揭開相對論的真面目：相對論為什麼稱為相對論？

作者丨李春生（書房記特約專欄作者）

一個小寓言

大山裡的一個家庭最值錢的財產是家裡養的一隻動物。這隻動物是什麼呢？家庭成員們卻有不同看法。

公公說：這是一隻神奇的鹿。

婆婆說：這是一匹矯健的馬。

兒媳婦說：啥呀！就是一頭蠢驢。

兒子無奈地說：其實，就是一頭豬而已。

兩個相互矛盾的陳述不能同時為真，真相只有一個；語用一致性（Pragmatic Consistency）即結論不能與真實世界矛盾。這就是邏輯一致性（Logical Consistency）原則。每一個理論應是一個完整的邏輯體系，邏輯鏈條必須完整自洽，不能有邏輯矛盾和漏洞。

我們生存在同一個宇宙，卻有經典物理學、相對論、量子力學和絃理論4套互不相容的理論體系。沒有一個理論能夠達到自洽解釋宇宙所有未解之謎的終極理論的標準，這意味著現有的理論都不完備！無一例外！

量子具有波粒二象性？當弦理論提出後，這個答案就已經過時了。弦理論認為量子既不是粒子也不是波，而是不同振動模式的弦。因此，量子不再具有波粒二象性，而是具有了波、粒、弦三象性。沒有人知道量子到底是什麼？更談不上構建一個自洽的邏輯體系！

這是一個知識大爆發的時代，也是一個疑惑叢生的時代。

物理理論為解釋客觀世界而存在，還是為證明一個理論正確而創造一個宇宙來適用這個理論？面對未知的世界，我們依憑什麼思想的指引走向未來？

一個陷阱

相對論為什麼稱為相對論？這個問題好像很愚蠢。但是，這的確是個問題。

現在無論在哪裡討論相對論都是一件風險極大的事情，已經成了與人絕交的一個捷徑。支持相對論者和質疑相對論者不是劍拔弩張，而是刀光劍影，磚頭橫飛，恨不得至對方於死地。在這種情況下，自認為很理性要站在兩軍陣前保持中立無是自找麻煩，而我就是這樣的傻瓜。

科學是格物致知，格物窮理，是為了解析客觀世界的本質。我們知道，物理理論為解釋客觀世界而存在，理論正確與否的評判標準是這個理論能否自洽地解析我們眼前的客觀世界。同樣，相對論也不能例外，相對論是正確的理論還是錯誤的假說，評判標準應該是相對論能否自洽地解析我們眼前的客觀世界。而目前兩派的爭吵卻停留在理論是否自洽的層面，為什麼會這樣呢？

打開一位讀者的一篇很長很長的文章後感到非常頭疼，這位先生認為A、B、C、D理論都完全正確，結尾卻提出自己的理論。既然現有理論都是正確的，你的新理論又有什麼必要呢？讓人好奇的是，這篇文章引用的書籍全部是國內作者的科普作品，沒有一本是理論提出者或參與者的原著。我們不僅要問，是原著的觀點準確？還是後世其他人的解讀的版本更準確呢？我們最擔心的是這些科普解讀人所具有的"創造性"！他們總是自覺或不自覺地用自己的理解來幫這些理論掩飾邏輯漏洞和不足。這些嚼過的饅頭含有很多"致命"的"細菌"，後果是誤人子弟。

現在很多人都沒有聽說過"廣義相對論以太"這個名詞，更不瞭解這個詞曾引發的討論。如果相對論的支持者和質疑者都知道"廣義相對論"竟然是以太的終結者愛因斯坦所提出，那戲就更精彩了。問題的重點是，這個名詞只出現在愛因斯坦自己的專著《狹義與廣義相對論淺析》裡，這意味著大多數人沒有看過愛因斯坦的這本專著。那麼，這些人爭的頭破血流的相對論和愛因斯坦有多大關係呢？你所瞭解的相對論是否是愛因斯坦本人的觀點？事實上，兩派的所認為的相對論和愛因斯坦的相對論根本就不是一回事兒，所以這種無謂的爭論永遠都爭不出個所以然來。

