愛因斯坦的相對論是如何被驗證的？

爭論一個問題而沒有解決它，比解決一個問題而沒有爭論它要好！ ——約瑟夫·朱伯特（1754年-1824年）

這句話什么意思呢？很簡單，結論沒那么重要，重要的是充分的討論才能保證我們不會誤入歧途。這段話被法國數學學會采用，而成為數學家們的科學信條。

法國作家勒旁告訴我們，烏合之眾有一個特點，就是只迷信權威，只接受對或錯的答案，他們對得出結論的經過沒有興趣，因為他們不愿使用大腦來思考。

相對論被驗證過嗎？回答這個問題并不難，重要的是想讓人們了解，任何一個觀點成為結論之前都有一個討論的過程，這期間，有許多不同的觀點在競爭，只有經過時間考驗的觀點才能成為一個結論。但是，沒有誰能保證這個結論會成為終極結論，因為任何一個反例就能讓一切推倒重來，這才是科學的真諦：比結論更重要的是，我們必須建立一種機制來保證科學的發展不誤入歧途。只有經得起考驗的理論才能稱之為科學理論，反之，這些所謂的理論不過是些假說。

我們身處在同一個宇宙，卻有經典物理學、相對論、量子力學和弦理論四種觀點尖銳對立，結論互不相容的物理理論。理性告訴我們，只有一個能夠解釋宇宙所有疑問的理論才能稱之為終極理論。目前哪種理論符合終極理論的標準呢？請坐好扶穩！答案是，目前的理論沒有一個可以自洽地解釋宇宙所有的疑問，也就是說，沒有一個理論是完全正確的理論。請注意，包括被人奉上神壇的相對論，因為狹義相對論和廣義相對論都不能自洽的解釋宇宙的運作原理。 抱歉！讓人失望了，不過責任不在我，如有疑問，請左轉一萬公里找愛因斯坦本人去評理。

我們知道，經典物理學認為量子是一種波；相對論和量子力學認為量子是不同的粒子。波動說和粒子說爭論了300多年，正當人們沉浸在波粒二象性調和了波動說和粒子說尖銳的矛盾的美夢中時，弦理論有橫空出世。弦理論認為量子既不是波，也不是粒子，而是不同振動模式的弦。量子現在不僅具有波粒二象性，而是具有波粒三象性。怎么樣，目瞪口呆的感覺還好嗎？你覺得哪種理論正確呢？ 人性有個弱點，那就是“證實性偏見”。證實性偏見是指個人（包括學者）在主觀上支持某種觀點的時候，往往傾向于尋找那些能夠支持自己原來的觀點的信息，而忽視那些對己不利或矛盾的信息，以支持自己想法的現象。人們總是相信自己愿意相信的觀點，而對不利于自己觀點的客觀事實視而不見。回顧300多年的近代物理發展史，我們可以發現，各種解釋一大堆，采用哪種解釋是看波動說和粒子說誰占上風，誰主導話語權。具體來說，支持波動說的人只會認為波動說的解釋正確，支持粒子說的人會認為粒子說的解釋正確。事實上，目前認為驗證了相對論的證據其實還有不同的解釋。今天，我們簡要列舉幾個重要的“證據”，大家看看哪一種解釋更自洽。

三個相對論

三個相對論？對！你沒有聽錯。經典物理學也有一個相對論，即伽利略相對論，也稱伽利略變換，是經典物理學的邏輯基礎之一。經典物理學認為空間由以太構成，以太是一種絕對空間，伽利略變換是物體相對于空間（絕對空間）作絕對運動。 狹義和廣義相對論以洛倫茲變換為基礎。洛倫茲變換不以空間為參照系，空間為空無一物的真空，物體與物體（狹義相對論稱為慣性系，廣義相對論稱為參照系）互為參照系運動。 兩種相對論描述的都是相對運動，兩者差別不太大，僅僅是參照對象（參照物）不同。問題是，哪種理論解釋符合客觀事實呢？

