相對論的核心不是光速不變，而是萬物平等

前言

相對論里的各種公式計算出的結果已被許許多多的實驗所驗證。 例如，其中最重要的洛侖茲時空變換公式得出的運動時鐘變慢和尺子變短已被很多實驗所驗證。但是，利用某某公式計算出符合觀察的結果不等於就理解其背後的原理。目前存在的問題是如何理解和解釋相對論。相對論的核心是光速不變還是其它？是光速不變造成運動時鐘變慢和尺子變短還是運動時鐘變慢和尺子變短造成光速不變？還是都不是？

相對論的核心不應該是光速不變，而是萬物在物理定律下皆平等。光速不變，運動時鐘變慢和尺子變短等等結果皆可用該核心原理去解釋。用光速不變作為核心來解釋相對論，容易造成概念不清，邏輯混亂。一百多年來已造成物理學界及大眾許多困惑和不解。同時也造成許多人認為相對論是錯誤的，或不斷提出質疑。甚至在歷史上，俄國，德國，中國曾都出現批判相對論的浪潮。

搞不懂相對論的另一個極端就是對自己能力的懷疑，進而導致盲目崇拜天才。當一個理論使許多大眾搞不懂時也容易造成個人崇拜。反正自己搞不懂，那麼就相信創立這個理論的科學家們吧。但是歷史上相對論的創立有許多科學家的貢獻，記住這些科學家的名字很困難，搞清誰是誰的貢獻又很麻煩，許多媒體的宣傳乾脆把其他科學家的貢獻統統歸功於愛因斯坦一人，把錯誤統統歸於其他科學家，只有愛因斯坦是正確的，其他人都錯了。這既不符合事實，也不公平，容易誤導大眾。造成這個結果的原因往往是某些媒體誤導大眾，這並不是某某科學家的錯誤。

歷史上還沒有人可以一步建立一個完善的科學理論，不需修正。歷史上也還沒有出現一個科學家只有他一人正確，其他科學家都錯了。科學是由許許多多的科學工作者的不斷努力，相互不斷修正，相互不斷完善，相互不斷推動而發展的。相對論理論的發展史就是一個很好的例子。維基百科有一篇較完整狹義相對論的發展史。

當一個理論造成許多人困惑和質疑時，往往暗示着該理論中存在某些概念混淆或邏輯不清。而這些恰恰為後人提供了一個不斷修正和進一步發展該理論的機會。

什麼是相對論的核心

定義相對論根本不需要光速不變作為核心之一，它的核心只需要相對性原理。該原理最早由伽利略根據已觀測到的動力學現象提出來的假設，是物理學的基本原理。該原理提出物理定律在一切慣性參考系中具有相同的形式，任何動力學實驗都不能區分絕對靜止和運動，所有的運動是相對的。當時人類對動力學的認識很少，直到牛頓之後。當時對電磁學根本不知道。所以之後由龐加萊於1904年將該原理推廣到電磁學和其它所有的物理定律。但這不應該認為是糾正了伽利略的錯誤，而只是個簡單的推廣。推廣後的相對性原理為：任何物理實驗都不能區分絕對靜止和運動，所有的運動是相對的，所有的物理定律在一切慣性參考系中都是相同的。

推廣後的伽利略相對性原理可以通俗地理解成萬物在物理定律下皆平等。具體來說，對任何觀察者，在任何時間、任何地點，不管其運動速度，只要沒有加速度，物理定律對該觀察者來說都是一樣的。或者來說，如果該觀察者換一時間，或換一地點，或變化一下速度後，物理定律仍保持不變。世間萬物皆受物理定律約束。但是，不管任何時間，任何地點，任何運行速度，約束萬物運行的物理定律卻不變。這才是相對論的核心。而沒有加速的觀察者在物理學中稱為慣性參照系。

萬物皆平等的重要性

一般人在學習相對論時對相對性原理的印象是有個趣的物理現象。譬如，在飛機火車或輪船上，不管它們動與不動，只要它們沒有在加速或減速，拋向頭頂上方的物體永遠落在腳下，不管乘坐的飛機火車或輪船動與不動。如果物理定律隨着飛機火車或輪船的速度變化而變化，拋向頭頂上方的物體我們將不知道將落向哪裡，而我們平時掌握的經驗將無法使用。

但物理定律不變的實際意義要遠遠大於此。由於物理定律決定所有的原子分子結構與特性，及其運動規律。如果它們隨時間地點和運動速度的變化而變化，則世間萬物皆將處於一片混亂，而所有的生命將不復存在。這是由於所有的生命是由蛋白分子構成的，這些構成生命的蛋白分子就像構成汽車的零件。物理定律的變化將導致蛋白分子的結構與特性的變化，這將使得它們不能合在一起構成生命。拋向頭頂上方的物體是否落在前面後面或腳下，相比之下就不是很重要了。

