看透“同时”的相对性
费邦镜 feibangjing@163.com 2022/07/18
摘要
虽然用“洛伦兹变换”可以解释“迈克尔逊-莫雷实验的零结果”； 但这需要否定“时间”和“长度”的绝对性； 爱因斯坦采用“爱因斯坦对钟法”成功地否定了“同时”以及“时间”和“长度”的绝对性； 然而，“爱因斯坦对钟法”却潜伏着“循环论证”毛病 —— 其前提“光速各向同性”将因此而永远无法得到验证。
笔者设计了一种“中垂线对钟法”，不仅切实可行，也能足够精确，更无逻辑毛病！ 这意味着 —— 否定“同时”以及“时间”和“长度”的绝对性，其实不能成立！
几乎所有的教科书都断言 ——“动钟变慢效应”已被“宇宙线μ子的寿命测量实验”证实了！ 笔者却发现，该实验存在“致命的漏洞”。
笔者还设计了一种“两次对钟法”，可以彻底否定“动钟变慢效应”！
关键词：绝对时间，爱因斯坦对钟法，同时的相对性，
中垂线对钟法，动钟变慢效应，两次对钟法
目录
引言
一、爱因斯坦为啥要否定“时间”的绝对性?
§1.1 爱因斯坦怎么会想到要否定“时间”的绝对性？
§1.2 爱因斯坦采用什么方法否定了“时间”的绝对性？
二、“同时”的相对性能成立吗？
§2.1 为啥“爱因斯坦对钟法”潜伏着“循环论证”毛病？
§2.2 为啥“中垂线对钟法”是更科学的对钟方法？
三、“动钟变慢效应”已经被实验证实了吗？
§3.1 宇宙线μ子的寿命测量实验，是“动钟变慢效应”的铁证吗？
§3.2 为啥用“两次对钟法”可彻底否定“动钟变慢效应”？
四、“同时”不可能是“相对的”！
参考文献
引言
“时间”问题，是任何一个愿意思考的人，都感兴趣的问题。 古罗马的思想家奥古斯丁有句名言：时间是什么？人不问我，我很清楚；一旦问我，我便茫然。
霍金写了一本《时间简史》，尽管名不符实，却被翻译成四十多种语言；比玛当娜关于性的书更畅销！
这当然是因为 —— 经过一百多年的宣传和科普教育，爱因斯坦创立的“相对论”， 差不多已经妇孺皆知了 ——“同时”居然是“相对的”；“运动的钟”居然会“变慢”！
大家都渴望弄弄清楚：为什么我们时时处处都在熟练使用的“时间”，居然会如此的“神奇”？
一、爱因斯坦为啥要否定“时间”的绝对性？
很遗憾，牛顿没给“时间”下一个清晰的定义！
牛顿在《原理》中解释： “我没有定义时间、空间、处所和运动，因为它们是人所共知的。”[1]
万幸的是， 牛顿指出了“时间”的特性：“绝对的、真实的和数学的时间，由其特性决定，自身均匀地流逝，与一切外在事物无关，又名延续； 相对的、表象的和普通的时间是 …… 延续的度量，它常被用以代替真实时间，如一小时，一天，一个月，一年。”[1]
简言之，真实的“时间”是“绝对的”—— 自身均匀地流逝，与一切外在事物无关！
北师大刘辽教授指出：“在经典力学中时间是绝对的，因而同时也是绝对的”。[2]①
（ 国防科大谭署生教授进一步指出：“量子力学在绝对意义上使用时间的概念，同时性也具有绝对的意义”。[3] ）
然而，1905年爱因斯坦却否定了“同时”和“时间”的绝对性 ——“决不能给同时性观念以绝对的意义”；[4] “时间不可能被绝对地定义”。[5]① 这是为什么呢？
十九世纪末，物理学的上空漂浮着“一小朵乌云”—— 谁也无法合理解释“迈克尔逊-莫雷实验的零结果”。[6]①
爱因斯坦回忆：“如果承认迈克尔逊的零结果是事实，那么地球相对于以太运动的想法就是错的，这是引导我走向狭义相对论的第一步”[6]②
可见，为了解释“迈克尔逊的零结果”，爱因斯坦首先想到的是废弃“以太”；但仅仅废弃“以太”，依然无法解释这个“零结果”，他被这个难题卡住了一年多时间！[5]①
爱因斯坦回忆：“这时，伯尔尼的一个朋友（贝索）意外地帮助了我 …… 解决的实际上就是时间概念，也就是说，时间不可能被绝对地定义。”[5]①
果然，在解决了“时间概念”几周之后，爱因斯坦就顺利地完成了创立狭义相对论的第一篇论文 ——《论动体的电动力学》，于1905年6月投给了《物理学年鉴》杂志社，幸运地被主编普朗克于1905年9月发表了出来！
由此可见，创立“狭义相对论”的真正难点 —— 是需要否定“时间”的绝对性！
然而，要否定“时间”的绝对性，谈何容易！
“时间”的绝对性，不仅仅是牛顿力学的需要，也几乎是我们每一个人与生俱来的固有观念！
（ 其实，“时间”的绝对性也是量子力学的需要！[3] ）
那么，爱因斯坦究竟是采用了什么方法，居然能否定大家都早已刻骨铭心的“绝对时间”的呢？
