王旭東

(四川省樂(lè)山市樂(lè)山師范學(xué)院 614000)

愛(ài)因斯坦在其《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》(愛(ài)因斯坦，1905)(狹義相對(duì)論)一文中，為了解決兩地時(shí)鐘沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)間問(wèn)題，于是對(duì)“同時(shí)”進(jìn)行了定義，或曰“‘同時(shí)’的定義”，并獲得與之相應(yīng)的判斷式“tB-tA=tA＇-tB”.基于該定義，愛(ài)氏做了“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”，僅僅因?qū)嶒?yàn)結(jié)果未能讓判斷式成立，愛(ài)氏便認(rèn)為不同時(shí)了，進(jìn)而得出“動(dòng)鐘變慢”結(jié)論.筆者研究后發(fā)現(xiàn)，第一、愛(ài)氏“‘同時(shí)’的定義”其原理及本質(zhì)上，僅僅是判斷兩個(gè)時(shí)鐘是否“同時(shí)”的一種方法，而要使用該方法，必須是在“光”在A、B之間往返時(shí)間相等(tAB=tBA)的前提條件之下才能使用；第二、愛(ài)氏在定義“‘同時(shí)’的定義”時(shí)，所認(rèn)定的“光”在A、B之間往返時(shí)間相等(tAB=tBA)這一情況，并不符合事實(shí)；第三、愛(ài)氏所用的論據(jù)情況不明確，比如：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)究竟是誰(shuí)(運(yùn)動(dòng)的、固定的觀察者)觀察到的；究竟是A時(shí)鐘還是B時(shí)鐘變慢了，其時(shí)差屬于什么性質(zhì)(常量還是變量)，等等情況，都是模糊不清的；第四、愛(ài)氏在論證及判斷時(shí)，沒(méi)有清晰的論據(jù)，沒(méi)有清晰的因果關(guān)系；第五、愛(ài)氏的理論基礎(chǔ)是“光速不變?cè)怼焙汀跋鄬?duì)性原理”，這兩個(gè)原理對(duì)于光速各自有不同的認(rèn)識(shí)，這樣的理由基礎(chǔ)，就屬于雙重標(biāo)準(zhǔn)、和自相矛盾．通過(guò)新定義證明時(shí)鐘為同時(shí)，不存在時(shí)間變慢的問(wèn)題；最后針對(duì)“環(huán)球航行原子鐘實(shí)驗(yàn)”，提出“不同緯度時(shí)鐘”驗(yàn)證新方法.

一、概述

為了清晰探討愛(ài)氏“動(dòng)鐘變慢”結(jié)論，對(duì)其相關(guān)基本定義和實(shí)驗(yàn)有必要進(jìn)行梳理.下面先對(duì)愛(ài)氏“動(dòng)鐘變慢”論證過(guò)程中的關(guān)鍵部分作簡(jiǎn)要回顧.

1.愛(ài)氏“‘同時(shí)’的定義”概述

愛(ài)氏在《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》中提出兩地的A、B時(shí)鐘，存在沒(méi)有統(tǒng)一或通用時(shí)間的問(wèn)題，為解決此問(wèn)題，愛(ài)氏基于相對(duì)性原理和光速不變?cè)?，建立了一個(gè)可作為判斷兩地時(shí)鐘是否“同時(shí)”的一種方法——“‘同時(shí)’的定義”：

“除非我們?cè)诙x上確立光從A到B所需的‘時(shí)間’( 間隔時(shí)間tAB)與它從B到A所需的‘時(shí)間’( 間隔時(shí)間tBA)相等(tAB=tBA).設(shè)一束光線在‘A時(shí)間’tA從A向B出發(fā)，它在‘B時(shí)間’tB在B反射回A，并且在‘A時(shí)間’tA＇重新到達(dá)A.根據(jù)定義如果：tB-tA=tA＇-tB

(1)

則兩時(shí)鐘同步(同時(shí))”.

2.愛(ài)氏“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”與“動(dòng)鐘變慢”概述

“動(dòng)鐘變慢”是來(lái)自于“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”獲取的時(shí)間數(shù)據(jù)有悖于同時(shí)判斷式成立.其實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)論如下.

“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”是將B、A時(shí)鐘分別置于棒的前后兩端，棒沿x軸正方向，以速度v作勻速直線運(yùn)動(dòng)，(其各個(gè)時(shí)間、時(shí)刻點(diǎn)的狀態(tài)，見(jiàn)圖1：運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)與光程).

