圖書。
|
