围绕相对论的争议——纪念广义相对论发表一百周年

沈致远

摘要 综述围绕相对论之争议，将之分为三派：肯定派、否定派、发展派。列举不容曲解的实验证据，证明全面肯定派及全面否定派之错误。作者同意发展派的观点，并提出一些发展相对论的想法。四川大学王顺金教授及作者各自独立提出发展广义相对论的理论，详见文后参考文献。

围绕相对论的争议
——纪念广义相对论发表一百周年

沈致远†

摘要 综述围绕相对论之争议，将之分为三派：肯定派、否定派、发展派。列举不容曲解的实验证据，证明全面肯定派及全面否定派之错误。作者同意发展派的观点，并提出一些发展相对论的想法。四川大学王顺金教授及作者各自独立提出发展广义相对论的理论，详见文后参考文献。

相对论；洛仑兹变换；质-能相当原理；钟慢效应；虫洞；外祖父佯谬；轮回宇宙理论

纵观科学史，有两个理论引起极大争议，首先是进化论，其次是相对论。反对进化论的主要是“神创论”者，其争议不属于学术范畴。就学术性而言，围绕相对论的争议最值得学术界关注。

其实，围绕相对论的争议也有一部分不属于学术范畴。爱因斯坦相对论初创时，德国反犹太主义者群起而攻之，称之为“犹太科学”并加以抵制，致使爱因斯坦长期未获得诺贝尔奖。1921年终于得奖，也故意回避相对论。在早期苏联，有人将相对论作为资产阶级思想加以批判。中国在“文化大革命”时，也有人借此机会批判相对论。但这些只是闹剧，不值得学术界关注。

围绕相对论的争议主流属于学术范畴，大致可分为三派：一、肯定派，二、否定派，三、发展派。

本文的目的在于对围绕相对论的争议作学术性探讨，就事论理，不针对个人。为此，在列举不同观点时，一般不引用参考文献，也不指名道姓。

1 肯定派

顾名思义，肯定派肯定相对论，其激进者全盘肯定。全盘肯定相对论者大多为物理学界主流人物，人数不多，影响甚大。他们对试图修正、补充及发展相对论的论文不屑一顾，他们主编的物理学期刊对之一律禁刊。

2011年9月意大利国立核物理研究所宣布：根据他们的测量数据，中微子的飞行速度超过光速！在物理学界引起轩然大波，赞成者与反对者竞相发表论文。数月后尘埃落定，原来是测量设备有漏洞所造成之假象，该研究所主任为此引咎辞职。事后，著名物理学期刊《物理学评论快讯》(Physics Review Letters)主编在《科学美国人》发表一篇短文说：“本刊就此事只发表两篇论文，作者均认为中微子不可能超过光速。”当然这次他做对了，他接着宣称：“本刊一贯拒绝刊登不符合洛仑兹变换的论文。”洛仑兹(Lorentz)变换是光速不变原理及协变原理之定量表示，这两个原理是狭义相对论的基础。在他看来，狭义相对论是绝对真理。果真如此吗？举一例可证其谬。瑞士物理学家萨拉特(D. Salart)等人[1]以实验证明，两个纠缠光子之间信号传播速度超过光速至少一万倍，这和光速不变原理直接抵触，洛仑兹变换必须相应修正，由此可见狭义相对论并非绝对真理。其实，物理学家早就发现，对两个纠缠粒子，测量其中一个粒子的自旋，另一个在远处的粒子立即相应改变其自旋。对此爱因斯坦称之为“鬼怪的超距作用”(spooky action at a distance)。但肯定派强辩说：“人不能利用纠缠粒子之间的瞬时相互作用传递信息，故不违反狭义相对论。”但纠缠粒子确实用来传递信息，物理学又不是“人理学”，为什么非得人传递信息才算数呢？

再来看广义相对论。量子论与广义相对论是20世纪物理学两大支柱，在此基础上，物理学成果累累。但这两大支柱不相容，广义相对论不包含几率，属于绝对决定论；量子论包含几率，违反绝对决定论。再者，广义相对论是宏观理论，不适用于微观。个别绝对肯定论者罔顾事实，认定广义相对论是绝对真理。举一例可证其谬：根据广义相对论，黑洞中心径向距离趋向于零时，万有引力趋向于无穷大，物理定律全部失效！是为广义相对论之“奇点”(singularity)困难，在广义相对论现有框架内无法解决。由此可见，广义相对论并非绝对真理。