有時候我們聽不懂一個人在說什麼，是因為我們不知道他是和誰在對話。例如，狹義相對論的對話對象是經典物理學，廣義相對論的對話對象是狹義相對論。因此，如果我們要了解兩個相對論在討論什麼，就必須先了解經典物理學。

當前，很多人認為狹義/廣義相對論替代了經典物理學，也有些人認為牛頓力學只是相對論在低速情況下的近似，更有一些人大言不慚地宣稱相對論推翻了牛頓力學。其實，這些人連對手是誰都沒弄清楚，相對論實際的對手不僅只有牛頓，還有經典物理學的奠基人之一的伽利略。我們知道，狹義和廣義相對論建立在真空中光速不變和洛倫茲變換的基礎上，而相對論的洛倫茲變換（還存在一個洛倫茲的洛倫茲變換）替代的正是伽利略的伽利略變換。

意大利數學家、物理學家、天文學家伽利略是科學革命的先驅。伽利略從實驗中總結出自由落體定律、慣性定律和伽利略相對性原理（伽利略相對論）等。從而推翻了亞里士多德物理學的許多臆斷，奠定了經典力學的基礎，以此反駁了托勒密的地心體系，有力地支持了哥白尼的日心學說 。他以系統的實驗和觀察推翻了純屬思辨傳統的自然觀，開創了以實驗事實為根據並具有嚴密邏輯體系的近代科學。因此被譽為"近代力學之父"和"近代科學之父"。其工作為牛頓的理論體系的建立奠定了基礎，換句話說，牛頓是在伽利略的思想上的發展和完善。因此，牛頓力學又稱為伽利略-牛頓力學體系。

經典物理學和相對論的差別

在展開討論之前，我們還是簡單比對一下狹義相對論和經典物理學的區別：

1.空間問題

經典物理學：空間是物質的廣延，空間由以太這種物質構成。第二次波粒之爭之後以太成為經典電動力學的基礎。

相對論：空間是空無一物的真空。

2.關於時間和空間的關係

經典物理學：三維絕對空間加上絕對的時間三一時空。空間和時間相互獨立。

相對論是三維空間加一維時間的四維時空結構，空間和時間密不可分。狹義相對論的四維時空是剛性和平直的；廣義相對論的四維時空是"柔軟"可變形的。

3.光是什麼

經典物理學：光、電子和不同頻率的電磁波都是以太的橫振動。光速可變。

相對論：光、電子和不同頻率的電磁波都是不同的粒子。光速不變。

4.參照系問題

經典物理學建立在伽利略的伽利略變換的基礎上。

狹義和廣義相對論建立建立在洛倫茲變換的基礎上。

5.引力的作用原理

經典物理學：牛頓發現了引力反比定律，物質的質量與引力成正比，與距離的平方成反比。根據這個引力公式可以精確計算引力的大小，可以依據引力計算星體的運行軌道和相互關係。

相對論：愛因斯坦認為宇宙中不存在引力這種力。引力不過是時空彎曲的曲率。重力通過周圍空間的彎曲使其他星體"滾向"自己，這個引力模型用一塊"橡膠膜"來描述，星體的重力使周圍橡膠膜凹陷，使周圍的星體向自己靠攏。

以上只是簡要介紹了經典物理學和相對論的區別。因為狹義相對論和廣義相對論也存在很大區別，因此，本文只介紹相對論為什麼稱之為相對論這個問題。

經典物理學和相對論是兩個完全不同的邏輯體系，愛因斯坦認為，相對論是高度公理化的理論，不能做任何修改。伽利略-牛頓力學體系何嘗不是如此呢？根據邏輯一致性原則，兩個理論只有一個理論正確，不存在誰是誰的補充。所以，談不上伽利略-牛頓力學體系是相對論在低速情況下的近似，或相對論是伽利略-牛頓力學在體系高速情況下的近似！事實上，伽利略-牛頓力學體系包羅萬象，博大精深。《自然哲學之數學原理》第一篇《物體的運動》裡有98個命題，48個問題表述牛頓力學和萬有引力學說的理論；在第二篇中有53個命題，41個定理表述牛頓力學在介質中的應用；第三篇中有42個命題，22個定理表述牛頓力學在宇宙學中的應用。如果堅持一個理論可以替代另一個理論，必須構建另一個完整的邏輯體系，一對一進行替代！不能說我解決了一個重要問題，其他99%的"小問題"由你解決就行了。