大多數人只知道伽利略堅定支持哥白尼的日心說，反對亞里土多德和托勒密的時空觀——地心說，但是，人們不知道具體的細節。 17世紀，地心說的支持者們對哥白尼的日心說提出了質疑：如果地球處于高速地運動中，為什么在地面上的人一點也感覺不出來呢？ 1632年，伽利略在《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》著作中給出了答案。假設一艘船的船艙里帶幾只蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲，當船艙封閉時。無論船以任何速度前進，只要是直線勻速的運動，蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲就可以自由飛翔。但是，當打開封閉船艙頂部的甲板后，蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲都會被風吹到船艙的角落。如果蓋上甲板，一切又恢復正常。詳見［伽利略，《兩大世界體系的對話》，第130~131頁］打開船艙的甲板，風就會破壞船艙這個密封的空間，船艙內的空間就與船艙外的空間統一。是否存在絕對空間，船艙是否密封是關鍵。事實證明，當船艙封閉是，船艙內的空間是一個絕對空間，船艙內部空間與船艙外的空間相對運動。同時，船艙內的空間又是一個相對空間。伽利略用伽利略變換把地心說送進了垃圾堆，并奠定了經典物理學的基礎。

但是，新的對手又來了。狹義/廣義相對論的洛倫茲變換（事實上和洛倫茲一毛錢關系也沒有）的慣性系或參照系沒有內部空間，只有質點的性質，也就是說，船只只是一個質點，沒有船艙內的空間。洛倫茲變換只有質點與質點之間的相對運動。

我們的地球圍繞著太陽旋轉，為什么地球上的鳥兒、蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲可以自由飛翔呢？船艙頂部的甲板打開后，為什么魚缸里的魚仍在自由的游動呢？即使我們把魚缸搬到船甲板上，魚缸里的魚也可以自由的游動。為什么呢？

還是 舉例說明吧。在時速500公里的火車車廂里，一個箱子以5公里的時速拖動，箱子里有一只時速1公里飛行的蚊子。根據伽利略變換，火車相對于對地面上的人來說時速是500公里，箱子相對車廂的時速是5公里，蚊子相對于箱子的時速是1公里，但是，對地面上的人來說，箱子的時速是505公里，蚊子的時速是506公里。 根據洛倫茲變換，火車、箱子、蚊子的時速相當于對地面上的人來說都是500公里。這就是光速不變。怎么樣？伽利略變換和洛倫茲變換哪一個符合我們的客觀現實呢？

星光偏折現象

星光偏折現象愛因斯坦是從荒村野夫變成科學巨匠的轉折點，也是相對論被視為正確理論的轉折點。

根據廣義相對論的引力模型，星體的引力使空無一物的時空產生彎曲，也就是時間和空間一同彎曲。愛因斯坦認為：過去曾錯誤地認為物體通過引力來對其他物體的運動發生影響，而現在認為是物體影響其他物體在其中作自由運動的時空幾何，改變后的時空中的這種自由運動，就是曾被錯誤地認為在原來時空中的受迫振動。現在，自然定律是一種涉及時空的幾何命題，時空變成了一種度規空間。［愛因斯坦，《狹義與廣義相對論淺析》，導讀第36頁］如圖。因為時空的彎曲讓我們可以看到恒星背后的星光。

問題來了，如果空間空無一物，那么，是什么在彎曲呢？

經典物理學有沒有更自洽的解釋呢？當然有。根據費馬最小光程定律，不同的煤質中光的傳播速度不同，光線的傳播路徑應是使光盡快地傳到終點。光的路徑如有很小的偏差，所需時間就會延遲。請注意！ 根據光的波動理論，空間介質密度越高，光速越慢，空間介質密度越低，光速越快。以地球大氣層為例，越接近地面大氣密度越高，距離地面越遠（越高）大氣密度越低。薛定諤認為：當光從太空進入大氣層越深，空氣的密度越大，光的傳播速度的越慢。雖然在傳播速度上差異很小，但是根據費馬原理，光線應向地面彎曲。這樣，雖然在光速大的較高的大氣層中路徑較長，但也要比原比沿著較直線路徑的光更早的到達終點。諸位一定看見過太陽落到地平線時不是圓的而是扁的，看起來垂直方向的直徑好像縮短了，這正是光線彎曲的結果……根據光的波動理論，嚴格地說，光線只是虛構的意義，光線不是某些粒子的物理路徑，而是一種數學圖形，即所謂波陣面的正交軌跡，也就是想象的有指向的線。有向線垂直于波陣面，指向波的前進的方向。［薛定鄂《薛定鄂講演錄》207~208頁］