任何科学理论都有一定的适用范围，越出其适用范围，真理就变为谬误。绝对真理可望而不可及。所有科学皆然，相对论岂能例外。明乎此理，全盘肯定论可以休矣。

2 否定派

全盘肯定派错了，否定派是否就对了呢？不一定。这里要说的是全盘否定派，他们对相对论全盘否定。这就从一个极端跳到另一个极端，以错易错，其错更甚。

全盘否定派试图从根本上全盘否定相对论，回归到牛顿力学。他们提出耸人听闻的口号：“回到1905年！”(1905年爱因斯坦发表狭义相对论)在他们看来，20世纪物理学家做出的划时代贡献——量子论和相对论，至少有一个全盘皆错，几千位理论和实验物理学家百年来所做的工作大半作废！兹事体大，不能掉以轻心。

全盘否定论者多数是“民科”(民间科学家之简称)。民科中许多人缺乏物理学基本训练及数学基础，他们认为相对论的一些重要结论如运动物体长度沿运动方向收缩、运动时钟变慢、同时性是相对的、质量能量相当、时空弯曲、引力场中时钟变慢等等，不合常理，无法理解而加以反对。不知者不责，情有可原。

这里要说的是有些受过正规物理学教育，具有博士学位和教授职称者，也对相对论全盘否定。为此，他们发表论文、撰文著书、发表演说进行宣传，力求扩大影响。

全盘否定论者反对狭义相对论，首先集中于否定迈克尔孙(A. Michelson)所做的测定光速实验。限于当时的实验条件，其实验结果确有可议之处。全盘否定论者也知道，证实狭义相对论的实验并不只限于迈克尔孙实验，他们一不做二不休，转而试图否定有关质能相当原理的实验。众所周知，放射性原子核分裂释放出能量基于质能相当原理。但全盘否定论者试图狡辩，他们认为释放的能量来源于原子核内能。这当然是有意曲解，但核分裂反应前后之静质量相差较少，此狡辩容易迷惑人。这里举出一个不容曲解的确证。缪(µ)轻子静质量为105.66 MeV，其主要衰变通道(分支比接近100%)：衰变为一个电子、一个电子反中微子和一个缪中微子。电子静质量为0.51 MeV，电子反中微子和缪子中微子的静质量均小于千分之一电子质量。缪轻子衰变后所产生的三个粒子静质量之总和只占缪轻子静质量的0.5%，缪轻子衰变后99.5%的静质量损失了，转化为衰变所产生的三个粒子之动能。此乃质能相当原理之确证。请问全盘否定论者：如无质能相当原理，这99.5%的静质量到哪里去了？

全盘否定论者还试图否定运动时钟变慢。对此通俗读物中所举例子是，以接近光速作宇宙飞行的人寿命延长，返回地球后发现，他的儿子和孙子都早已逝世！由于宇宙航行必须转向才能返回地球，此例涉及加速度，越出狭义相对论适用范围，易为狡辩者所利用。这里举出一个不容曲解的确证：静止的缪轻子平均寿命约为百万分之二秒，以接近光速飞行之缪轻子平均寿命比静止时的可增加几百到几千倍。实验物理学家早就建成“缪轻子工厂”，每秒钟可产生许多以接近光速飞行的缪轻子。缪轻子工厂已运行了若干年，所记录到的上述缪轻子寿命延长现象不计其数，而且测得的寿命延长与根据狭义相对论计算值符合。此外，实验物理学家正在考虑，利用延长寿命的缪轻子代替电子制造缪轻子直线加速器以提高其能量。铁证如山！全盘否定论者纵有如簧之舌、生花妙笔，也无法为否定运动时钟变慢狡辩。

证实狭义相对论的实验并不限于以上两例。描述基本粒子及其相互作用之量子场论标准模型基于量子论及狭义相对论，这是一个非常成功的理论。据此可算出有关基本粒子的许多物理参量，几十年来验证其理论计算结果的实验成千上万，有的实验与理论符合之误差小于百亿分之一，被称为有史以来最精确的理论。这些都是狭义相对论的间接实验证据。请问全盘否定论者：面对如此之多的证据，你们如何一一予以否定？

再来看广义相对论。全盘否定论者反对广义相对论，首先集中于否定广义相对论的第一个天文观测证据。英国天文学家爱丁顿爵士(Sir. A. Eddington)于1919年率队在东非日全食时所做的星光为太阳引力场弯曲的观测，限于日食时的不利气象，以及摄影所用底片之分辨率，其结果确有可议之处。随后已有更精确的天文观测，证实了广义相对论关于星光为引力场所弯曲之定量结果。星光在引力场中弯曲可形成“引力透镜效应”，已用来验证暗物质。面对这些事实，全盘否定论者并不认输，他们强辩说：牛顿引力理论也能解释星光为引力场所弯曲。但牛顿引力理论只对有质量的粒子产生引力，而光子静质量为零。他们还要狡辩：光子具有动质量。他们忘记了，动质量是相对论引入的。他们兜了一个圈子回到原点，白费功夫。

个别全盘否定论者甚至否定广义相对论计算水星近日点进动之定量符合，试图翻百年旧案。水星近日点进动与牛顿理论不符，这是逾百年精确天文观测以及反复核算得出的结论，岂是狡辩所能推翻。