圖1

“設(shè)一束光線在時(shí)間tA從A出發(fā)，設(shè)它在時(shí)間tB在B被反射，并且在時(shí)間tA＇又到達(dá)A.考慮到光速恒定原理我們發(fā)現(xiàn)：

tB-tA=r/(c-v)

(2)

tA＇-tB=r/(c+v)

(3)

這里r表示“運(yùn)動(dòng)”的棒(簡(jiǎn)稱(chēng)“運(yùn)動(dòng)棒”)的長(zhǎng)度，它是在固定系中測(cè)量到的數(shù)據(jù).在實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)動(dòng)棒同步運(yùn)動(dòng)的觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)兩時(shí)鐘不同步，然而固定的觀察者則發(fā)現(xiàn)兩時(shí)鐘是同步的.

可見(jiàn)，“同時(shí)”不是絕對(duì)的，而是相對(duì)的.即，“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”中靜止觀察者和運(yùn)動(dòng)觀察者在各自的角度對(duì)“同時(shí)”與否得出完全相反的觀察結(jié)果”.

注：“動(dòng)鐘變慢”是在以上認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的.

二、分析

1.愛(ài)氏“‘同時(shí)’的定義”原理與本質(zhì)

根據(jù)愛(ài)氏“‘同時(shí)’的定義”，可在時(shí)間軸上標(biāo)注出各個(gè)時(shí)間、時(shí)刻點(diǎn)及其之間的關(guān)系(見(jiàn)圖2：同一時(shí)刻).

圖2

從圖2可知，A時(shí)鐘在tA與tA＇之間“中間點(diǎn)”上的時(shí)間必然等于“(tA+tA＇)/2”；又因tAB=tBA，B時(shí)鐘的tB必然在tA與tA＇之間“中間點(diǎn)”上；那么，A時(shí)鐘的(tA+tA＇)/2和B時(shí)鐘的tB都在“中間點(diǎn)”上，它們必然為“同一時(shí)刻”的時(shí)間.如果(tA+tA＇)/2=tB，則兩個(gè)時(shí)鐘為同時(shí)，否則為不同時(shí).

整理(tA+tA＇)/2=tB，可得到tB-tA=tA＇-tB，該式實(shí)際上為“‘同時(shí)’的定義”的判斷式.由此可見(jiàn)，“‘同時(shí)’的定義”的本質(zhì)就是以間接的方法、根據(jù)兩個(gè)時(shí)鐘在“同一時(shí)刻”的時(shí)間是否相等，進(jìn)而判斷出時(shí)鐘是否同時(shí).這表明，定義僅僅只是判斷同時(shí)的一種方法而已.

2.使用“‘同時(shí)’的定義”的前提條件

從圖2可知，如果光線“往”與“返”的時(shí)間不相等，即tAB≠tBA，tB必然偏離“中間點(diǎn)”，(tA+tA＇)/2與tB就不是“同一時(shí)刻”的時(shí)間.從理論上講，(tA+tA＇)/2與tB就不應(yīng)相等，即：就不能因?yàn)閠B-tA≠tA＇-tB，而得出兩個(gè)時(shí)鐘不同時(shí)的判斷.也就是說(shuō)，不滿足(tAB=tBA)條件的時(shí)間數(shù)據(jù)，不適用于tB-tA=tA＇-tB判斷式，為無(wú)效數(shù)據(jù).

可見(jiàn)，這就是愛(ài)氏在“‘同時(shí)’的定義”中，首先就規(guī)定“除非我們?cè)诙x上確立光從A到B所需的‘時(shí)間’(tAB)與它從B到A所需的‘時(shí)間’(tBA)相等(tAB=tBA)”的原因.

如何才能從技術(shù)上保證“光從A到B，再?gòu)腂到A”的tAB=tBA，因光速不變，就需要光從A到B的光程(LAB)，與光從B到A的光程(LBA)相等(LAB=LBA).當(dāng)A、B是固定不動(dòng)狀態(tài)時(shí)，自然是LAB=LBA，即：tAB=tBA；如果A、B處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那是否還能保證LAB=LBA和tAB=tBA，就是一個(gè)值得研究的問(wèn)題.