（圖三，波正面是同心球面，光線是直線）。（圖四表示光線彎曲的情形。）

薛定諤用一隊正在前進的士兵來描述光的路徑偏折原理。如果隊伍中的人的步子不一樣，右邊人的步子小，左邊人的步子大，那么隊形將出現右傾，即光的傳播路徑向右偏折。薛定鄂的觀點是：只有從波動理論的觀點出發，才能正確理解費馬原理，才不會感覺費馬原理深不可測……從波動的觀點看，把所謂的光線彎曲理解成波陣面偏斜更容易一些，因為當波陣面的相鄰部分以不同的速度前進時，顯然就會出現這種光線彎曲的情況。光線在大氣折射時，波陣面的一部分應當偏斜，因為它的左半邊處在（大氣層的）較高層，這里空氣稀薄些，因此比較低層的右半部分要前進得快一些……這是波陣面偏斜理論得出的結論……如此可見費馬原理是波動理論的精華。［薛定鄂《薛定鄂講演錄》208頁］用經典物理學的波動說來解釋，空間彎曲的原理就非常簡單，就是空間介質密度的不均勻造成了不同傳播路徑上的光的速度不同，形成折射現象。如果宇宙空間由以太構成，解釋星光偏折現象就非常簡單，即以太空間密度不均勻引起了光的折射。

廣義相對論的真空空間彎曲和經典物理學的以太空間密度不同引起光的折射，哪一種解釋更能自洽呢？ 我們知道，經典光學可以自洽地解釋海市蜃樓、幻日、佛光等等大氣現象，這些都是空氣密度不均勻引起的光的折射，是一種大氣透鏡現象，這是非常簡單的科學常識。

空間探測器通訊延遲現象是廣義相對論的三大“天文驗證”之一（另兩個是水星進動和引力紅移），1976年的海盜號火星探測器和2003年卡西尼土星探測器與地球的通訊延遲現象被認為是時空彎曲的證明。

時間真的會變慢嗎？

根據幾何原理，兩點之間最短的距離是直線。當電磁波穿過恒星附近密度異常的以太空間時產生折射而沿曲線傳播，因為彎曲的傳播路徑比直線路徑的傳播距離更長，任何彎曲的路徑都比直線路徑更長，更長的路徑使光需要更長的傳播時間。假設光速不變，根據費馬最小光程原理，光的路徑如有很小的偏差和彎曲，傳播時間就會有延遲。用費馬最小光程原理可以非常簡單地解釋航天探測器通訊路徑靠近恒星時的通訊延遲問題。恒星附近的時間并沒有變慢，到目前為止，沒有任何證據可以摧毀時間因果律。事實可以證明，時間的因果律是符合客觀事實的鐵律！

空間是什么？

引力波是什么在波動呢？愛因斯坦也意識到空無一物的真空不存在彎曲不彎曲的問題，也不存在波動問題。經過反思，愛因斯坦對空間的觀念發生了天翻地覆的變化。1920年，愛因斯坦出人意料地在荷蘭國立萊頓大學宣稱否認以太存在是不合理的，他提出：物理學家在那個從日常生活中抽象出來的有重物質的觀念之外，為什么還要建立起存在另一種物質——以太的觀念呢？其理由無疑在于引起超距作用力理論的那些現象，以及導致波動論的光的那些性質……19世紀上半葉，當光的性質同有重物體的彈性波的性質之間存在著廣泛的相似性已經變得明顯的時候，以太太假說就獲得了新的支持。光必須解釋為充滿宇宙空間的一種具有彈性的惰性媒質的振動過程，這看起來似乎是無可懷疑的了。從光的偏振性也好像必然得出這樣的結論：以太這種媒質必須具有一種固體特性。因為橫波只能在固體中，而不可能在流體中存在，這就勢必導致‘準剛性’的光以太理論，這種光以太的各部分，除了同光波相應的微小形變運動以外，相互之間就不可能有任何別種運動。這種理論也叫做靜態光以太理論，它從那個也作為狹義相對論基礎的菲索（Fizeau）實驗，進一步得到了有力的支持，人們從這個（菲索）實驗必定推斷出，光以太不參與物體的運動，光行差現象也支持準剛性的以太理論……人們可以采取最近便的觀點似乎是認為以太根本不存在……然而，更加精確的考察表明，狹義相對論并不一定要求否定以太。可以假定以太存在，只是必須不再認為它有確定的運動狀態，也就是說，必須抽掉洛倫茲給它留下的那個最后的力學特征。”［愛因斯坦，《狹義與廣義相對論淺析》，第170~174頁］