試想如果物理定律1,000年前和現在不同，那麼1,000年前的DNA碼現在還能用嗎？如果物理定律白天與晚上不同，冬天與夏天不同，那麼地球上生命還可以形成嗎？如果地球與月球的物理定律不同，人類還敢登月嗎？如果不同，問題不簡簡單單是拋向頭頂上方的物體是否落在前面後面或腳下，而是構成生命的蛋白分子就有可能變性和瓦解，而那時宇航員生命就有可能不保。

再例如，地球的自轉造成我們白天和晚上相對太陽的速度不同。試想如果物理定律隨着地球表面的速度變化而變化，則我們白天的物理定律將和晚上的不同。 其結果就有可能造成白天的紅光晚上變成綠光，白天的交通紅燈晚上變成綠燈，導致晚上的交通大亂。再試想如果有時水零度結冰但有時則１００度結冰是因為物理定律隨空間時間和速度的變化而造成的，別說飯做不了，就連生命都不可能在水中形成。

從相對性原理到極限速度不變

從相對性原理可以直接推導出極限速度不變，而從它就可以推導出洛侖茲時空變換公式。這裡根本就不需要光速不變的假設，光速變與不變該原理都成立。

根據相對性原理，任何慣性系統皆平等。那麼物理定律在任何慣性系統中運行的結果也是一樣的，只要初始條件相同。譬如，在一慣性系統K中，有一靜止的物體發出一束光，其傳播速度為c。根據相對性原理，在任一其它慣性系統K'中，任何靜止的物體發出的光的傳播速度，在該慣性系統K'中仍為c。

如果在一慣性系統K中，有一物體是以速度v勻速運動並且在運動方向發出一束光。若其傳播速度為c’，根據相對性原理，任一其它慣性系統K'中，任何以同樣速度v勻速運動物體並且在運動方向發出一束光，則其傳播速度在該慣性系統K'中則為c’。c可以等於c’，也可以不等於c’，都不違反相對性原理。換句話來說，光速變與不變都可以不違反相對性原理。c是否等於c’要靠實驗說話。同樣，不同頻率的光的傳播速度是否一樣，也要靠實驗說話。這時，光速變與不變也都可以不違反相對性原理。

因為在任何慣性系統中物理定律保持不變，則這些物理定律所表現的特性也是一樣的，譬如極限速度。極限速度定義為所有物體運動時或波傳播時所能達到的最大速度。它可以是無窮大，也可以是一有限值。根據該相對性原理，如果極限速度在某一慣性系統中為無窮大，則在所有其它慣性系統中也為無窮大。如果極限速度在某一慣性系統中為一有限值c，則在所有其它慣性系統中也為同樣的有限值c。

如果有一任何物體或波在一慣性系統以極限速度c運動或傳播，那麼，該物體或波在其它慣性系統中同樣也是以極限速度c運動。換句話來說，任何以極限速度c運動的物體或波相對於任何慣性系統來說永遠是極限速度c運動。極限速度無以復加。否則，如果極限速度可以通過速度疊加而突破，那麼極限速度將不再是極限速度。同樣，換另一個參照系來看，極限速度無以復加就成了極限速度無以復減。但是，其它任何小於極限速度的速度都可以通過速度疊加而增加。只要疊加的速度小於極限速度，則疊加後的速度必小於極限速度。

由此可以得出結論：當一物體或波在任何慣性系統中其速度都不變時，這只能說明該物體或波是以極限速度運動。因為目前發現光速相對於任何觀察者，在目前測量儀器所能達到精確度之內都不變，這說明光極有可能是以極限速度運動傳播的。

如何從極限速度不變推導洛侖茲時空變換公式

前面已說明，極限速度不變只需要假設相對性原理成立。而從極限速度不變就可推導出洛侖茲時空變換公式。把光速不變作為核心，邏輯上沒有必要也不合理， 因為光速變與不變相對性原理都可成立。另外，到目前為止也並沒有任何實驗完全驗證光速絕對不變。譬如在一百萬光年的尺度，光速還是不變的嗎？同時也沒有物理實驗可以達到無窮高的精度以保證兩個測量出來的結果是完全絕對相等的。當利用光速不變去推導洛侖茲時空變換公式時，容易造成許多人的困惑和不解。從極限速度不變出發去推導出洛侖茲時空變換公式時，可以修正過去相對論理論中邏輯的不合理和假設的不可靠，以便後來人正確理解相對論。