全盘否定论者并不善罢甘休，他们挖空心思试图否定广义相对论之基本概念——时空弯曲。他们举例说：一维的曲线只有在二维平面中才能实现，二维的曲面只有在三维空间中才能实现。以此类推，三维的弯曲空间只有在四维空间中才能实现，一维的弯曲时间只有在二维时间中才能实现；但四维空间和二维时间并不存在，所以时空弯曲不能成立。乍听，此言似乎有道理；细思量，只是巧加伪装的狡辩。科普读物将二维空间弯曲以球面(正曲率)或马鞍面(负曲率)表示，是为了直观形象使读者容易理解，并不能由此断言二维弯曲空间只存在于三维空间。实际上，爱因斯坦广义相对论弯曲时空是以黎曼(G. Riemann)几何之度规张量(gauge tensor)表示。三维空间及一维时间之度规张量由4×4 矩阵表示，弯曲时空之度规张量有16个分量，一般均为时空变量，由于对称性其中10个分量是独立的。明乎此理，上述狡辩就原形毕露。例如：具有正曲率之弯曲二维空间中圆周率小于π，在三维空间形象化表示中，是以球面上之圆周除以直径表示；如以度规张量表示，以二维面上圆周方向之度规分量计算圆周长度，将之除以直径方向之度规分量计算之直径长度算出圆周率小于π。由此可见，弯曲二维空间并非必须在三维空间才能实现，余可类推。全盘否定论者弄巧成拙。

广义相对论基本方程有所谓“虫洞”(wormhole)解，在极度弯曲时空中，通过虫洞可从一个三维空间进入另一个三维空间。有人将之解释为可通过虫洞返回历史，据此提出所谓“外祖父佯谬”(grandfather paradox)：有人钻进虫洞到达另一个三维空间的世界，发现自己返回到百年前，他将幼年的外祖父杀死，尚未结婚的外祖父死了，母亲当然不可能诞生，没有母亲他自己从何而来？如此事真的发生，显然违反因果律——后果不可能改变前因。因果律是一切事物必须遵守的基本规律，任何科学理论都不能违反。全盘否定论者如获至宝，大喜过望，根据外祖父佯谬断言：广义相对论违反因果律，必须全盘否定。广义相对论基本方程确实有虫洞解，但并不能将之解释为可通过虫洞返回历史，外祖父佯谬乃天方夜谭，根本不可能存在。这里的关键问题是：通过虫洞是否能返回历史？如能返回历史，时间就可以倒流，必然违反因果律。但虫洞解之解释并非返回历史，而是宇宙历史轮回。宇宙学家提出“轮回宇宙理论”(cyclic universe theory)：我们所处的宇宙由于暗能量产生斥力正处于加速膨胀时期，使物质密度逐渐降低，宇宙膨胀速度相应变慢，致使宇宙停止膨胀而转为收缩，收缩速度越来越快，最终导致与宇宙“大爆炸”(big bang)相反的宇宙“大压缩”(big crunch)。大压缩使得宇宙物质密度急剧增加，时空极度弯曲而产生虫洞，宇宙通过虫洞进入新的三维空间，完成一个宇宙轮回。在新宇宙的三维空间中时间重新开始，如此轮回往复，无穷无尽。由此可见，广义相对论虫洞解并不导致时间倒流，并不违反因果律。全盘否定论者一场空欢喜。

实际上，广义相对论已经过上百次实验及天文观测检验，从未发现一例违反。更有甚者，广义相对论还有实际应用，利用全球定位系统(简称GPS)测定位置已精确到小于厘米，为达到如此之高的精确度，必须根据广义相对论对时钟在引力场变慢所引起的微小误差进行校正。面对事实，全盘否定论可以休矣。

平心而论，全盘否定论者也有贡献。他们对相对论进行全方位批评，迫使人们对相对论各个环节深入思考以进行答辩，从而加深了对相对论的理解。全盘否定论者在这场论战中失败了，其经验教训使我们知所趋避，这也是一种贡献。

关于民科有必要再说几句。我一贯同情民科，曾几次撰文赞扬民科自发投入科学研究的可贵精神，呼吁有关部门予以适当支持。前面对民科的批评是恨铁不成钢。研究如相对论这样的前沿科学，必须具备必要的物理基础知识及数学功底，最好能懂一门外文，才能提出独立见解进行批评。语重心长，希望民科们理解。

3 发展派

近代物理学发展史可划分为两个时期：第一时期是以牛顿力学理论和麦克斯韦电磁理论为主体的经典物理学，这两个理论并不相容，由此孕育出一个新时期；第二时期是以广义相对论和量子论为主体的现代物理学，这两个理论也不相容，随着人类认识的不断深入，将孕育出物理学第三时期，广义相对论必将随之发展。