按照廣義相對論，一個沒有以太的空間是不可思議的；因為在這樣一種空間里不但光不能傳播，而且量桿和時鐘也不可能存在，因此也就沒有物理意義上的空間-時間間隔。［愛因斯坦，《狹義與廣義相對論淺析》，第175頁］

廣義相對論以太是這樣一種媒質，它本身完全沒有一切力學和運動學的性質，但它卻參與對力學（和電磁學）事件的決定。［愛因斯坦，《狹義與廣義相對論淺析》，第176頁］

就這樣 以太復活了，以太的拯救者正是以太的掘墓人，有幾人聽說過“廣義相對論以太”呢？是誰在隱瞞真相？是粒子學家還是波動學家？

動鐘變慢原理

人們大都認為GPS是驗證相對論的動鐘變慢效應的證據。 那么，在地球同步軌道衛星上的時鐘變快了還是變慢了呢？ 真相是：衛星上的時鐘變快了！ 衛星上的時鐘變快了！ 衛星上的時鐘變快了！ 面對鐵的事實，崇拜者們只好改口：衛星時間走時快是因為它同時受到時空扭曲效應和時間膨脹效應的雙重影響，而時空扭曲效應影響更大一些，引力越大走時越慢，相互疊加之后，它走時仍然比地面快一些。

問題是，是時間有快慢還是時鐘走時不穩定呢？怎樣解釋“二樓鐘慢效應”呢？ 一樓和二樓的原子鐘并無相對運動，兩者相距只有幾米，談不上什么時空扭曲效應和時間膨脹效應吧！！！為什么僅僅因為微小的高度的差異就產生相對誤差呢？狡辯的一個重要特征就是邏輯混亂。

是衛星在運動？還是地球在運動？相對于衛星，地球處于相對運動狀態，相對地球，衛星處于相對運動狀態，這才是真正的“雙生子佯謬困境”。事實上，地球在自轉，也圍繞著太陽旋轉，太陽圍繞著銀河系中心旋轉，而銀河系也在太空中漂零。宇宙中沒有絕對靜止的物質，也沒有絕對靜止的時鐘。所有的“鐘”都是“動鐘”，只有假設地球完全靜止，即回到地心說時，“動鐘變慢”假設才有可能成立。 怎么樣，還有人敢說GPS是動鐘變慢效應的證據嗎？

E=mc2

E=mc2質能公式可以說是神一樣的存在。E=mc2的E表示能量，m表示質量，c表示的是光速（約30萬公里/每秒）。E=mc2公式可以轉換為M=ec2和C=em2，不僅簡潔，思路也相當新穎，可以把質量和能量統一在一個公式里，所以備受推崇。人們認為相對論替代了牛頓力學。問題是，目前人類的科技進步依賴的是這個神奇的公式嗎？

結論是，小心你的眼珠別掉地上了！因為，E=mc2質能公式根本就無法使用！

E=mc2質能公式根本就無法使用！

E=mc2質能公式根本就無法使用！

我們知道，目前，在宏觀領域，經典力學的牛頓力學公式E=1/2mv2不可替代。E表示能量，1/2是系數，m表示質量，v表示速度。從扔塊石頭到子彈、穿甲彈，從彈道導彈到宇宙空間探測器降落在小行星，所有的計算都依賴牛頓力學公式。微觀領域，因為光子和電子無法稱量，所以光子和電子的能量計算依賴的都是普朗克E=hν公式。E表示能量，h是頻率，ν是普朗克常數，即能量=頻率×普朗克常數。目前，微觀領域能量和質量的計算依賴的但是E=hν。