三個相對論

相對論之所以稱為相對論，是一個慣性系（廣義相對論是參照系）是否存在運動，需要以另一個慣性系互為參照系互為參照作相對運動。光速相對於路基、車廂外和密封的車廂內都是光在真空中的速度C=299、792、458m/s。即真空中光速不變，時間是相對的，時間隨物體運動速度而改變，這就是狹義相對論的洛倫茲變換。

問題來了，除了狹義相對論和廣義相對論，經典物理學也有一個相對論，即伽利略相對性運動原理，即伽利略變換。伽利略變換的時間和空間是絕對的，它是經典物理學的邏輯基礎之一，也是人類第一個相對論。與大多數人想象不同的是，相對性運動原理並不是一個新鮮的問題。也就是說，存在三個不同的相對論。

作為經典力學的基礎，伽利略的相對性運動原理和愛因斯坦的相對性運動原理有本質的不同。

按照伽利略的相對性原理，在兩個相對做勻速直線運動的座標系（伽利略座標系）中，自然現象具有同等的普遍規律。在一個勻速直線行駛的車廂中，如果不與窗外的景物進行對照，我們無法通過物理實驗來測定車輛是否在運動，或是確定其速度的大小。除路基之外，窗外的景色（空間）作為第三方參照系存在的，車廂同時以路基和空間為絕對（剛性）參照系作絕對運動。伽利略認為一切彼此做勻速直線運動的慣性系，對於描寫機械運動的力學規律來說是完全等價的，並不存在一個比其他慣性系更為優越的慣性系。在一個慣性系內部所作的任何力學實驗都不能夠確定這個慣性系本身是在靜止狀態，還是處於勻速直線運動狀態。

按照狹義相對性原理，如果k＇（車廂）是相對於k（路基）作勻速運動而無轉動的座標系，那麼，自然現象相對於座標系k＇的實際演變將以相對與座標系k的實際演變一樣依據同樣的普遍定律。這個陳述稱為相對性原理（狹義）。［愛因斯坦，《狹義與廣義相對論淺析》，第12頁］

愛因斯坦認為，只要這些參考物體相對於k是處於勻速直線不轉動運動狀態，這些參考物體對於表述自然界定律應該與k完全等效，所有這些參考物體都應認為是伽利略參考物體。以往我們假定相對性原理只是對於這些參考物體才是有效的，面對與其他參考物體（例如具有另一種運動狀態的參考物體。——編者注）則是無效的。在這個意義上，我們說它是狹義相對性原理或狹義相對論。"［愛因斯坦，《狹義與廣義相對論淺析》，第48頁］

也就是說，車廂k＇相對於路基k而言是運動的，路基k相對於車廂k＇而言是運動的。物理體系的狀態據以變化的定律，同描述這些狀態變化時所參照的座標系究竟是用兩個在互相勻速移動著的座標系中的哪一個並無關係。

看到這裡，大家是否會驚訝？除了時間問題，怎麼兩個相對性運動原理沒什麼區別呢？其實，兩個相對性原理存在本質的差別：

1.狹義相對論將路基與車廂間的空氣抽成了真空。拋棄了伽利略的相對性原理的絕對參照系——以空間為參照系的絕對運動。

2.狹義相對論的相對性原理的座標系只有路基K 和車廂K＇兩個質點的相對運動。不僅空氣這個因素被人為消除，連大地和除路基之外的任何事物都被人為消除。原因是狹義相對論的相對性原理不承認存在絕對（剛性）參照系，不承認地球表面空間具有絕對參照系的性質，也不承認空氣這個絕對參照系的性質，所以，沒有風（空氣），也沒有以太風（以太），路基K 和車廂K＇這兩個相對運動的座標系只具有質點的屬性。