3.“‘同時(shí)’的定義”存在隱患

從圖1可看出，運(yùn)動(dòng)棒的A、B兩端是在一條直線(X軸)上運(yùn)動(dòng)，棒的A端在tA和tB這兩個(gè)時(shí)刻，分別處于不同位置的兩個(gè)點(diǎn)上，這就必然導(dǎo)致這兩個(gè)點(diǎn)與另一點(diǎn)B(tB時(shí)刻棒的B端所在位置點(diǎn))的實(shí)際空間距離不相等，即：光程不相等(LAB≠LBA)，tAB=r/(c-v)，tBA=r/(c+v)，tAB≠tBA.

以上表明，“‘同時(shí)’的定義”所確立的tAB=tBA條件，并沒(méi)有得到保障，并不是在任何情況下都成立，這表明愛(ài)氏在定義之時(shí)，就埋下了超出適用范圍的潛在隱患.出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，并非個(gè)案，正如馬青平《狹義相對(duì)論的邏輯不自洽問(wèn)題和新伽利略時(shí)空觀》中的，“x一會(huì)是反光鏡的位置坐標(biāo)和反光鏡到原點(diǎn)的距離(x=x0)，一會(huì)是光波波前的位置坐標(biāo)和光波波前到原點(diǎn)的距離(x=ct).愛(ài)因斯坦在他的《狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論淺說(shuō)》中同樣混淆非光源系的原點(diǎn)在光源系中的位置和光波波前在光源系中的位置”如此類(lèi)似問(wèn)題一樣，這與混淆概念，有直接或間接的關(guān)系．

4.“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”不適合判斷同時(shí)性

將“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”所獲取的tA、tB、tA＇標(biāo)注在時(shí)間軸上(見(jiàn)圖3：不在同一時(shí)刻)，可以看出B時(shí)鐘的時(shí)間tB與A時(shí)鐘的時(shí)間(tA+tA＇)/2不是“同一時(shí)刻”點(diǎn)上的時(shí)間.

圖3

以上表明，“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”的tAB≠tBA，因此，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(式2、式3)，就不適合通過(guò)“‘同時(shí)’的定義”來(lái)判斷時(shí)鐘的同時(shí)性.

愛(ài)氏(必然)是根據(jù)式2、式3、這個(gè)不滿足(tAB=tBA)條件的、然而從判斷式(tB-tA=tA＇-tB)看來(lái)，貌似“顯示”時(shí)鐘不同時(shí)了的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而作出了時(shí)鐘不同時(shí)的判斷，進(jìn)而得出“動(dòng)鐘變慢”的結(jié)論．

必須指出，愛(ài)氏在判斷過(guò)程中，對(duì)于是否滿足(tAB=tBA)條件，沒(méi)有作任何證明或說(shuō)明，換言之，第一，表明愛(ài)氏就沒(méi)有考慮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否滿足(tAB=tBA)條件；第二，表明愛(ài)氏使用“‘同時(shí)’的定義”不當(dāng)(超出適用范圍)，并且也沒(méi)意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題.

5.論據(jù)、因果關(guān)系問(wèn)題

愛(ài)氏沒(méi)有說(shuō)清楚論據(jù)的基本情況，如：1.沒(méi)說(shuō)清楚是那個(gè)時(shí)鐘慢了；2.沒(méi)說(shuō)清楚A、B兩時(shí)鐘不同時(shí)的“時(shí)差”性質(zhì)(屬于常量還是變量)；3.沒(méi)說(shuō)清楚，作為速度及運(yùn)動(dòng)方向都完全相同的A、B兩時(shí)鐘，究竟是什么原因，造成他們快慢不同．(如果愛(ài)氏所說(shuō)的不同時(shí)，指的是運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘與固定的時(shí)鐘之間的不同時(shí)，可又沒(méi)有討論固定的時(shí)鐘，又如何知道它們不同時(shí)呢)

運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(式2、式3)，如果該結(jié)果是運(yùn)動(dòng)和固定觀察者共同觀察到的，那憑什么雙方用相同的結(jié)果，會(huì)有不同的發(fā)現(xiàn)或認(rèn)識(shí)；如果說(shuō)是其中一方觀察到的，那另一方就沒(méi)有觀察結(jié)果，又如何談得上所謂發(fā)現(xiàn)或認(rèn)識(shí)呢；這也意味著愛(ài)氏的論證，存在論據(jù)不足的問(wèn)題.

論據(jù)的基本情況，愛(ài)氏在當(dāng)時(shí)沒(méi)講清楚，到現(xiàn)在也沒(méi)人把它們講清楚，這就說(shuō)明愛(ài)氏所用的論據(jù)是不清不楚的論據(jù).