发展派既不全盘肯定也不全盘否定相对论，而是试图在新的基础上将之发展。这种工作一直有人在做，广义相对论就是爱因斯坦本人对狭义相对论的一次重要扩展，使其适用范围从等速参照系扩展到包括加速参照系，并因此引入时空弯曲以代表引力。发展广义相对论的工作也一直有人在尝试，有的引入“绕度”试图解决奇点困难，许多人试图将广义相对论量子化，为此有一个学派称为“量子化引力理论”，其中最著名的是由阿许特卡(A. Ashtekar)于1986年创立的“圈论”(loop theory)。

迄今为止，所有试图发展广义相对论的理论都失败了，如何发展相对论仍然是未解之谜。实际上，对科学前沿的探索本来就是猜谜，见仁见智因人而异，谜底由实验揭晓。

物理学是实证科学，实验及观测结果是验证理论的判据。从实验及观测与现有理论抵触之处可发现发展的线索。

天文观测发现宇宙正在加速膨胀，在广义相对论方程中增加一个宇宙常数项可能解释宇宙加速膨胀，不料理论算出的宇宙常数值比天文观测值大120个数量级！被认为是物理学理论最大的误差。物理学家为此提出各种方案试图消除此误差，均未成功。我认为，这是一个值得注意的线索，可为如何发展广义相对论提供启迪。

另一个实验线索是萨拉特等人发现两个纠缠光子之间信号传播速度至少大于光速一万倍[1]，证明狭义相对论之光速不变原理必须加以修正。在广义相对论现有框架内也不允许信号传播速度超过光速，这也可对如何发展广义相对论提供启迪。

再来看理论方面，广义相对论与量子论是现代物理学两大支柱，但两者不相容。物理学家一般认为，不相容是由于广义相对论未能量子化。试图发展广义相对论者致力于将之量子化，至今无一成功，是进行反思的时候了，应另找发展广义相对论之切入点。我认为，爱因斯坦创立广义相对论最大的贡献是将空间物质化。根据牛顿理论，空间空无一物，只是为物体运动提供场所。爱因斯坦将引力归结为时空弯曲，引力具有能量，能量与物质等价，据此空间并非空无一物，空间是物质。随后，量子力学提出空间具有量子起伏代表真空具有能量，也证明空间并非空无一物。这是现代物理学在基本观念上的一大突破，具有划时代重大意义。我在想，对空间作进一步的深入发掘，是发展广义相对论的切入点。广义相对论的空间是完全确定的，“天有不测风云，人有旦夕祸福”，宇宙万物充满了不确定性，这种不确定性必然源于空间之属性。对空间引入以几率代表的不确定性，可能是发展广义相对论的切入点。四川大学王顺金教授和我各自独立沿此思路做了一些工作，不谋而合，两人所见略同。有兴趣的读者可参阅文献[2-5]。

4 结束语

本文只是我千虑一得之管见，欢迎读者提出批评指正。我会认真听取，坚持真理，修正错误，有则改之，无则加勉。如发现错误，我一定虚心接受，认真改正。科学就是在不断接受挑战及改正错误中发展的。

(2014年12月24日收稿)■

[1] SALART D, BASS A, BRANCIARD C, et al. Testing the speed of‘spooky action at a distance’[J]. Nature, 2008, 454(7206): 861-864.

[2] WANG S J. Microscopic quantum structure of black hole and vacuum versus quantum statistical origin of gravity [EB/OL]. arXiv.1212.5862v3[grqc].(2014-09-26). http://arxiv.org/abs/1212.5862v3.

[3] WANG S J. Vacuum quantum fluctuation energy in expanding universe and dark energy [EB/OL]. arXiv.1301.1291v3[physics.gen-ph]. (2014-09-26). http://arxiv.org/abs/1301.1291v3.

[4] 沈致远. 统一场论源流及新版本[J]. 自然杂志, 2014, 36(3): 157-164.

[5] SHEN Z Y. A New version of unified field theory——Stochastic quantum space theory on particle physics and cosmology [J]. Journal of Modern Physics, 2013, 4(10): 1213-1380.

The controversy around relativity theory

SHEN Zhi-yuan

This paper provides an overview of the controversy around relativity theory. The different opinions are classified into three schools: the accept school, the reject school, the develop school. In this paper, the author listed unarguable experimental facts to disapprove the totally accept school and the totally reject school. The author agrees with the develop school, and provides some ideas for developing relativity theory. Professor Shun-Jin Wang at Sichuan University and the author independently established theories for developing general relativity theory as shown in the references.

relativity, Lorentz transformation, mass-energy equivalent principle, clock slow effect, wormhole, grandfather paradox, cyclic universe theory

(编辑：沈美芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.02.008

†通信作者，E-mail: zyshen@comcast.net