伽利略的相對運動原理是以絕對空間和絕對運動為前提的相對運動，是絕對運動和相對運動的綜合作用。而愛因斯坦的相對運動原理只有一種——兩個慣性系之間互為參照運動，並且慣性系數量不能超過兩個。

關於空間，牛頓認為：經典物理學主要特徵是絕對的空間（以太）、絕對的運動和絕對的時間。牛頓認為的絕對空間，是與外界任何事物無關而永遠是相同的和不動的。相對空間是一些可以在絕對空間中運動的結構，或是對絕對空間的度量，可以通過它與物體的相對位置感知它；它一般被當作不可移動的空間，如地表以下、大氣中或天空中的空間，都是其與地球的相互關係確定的。絕對空間與相對空間在形狀與大小上相同，但在數值上並不總是相同，例如地球在運動，大氣的空間相對於地球總是不變，但在一個時刻大氣通過絕對空間的一部分，而在另一時刻又通過絕對空間的另一部分，因此，在絕對的意義上它是連續變化的。[牛頓，《自然哲學之數學原理》，第4頁，定義-附註 ] 經典物理學的絕對空間是相對的，絕對空間也可以是一種相對的空間。例如，封閉的船艙空間是一個絕對空間，它相對於船艙外的大氣是相對空間；船艙中的行李箱內部也是一個絕對空間，它相對於船艙內部空間又是一個相對空間。

按照狹義相對論，狹義相對論的相對性原理沒有絕對（空間）參照系，運動和時間也是相對的。狹義相對論的運動參照系只有質點的性質，與經典物理學的空間概念相對照，相對論，不承認有絕對的空間這個概念，不承認行李箱內部存在絕對空間，也不承認船艙內部存在絕對空間，也不承認大氣是一個絕對空間，宇宙所有的空間只有一種性質——真空

。

關於運動，牛頓認為：處所是空間的一個部分，為物體佔據著，它可以是絕對的或是相對的，隨空間的性質而定……絕對運動是物體由一個絕對處所遷移到另一個絕對處所；相對運動是由一個相對處所遷移到另一個相對處所。一艘航行的船中，物體的相對處所是它所佔據的船的一部分，或物體在船艙中填充的那一部分，它以船共同運動：所謂相對靜止，就是物體滯留在船或船艙的同一部分處。但實際上，絕對靜止應是物體滯留在不動空間的同一部分處，船、船艙以及它攜載的物品都已相對於它作了運動。所以，如果地球真的靜止，那個相對於船靜止的物體，將以等於船相對於地球的速度真實而絕對地運動。[牛頓，《自然哲學之數學原理》，第4頁，定義-附註 ] 絕對運動並不是相對於一些個別的物體，而是相對於空間，這個絕對的空間是運動的（剛性）參照系。

根據狹義相對論，車廂k＇相對於路基k而言是運動的，路基k相對於車廂k＇而言是運動的，車廂k＇和路基k互為參照系。一個物體是否處於運動狀態取決於另一個物體的運動狀態。兩個互相勻速移動著的座標系完全等價。所有的運動參照系只有質點的屬性，互為參照運動。

根據經典物理學，絕對的、真實的數學時間，由其特性決定，自身均勻地流逝，與一切外在事物無關，又名延續；相對的、表象的和普通的時間是可感知和外在的（無論是精確的或是不均勻的）對運動之延續的度量，它常常被用於代替真實的時間，如一小時，一天，一個月，一年。[牛頓，《自然哲學之數學原理》，第4頁，定義-附註 ] 根據時間因果律，無因不能生果，有果必有其因。時間具有序列性，原因必定在先，結果只能在後，二者的時間順序不能顛倒。時間勻速地向一個方向（未來）發展，時間不可逆轉，或忽快忽慢。簡單的說，時間是一切事物的旁觀者。