另外，愛(ài)氏得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后便直接得出結(jié)論，卻沒(méi)告知相應(yīng)的因果關(guān)系.

6.理論基礎(chǔ)問(wèn)題

愛(ài)氏是以相對(duì)性原理和光速不變?cè)碜鳛檎撟C的理論基礎(chǔ)．這兩個(gè)原理對(duì)于光速有不相同的認(rèn)識(shí)，前者認(rèn)為光速是相對(duì)于參照系或物體(運(yùn)動(dòng)或靜止)，其相對(duì)速度恒為c，后者認(rèn)為光速c是獨(dú)立的，與參照系、光源及其他物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，相對(duì)于參照系、物體的速度為(c+v)或(c-v).

顯然這兩個(gè)原理在光速問(wèn)題上是相互矛盾的兩種標(biāo)準(zhǔn).換言之，愛(ài)氏的理論基礎(chǔ)是自相矛盾、并涉嫌使用雙重標(biāo)準(zhǔn).

三、“時(shí)鐘同時(shí)”的證明

1.新定義

下面將建立一個(gè)與“‘同時(shí)’的定義”在本質(zhì)相同的新定義：

先后從A、B兩個(gè)時(shí)鐘分別獲得tA、tB兩個(gè)時(shí)間值，并獲得tA與tB的間隔時(shí)間tAB，A時(shí)鐘時(shí)間(tA+tAB)就必然與B時(shí)鐘時(shí)間tB是“同一時(shí)刻”點(diǎn)上的時(shí)間.如果tA+tAB=tB成立，就表明A、B兩個(gè)時(shí)鐘為同時(shí).

2.基于新定義下“時(shí)鐘同時(shí)”的證明

在“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”中的tA、tB這兩個(gè)時(shí)間的間隔時(shí)間tAB，就等于光從棒的A端到B端所用的時(shí)間；根據(jù)光速不變?cè)砜芍?，tAB等于r/(c-v).根據(jù)新定義，A時(shí)鐘的時(shí)間“tA+r/(c-v)”與B時(shí)鐘的時(shí)間“tB”，為“同一時(shí)刻”的時(shí)間.如果tB=tA+r/(c-v)成立，就表明A、B時(shí)鐘為同時(shí).

愛(ài)氏“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為，即：表達(dá)式(2)為tB-tA=r/(c-v)，整理后為tB=tA+r/(c-v).顯然，該式完全符合新定義，這便證明A、B時(shí)鐘為同時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘有快慢變化的跡象.

四、甄別性實(shí)驗(yàn)方法

若認(rèn)為“動(dòng)鐘變慢”已被“環(huán)球航行原子鐘實(shí)驗(yàn)”驗(yàn)證的話，那可另做一個(gè)實(shí)驗(yàn)——“不同緯度時(shí)鐘”，讓若干時(shí)鐘分別處于不同緯度(同一經(jīng)度)，分別獲得因地球自轉(zhuǎn)帶來(lái)的不同線速度，比較不同緯度時(shí)鐘的快慢是否對(duì)應(yīng)(呈比例)它們的線速度(實(shí)驗(yàn)前對(duì)各時(shí)鐘進(jìn)行體檢，掌握各個(gè)時(shí)鐘的快慢的固有特征，可避免人為因素的介入).

一、愛(ài)氏的理論基礎(chǔ)，屬于自相矛盾與雙重標(biāo)準(zhǔn)；二、“‘同時(shí)’的定義”是不完全成立的定義；三、“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”不滿足“‘同時(shí)’的定義”的(tAB=tBA)條件，不適合通過(guò)該定義來(lái)判斷時(shí)鐘的同時(shí)性；四、愛(ài)氏所用論據(jù)不明確、不清楚、且數(shù)量不足，同時(shí)缺少論據(jù)與結(jié)論之間的、清晰的因果關(guān)系的論述；五、“運(yùn)動(dòng)棒實(shí)驗(yàn)”數(shù)據(jù)符合新定義條件，得以證明時(shí)鐘為同時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘有快慢變化的問(wèn)題或跡象.愛(ài)氏的論證，明顯不規(guī)范，固其結(jié)論的嚴(yán)肅性、正確性值得商榷.

致謝:感謝編輯、編委和審稿專(zhuān)家同志，感謝劉軍榮博士和周俊一教授對(duì)本文的大力幫助!