洛侖茲根據邁克耳孫－莫雷的光速不變實驗，於1904年首先提出洛侖茲時空變換公式。愛因斯坦在1905年根據光速不變原理再次推導洛侖茲時空變換公式。現代許多物理學教科書都有不同的推導方法。所有這些推導過程都可以用來從極限速度不變推導出洛侖茲時空變換公式。這裡面只需要把光速替換成極限速度，推導的數學過程是一模一樣的。結果相同但概念和過去不同。以前是以光速不變為前提，後者是以極限速度不變為條件。前者推導出的方程里的常數c是光速，而後者里的常數c是極限速度。

洛侖茲時空變換公式與極限速度不變

洛侖茲時空變換公式是兩慣性參照系的時空坐標的線性變換方程。具體來說，如有兩慣性參照系K和K'，K的時空坐標為(t,x,y,z)，K’的時空坐標為(t’,x’,y’,z’)。如K'沿K的x軸方向以速度v平移，則洛侖茲時空變換公式為：

• t’=γ(t-vx/c2)

• x’=γ(x-vt), y’=y, z’=z

這裡c是極限速度，γ是洛侖茲因子，。

其反變換為：

• t=γ(t’+vx’/c2)

• x=γ(x’+vt’), y=y’, z=z’

若兩慣性參照系的時空變換滿足洛侖茲公式，當有一物體或波在第一個慣性參照系中以極限速度c運動或傳播時，不管該速度為無窮大或為一有限值，那麼該物體或波相對於另一個慣性參照系，其運動或傳播速度仍為極限速度c。

如何測量極限速度

極限速度可以用許許多多實驗的方法來確定，其中包括利用靜止物體發出的光速與極高速物體發出的光速的比較。只有完全確定這兩個速度完全相等時，才可以用光速去替代極限速度。另外，利用相對論速度疊加公式，也可以用其它物體或基本粒子的運動去測量極限速度。

根據洛侖茲時空變換公式，相對論速度疊加公式為：

w=(u+v)/(1+uv/c²)

當極限速度c為無窮大時，也就是當沒有極限速度時，w=u+v。該公式是經典速度疊加公式。

當u和v遠遠小於極限速度c時：

w≈u+v

也就是在這種情況下，可以用用經典速度疊加去近似相對論速度疊加。

從相對論速度疊加公式可以直接得出：

當u和v遠遠小於極限速度c時，上面計算極限速度的公式所得出的結果可能不準確。當u或v有一個接近或等於極限速度c時，上面計算極限速度的公式所得出的結果可以比較準確。當u和v都接近或等於極限速度c時，該公式可以準確得出極限速度。

在測量極限速度的實驗中，我們可以用任何物體或基本粒子的速度疊加去測量極限速度。例如，可以用光子，電子，中子，中微子，氫原子等的速度疊加去測量極限速度。當然，用光子是最方便的。但是，當用其它物體或粒子同時去測量極限速度時，可以對比結果的一致性來驗證相對論。也就是說，任何物體或粒子所測量出來的極限速度必需一致。否則，相對性原理不成立。

例如，當用電子的速度疊加測量出來的極限速度和光速不一樣時，則宣布相對性原理被打破。這時，整個物理學都需要一個徹底的大修改。這是因為任何一個自然科學理論都需要不斷的實驗去驗證，但只需要一個實驗去推翻。過去的相對論實驗太注重光速的測量，忽略了其它粒子的極限速度的測量。其實只有測量所有物體和基本粒子的極限速度後，才可以近一步驗證相對論。

物理學是實驗科學，只有實驗可以斷定結論，不能用公式推導來斷定結論。換句話來說，我們不能僅僅用光子的極限速度來斷定所有基本粒子和其它物體的極限速度。它們有相同的極限速度只是個根據相對性原理推導出的結論。只有實驗才可以近一步驗證這個結論，其中包括本節給出的實驗方法。簡單來說，實踐是檢驗真理的唯一標準。任何專家的斷言，天才的學說都不能作為標準。在科學實踐面前，人人平等。

學習任何自然科學時要分清那些是假設，那些是推論，那些又是被實驗反覆驗證過的假設或推論。假設到推論必須邏輯上正確，同時假設和推論在數理邏輯上可以互換。但是，物理機制上的原因和結果不可互換。光速不變不是時鐘變慢尺子變短的原因。同樣，時鐘變慢尺子變短不是光速不變的原因。雖然我們可以在數理邏輯上用公式相互推導，但這並不代表光速不變是時鐘變慢尺子變短的原因。從物理機制上來說，它們都是結果。