根據狹義相對論，運動是相對的，時間是也相對的，時間與物質運動不可分離。運動的慣性系的時間要比相對靜止的慣性系的時間走得要慢。通俗地講，按照狹義相對論，運動的鐘（時間）比靜止的鐘走得慢，而且運動速度越快，鍾（時間）走得越慢，接近光速時，鍾（時間）就幾乎停止了。簡單的說，狹義相對論的時間是彈性的，不遵守時間因果律。

狹義相對論的相對性原理沒有絕對（空間）參照系，一個物體的運動取決於另一個物體（直線、並且勻速無轉動）。由此，狹義相對論的相對性原理從根本上否定了經典物理學的絕對的空間（以太）、絕對的運動和絕對的時間。哪一種理論符合地球上的客觀現實呢？

眾所周知，在地球上鳥兒和飛機以空氣為絕對空間和絕對（剛性）參照系，沒有空氣，它們無法確認運動狀態。而人類和所有的有腿動物（包括爬行動物）都是以大地為絕對（剛性）參照系；水中的魚和潛水艇要以水為絕對（剛性）參照系。

為什麼愛因斯坦要拋棄絕對空間呢？

根據狹義相對論，世界被簡化到只有車廂和路基的直線、勻速無轉動的相對運動，或者說簡化到了只有兩個勻速相對運動的數學上的"質點"。愛因斯坦認為，狹義相對論大大簡化了理論的結構，亦即大大簡化了定律的推導，而且更加重要的是狹義相對論大大減少了構成理論基礎的獨立假設的數目。［愛因斯坦，《狹義與廣義相對論淺析》，第34頁］。

根據邏輯一致性的語用一致性原則，結論不能與真實世界矛盾。問題是，這種狹隘的理想環境在宇宙中是不存在的。如果拋棄了絕對（剛性）參照系，一群同向同速的羚羊會相互感覺彼此都是靜止的，所有同向同速的慣性系都會相互認為彼此是靜止的。一條在流動河水裡遊動的魚與在風中飛翔的小鳥如何相互確認速度和時間？如果消除了河水、空氣和船艙的封閉空間等各種絕對參照系，鳥兒、飛機、人類、汽車、魚、潛艇和輪船這些慣性系的運動就無法理解、也無法相互參照運動。事實上，在地球表面上有大地、水和空氣等所有的景色作為參照，即使在茫茫太空也有滿天的星星作為運動的參照物。如果用簡化客觀環境中存在的客觀因素的方法來簡化理論的結構和簡化定律的推導，雖然簡化了理論的結構，但是這種脫離客觀現實建立起來的理論，最終結果是無法適用於客觀現實的環境。