麻煩的是，E=mc2公式中只有一種速度，即能量=質量×光速。任何有質量的物質乘以光速都會得到無窮大的結果，無質量的物質（例如光子）則無法計算。我們知道，根據相對論，把任何有質量的物質加速到光速，需要無窮大的能量。這個結論怎么來的？是不是很吊詭？好了，既然大家都認為相對論是正確的理論，那么不使用E=mc2公式是說不過去的。于是，人們想到了一個簡單的“解決”辦法。費恩曼和他的同事們提議說：“不管在什么情況下，只要這個討厭的無窮大出現，我們都可以通過引入電子的已知質量來回避這個問題。在現實中，你也許會把它叫做蒙混過關，不過理論上我們稱之為重正化。這只是我們遇到討厭的無窮大——這個在現實中絕對不會出現的情況時所采取的一種數學輔助手段。不過別擔心，這種方法是行之有效的，并且在和上面所提及的精密計算吻合的相當好。就這樣，我們回避了質量問題，但并沒有解決它。它仍像一顆滴答作響的定時炸彈，隨時可能引爆。”［《上帝粒子》291頁］

需要說明的是，電子的已知質量由普朗克E=hν公式得出。簡單的說，重正化就是人們可以心安理得地聲稱計算結果是根據E=mc2公式得出，但是實際上使用的卻是普朗克E=hν公式的計算結果。E=mc2公式根本無法在實踐中應用，這是物理界半公開的秘密，但是沒人敢于說破。

水星進動現象

根據牛頓引力理論計算，水星進動的速率為每世紀1°32′37〃，即5﹐557.62角秒的進動；實際觀察得到水星進動的速率為每世紀1°33′20〃，即5﹐600.73角秒的進動，兩者之差為每世紀43.11角秒。而根據廣義相對論所計算的進動值在扣除了其他行星的影響后應是每世紀向東進動42.91角秒，這也被認是廣義相對論比牛頓力學更優越的證據，即愛因斯坦的計算比牛頓的微擾計算方法更精確。人們認為廣義相對論成功地解釋了“水星近日點進動”問題。

事實上，兩個理論計算數值差異的原因是牛頓使用的是微擾偏微分計算方法。微擾法是一種近似的計算方法，優點是簡單快捷。在牛頓的萬有引力公式中只有物體的質量因子，而沒有自轉量，即太陽對行星的引力大小只與太陽和行星的質量有關，而與它們的自轉快慢無關，也沒有考慮其他行星的引力擾動。愛因斯坦是拋物型偏微分方程的計算方法，只是他的計算不僅有物體的質量，而且也將物體的自轉快慢考慮進來。兩個沒有自轉的物體之間的引力與它們自轉起來之后的引力是不同的。行星在運動過程中，它的自轉軸會慢慢變化，考慮更多的因素當然會得到更精確的數值。也就是說，將這些其他因素考慮進來之后，牛頓引力理論完全可以得到一個更精確的精度。

霍金對此的評價是：在現實中經常發生的是，設計出的新理論實際上是原先理論的一個擴展，例如非常精確的觀測水星，發現它的運動和牛頓引力理論預言之間有一個微小的差異。愛因斯坦的廣義相對論預言了和牛頓理論略微不同的運動，愛因斯坦的預言和觀測的相符合，而牛頓理論做不到（這句話有失公允），這個事實是對這個新理論的一個關鍵證實。然而在我們正常處理的情形下，牛頓理論和廣義相對論的預言之間差異非常小，所以為了所有實用的目的，我們仍然使用牛頓理論，牛頓理論還有一個巨大的優點：用它計算比用愛因斯坦理論簡單多了！［史蒂芬?霍金《時間簡史》，第17頁］

需要注意的是，拋物型偏微分方程不是愛因斯坦創建的，不是相對論的專用方程，是通用的數學工具。簡單地說，和相對論沒有什么關系，誰都在用。

“天文驗證”還有引力頻率紅移。我們知道，頻率是波的概念，粒子說無法解釋。所以，波動說的解釋更能自洽。限于篇幅，就不詳細展開了。

綜上所述，相對論所有的驗證都有波動說和粒子說的不同解釋，您認為哪一派的解釋更能自洽呢？ 科學精神是：理性！懷疑！批判！需要注意的是，比結論更重要的是，我們必須建立一種機制來保證科學的發展不誤入歧途。

最后，讓我們重溫一下先賢們忠告： 我們面對（科學先賢們）不朽的理性群碑，也就是面對永恒的科學靈魂。在這些靈魂面前，我們不是要頂禮膜拜，而是要認真研習解讀，讀出歷史的價值，讀出時代的精神，把握科學的靈魂，我們要不斷地吸取深蘊其中的科學精神，科學思想和科學方法，并使之成為推動我們前進的偉大精神力量。［牛頓，《自然哲學之數學原理》，弁言第5~6頁］