光速不變概念的常見誤區

通常的光速不變有兩個含義：

1. 在所有慣性參照系中，只要發光物體的速度相同，則發出的光的速度是一樣的。譬如，相對於任何慣性參照系靜止的發光物體所發出的光的速度是一樣的。又譬如，相對於任何慣性參照系沿x軸方向以速度v移動的發光物體所發出的光的速度也是一樣的。

2. 在一固定慣性參照系中，光速與發光物體的速度無關。換句話來說，發光物體的速度與光速不疊加。

光的運行規律只要滿足第一項則滿足相對性原理。第二項只與極限速度有關，需要實驗去驗證。第二項是第一項的特例。

邁克耳孫－莫雷實驗只與第一項有關。這是因為在該實驗中，發光物體相對地球是靜止的。也就是說，地球是被當做一慣性參照系，而相對於該參照系，發光物體的速度為零。該實驗的零結果只說明光的運行規律滿足相對性原理。不能說明上述第二項。而第二項是根據Maxwell方程推斷出來的。當然，Maxwell方程是根據觀測電磁實驗總結出來的。

愛因斯坦在1905年相對論論文中假設第二項， 既不準確也不合理。這是因為相對性原理的成立不需要假設第二項，只需要第一項。從邏輯上來說，相對性原理只需要滿足第一項，第二項滿不滿足沒關係。同時，當時還沒有一個實驗可以確定當發光物體運動時所發出的光的光速絕對不變。直到目前也沒有實驗可以100%確定。實驗的困難是，假設光速非常接近宇宙極限速度而不是相等，只有非常接近宇宙極限速度的發光物體所發出的光才有可能與靜止物體所發出的光的速度有非常微小的差別。平時，就連飛速的子彈的速度與光速還差30萬倍，所以只有測量到接近光速的高能粒子所發出的光才有可能確定第二項。即便如此，還沒有實驗可以達到無窮高的精度以保證光速在發光物體運動速度變化下絕對不變。

同樣，直到目前為止也沒有實驗可以100%確定Maxwell方程無比精確。所以，根據該方程組得出的光速不變只能說明在可觀測的電磁學實驗精度範圍之內，得出的Maxwell方程推導出的光速不變。

物理定律不變需要解釋嗎？

如何描述物理定律不變只解決什麼是相對論。它並不等價於相對論的解釋。愛因斯坦在他的１９０５相對論文章中把光速不變提升為公理只是為了討論的方便，並不是說愛因斯坦解釋了為什麼光速不變。目前還有一些學者認為愛因斯坦把光速不變提升為公理解釋了為什麼光速不變。這是個概念錯誤。數學理論可以提出公理，不需要證明。但是物理學不能這樣做。物理定律不變是需要解釋的。只是如何描述相對性原理是不依靠如何解釋它的理論的發現。只不過發現它的解釋後有可能使得如何描述它變的更簡單，更準確，更好理解。

大自然是如何實現相對性原理的

這仍然是一奧秘，是個自然界未解之謎。人們對其中機制知道得很少，沒有人知道其背後的機制。當然理解它對物理學的進一步發展非常重要。物理定律不隨時間地點和運動速度的變化而變化是自然界一個奇妙的設計，是一種物理定律在洛倫茲時空坐標轉換下的對稱。而這一對稱是由龐加萊首先提出的。這種對稱在理解相對論中非常重要。

結術語

相對論一百多年來造成許多大眾困惑和不解的原因是錯誤的把光速不變作為核心之一。這在邏輯上是錯誤的，實驗上也不完全可靠。相對論的核心應是萬物在物理定律下皆平等，在物理學中稱為相對性原理。描述該原理的關鍵是以洛侖茲為命名的時空坐標線性變換及其變換下的物理定律不變。光速變與不變都不違反這一原理。這一核心是保持宇宙中所有的原子分子有穩定的結構和特性的必要條件。只要物理定律不變，則原子和分子的結構與特性不變，萬物運作規律不變。否則世界將淪為混亂與無序，所有的生命將不復存在。

一百多年來許多大眾錯誤地把光速不變、運動時鐘變慢、尺子變短和運動質量加大作為相對論的重點，可是這些都不是重點，另外，這些現象在現實生活中都可以忽略不計。而相對論真正的重點是宇宙中構成萬物的所有的原子分子在任何時間、任何地點、以任何運行速度都保持結構和特性不變。在地球上的任何腳落，在月球、火星、水星、和木星上，在宇宙的任何角落，所有的氫原子都是一模一樣的，所有的水分子也都是一模一樣的。一億年前所有的氫原子和現在所有的氫原子一模一樣。現在所有的水分子也將和一億年後的所有的水分子一模一樣，不管宇宙是在膨脹或是在收縮。這才是相對論的重點，這才是大自然的奧秘。