其實，確立絕對空間、絕對運動和相對運動是一場生死較量的結果，伽利略的遭遇大家都知道，但是，很少人瞭解伽利略的具體觀點。

17世紀，地心說學派認為，如果地球處於高速地運動中，為什麼在地面上的人一點也感覺不出來呢？

為了否定亞里土多德——托勒密的時空觀，1632年，伽利略在《關於托勒密和哥白尼 兩大世界體系的對話》著作中借虛擬人物薩爾維阿蒂之口說出他的觀點：把你和一些朋友關在一條大船甲板下的主艙裡，再讓你帶幾隻蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲。然後，掛上一隻大水瓶，讓水一滴、一滴地滴到下面的寬口罐裡。大船停止不動時，你留神觀察，小蟲都以等速向艙內各方向飛行，魚向著各個方向隨便遊動，水滴滴進下面的罐子裡。你把任何東西扔給你的朋友時只要距離相等，向著一個方向不比另一方向用更多的力，你雙腳起跳，向哪個方向，跳過的距離都相等……在使船以任何速度前進，只要運動是勻速的，也不會忽左忽右的擺動。你將會發現，上述的現象絲毫沒有變化，你也無法從其中任何一個現象來確定船是運動還是停著不動。即使船運動得相當快，在跳躍時，你將和以前一樣，在船底甲板跳過相同的距離，你跳向船尾也不會比跳向船頭來的遠，雖然你跳到空中時，腳下的船底板向你跳的相反方向移動，你把什麼東西扔向你的同伴時，不論他是在船頭還是船尾，只要你自己站在對面，你也並不需要用更多的力。水滴將像先前一樣，滴在下面的罐子裡，一滴也不會滴向船尾，雖然水滴在空中時，船已經行駛出了很遠的距離……如果點香冒煙，則將看到煙像一朵雲一樣向上升起，不會向任何一邊移動。所有這些一致的現象，其原因在於船的運動是船上一切事物所共有的，也是空氣所共有的，這正是為什麼我說你，應該在甲板下面的緣故；因為如果這個實驗在露天（船甲板上）進行，就不會跟上船的運動，那樣上述某些現象就會發現或多或少的顯著差別。毫無疑問，煙會隨同空氣本身一樣遠遠地落在後面。至於蒼蠅、蝴蝶，如果它們脫離船的運動有一段客觀的距離，由於空氣的阻力，就不能跟上船的運動。［伽利略（Galileo Galilei），《兩大世界體系的對話》，北京大學出版社，2006年，第130~131頁］伽利略借用薩爾維阿蒂的大船來描述慣性參考系並取得巨大成功。最終，日心說替代了地心說，由此也奠定了經典物理學的基礎。

伽利略的工作為牛頓的理論體系的建立奠定了堅實的基礎，牛頓在伽利略思想上的基礎上發展和完善，並構建了一個完整的理論體系。伽利略-牛頓力學體系可以解決宏觀宇宙所有的力學問題，並沒有什麼不可彌補的缺陷！伽利略-牛頓力學體系不能解決的問題，其他任何理論也無法解決（請先了解"重正化"是怎麼來的）！

地心說已經被伽利略和牛頓扔進了歷史的垃圾堆！伽利略和牛頓是否也會被扔進歷史的垃圾堆呢？

為什麼蒼蠅、蝴蝶可以在運動的船艙、高鐵車廂或飛機機艙內自由飛翔呢？這可是關係到兩個理論體系生死或存亡的大問題！（未完待續！）。

尤瓦爾·赫拉利指出："尊重知識、聽取學者意見很好，但發展到崇拜任何人的程度都很危險，包括崇拜學者。一個人一旦被推崇為先知或權威，他（她）自己都可能信以為真，進而變得驕傲自大，甚至陷入瘋狂。對追隨者而言，一旦他們信奉某人為權威，便會自我設限，停止努力，只期待著偶像來告訴他們全部問題的答案和解決方法。即使答案是錯誤的、方法是糟糕的，他們也會通盤接受。"

我們面對（科學先賢們）不朽的理性群碑，也就是面對永恆的科學靈魂。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，並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］科學的精神是什麼？那就是敢於質疑權威的勇氣和對一切事物保持好奇的眼光。智慧從懷疑開始，真正的科學精神是理性、懷疑、批判和實證。終極理論不會是一個全新的理論，它就藏在現有的理論之中，當我們以客觀邏輯為工具，就能在錯綜複雜的觀點中找出宇宙真實的脈絡。

先賢們幾千年積攢下來的思想成果滋養了我們的智慧，他們點亮了一個又一個燈塔，指引著人類的發展方向。沒有人的觀點全部正確，也沒有人的觀點一無是處。有些觀點後來被事實證明是一個個錯誤，那也是他們在錯誤的地方樹立起了一個個指引正確航道的航標燈。

我們應當時刻提醒自己，批判性思維是我們避免誤入歧途的重要保證。我們身處在同一個宇宙，所以，我們只需要一種可以解析所有疑惑的物理理論，這個物理理論必須沒有邏輯矛盾和邏輯缺陷，可以完美的描述我們這個宇宙的運作細節，並以此為基礎展望宇宙的未來。真相總是樸實的，真理總是簡潔的。有時，

對有些問題，我們並不缺乏揭示真相的能力，更多的時候我們缺乏的是面對事實的勇氣。

參考及引用資料

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李春生·物理專欄