牛顿似乎没讨论过“同时性”问题 —— 既然“时间”是绝对的，那么“同时”当然也是绝对的！
北师大赵峥教授敏锐地指出：“理解狭义相对论的关键，就在于理解‘同时的相对性’。”[7]①
同一地点两个事件的“同时性”，是不言自明的；而理解异地两个事件的“同时性”，当然就需要先明确 —— 如何定义“两个异地事件的同时性”？
北师大刘辽教授告诉我们：“定义两个异地事件的同时性，就相当于调整两个异地时钟的同步。 …… 在经典力学中时间是绝对的，因而同时也是绝对的 …… 爱因斯坦指出，这意味着存在速度为无穷大的信号传播速度，可以利用它来校准不同惯性系的不同时钟。 但是这不过是一种先验的假设，根本不存在这样的信号”。[2]①
因此，异地时钟的“对钟方法”，就被爱因斯坦选定为攻克“绝对时间”的“突破口”！！！
爱因斯坦在创立狭义相对论的第一篇论文《论动体的电动力学》第一章第一小节【§1同时性的定义】中，首先就不惜笔墨地“规定”了一种对钟方法 ——
【 “如果在空间的A点有一个钟，在A点的观察者只要在事件发生的同时记下指针的位置，就能确定A点最邻近处的事件的时间值。 若在空间的B点也有一个钟，此钟在一切方面都与A钟类似，那么在B点的观察者就能测定B点最邻近处的事件的时间值。但是若无其它假设，就不能把B处的事件同A处的事件之间的时间关系进行比较。到此为止，我们只定义了‘A时间’和‘B时间’，还没有定义A和B的公共‘时间’。 除非我们用定义规定，光从A走到B所需的‘时间’等于它从B走到A所需的‘时间’，否则公共‘时间’就完全不能确定。 现在令一束光线于‘A时间’tA 从A射向B, 于‘B时间’tB 又从B被反射向A，于‘A时间’t’A 再回到A。
按照定义，两钟同步的条件是 tB - tA = t’A - tB 。
我们假定，同步性的这个定义是无矛盾的，能适用于任何数目的点，并且下列关系总是成立的：
1、假如B处的钟与A处的钟同步，则A处的钟与B处的钟也同步。 2、假如A处的钟与B及C处的钟同步，则B、C两处的钟彼此也同步。
这样，借助于某些假想的物理实验，我们解决了如何理解位于不同地点的同步静止钟这个问题，并且显然得到了‘同时’或‘同步’的定义，以及‘时间’的定义。】[4]
我们不妨把这个似乎有点“晦涩”的“对钟方法”称为“爱因斯坦对钟法”—— 并简述如下 ：
欲对异地的钟A、钟B进行对钟，必须“用定义规定，光从A走到B所需的‘时间’等于它从B走到A所需的‘时间’”！ 然后令一束“光”于钟A所示的时刻tA，从A射向B, 于钟B所示的时刻tB，又从B被反射向A， 该束“光”回到A时，钟A所示的时刻为t’A 。 若tB - tA = t’A - tB，则定义 —— 钟A和钟B为“同时”或“同步”！
在第二小节【§2长度和时间的相对性】中，爱因斯坦指出，“下面考虑的基础，是相对性原理和光速恒定原理”，还强调必须“用§1规定的规则对这两只钟进行同步”，然后才得到了结论：“决不能给同时性概念以绝对的意义”。[4]
显然，若不是采用“爱因斯坦对钟法”，就不可能否定“同时”的绝对性！ 更不可能得到“长度和时间的相对性”！
可惜的是， “爱因斯坦对钟法”潜伏着一个毛病 —— 循环论证！
二、“同时”的相对性能成立吗？
我们知道，“循环论证”是一种不能容忍的逻辑毛病！
“爱因斯坦对钟法”的成立，必须有一个前提 —— “光从A走到B所需的‘时间’等于它从B走到A所需的‘时间’”[4] —— 亦即，必须“光速各向同性”！
但中科院张元仲研究员在《狭义相对论的实验基础》中宣称：“各种检验光速不变性的实验都只证明了回路光速的不变性，并没有证明单向光速的不变性。”[8]①
那么，将来是否有可能证明“单向光速不变”呢？
令人绝望的是，赵峥教授指出：“以相对论为核心的时空理论，从原则上否定了测量单程光速的可能性。”[9]
这是因为，测定“单向光速”必须先进行“对钟”；而“对钟”又必须以“单向光速的不变性”为前提！
这似乎有点诡异 ——“爱因斯坦对钟法”，居然会导致我们永远无法测定“光的单向速度”！
爱因斯坦当然知道这是一种“循环论证”，但他绞尽脑汁也没能打断这个“循环”…… 最终只能借用法国大数学家庞加莱的“约定论”。 据刘辽教授考证：“庞加莱指出，时间的测量与定义分为两个部分，一是异地时钟如何校准，二是‘相继时间段相等’如何定义。他认为这两个问题相互关联，都离不开对光传播性质的‘约定’。 在庞加莱这一思想的启发下，爱因斯坦约定真空中的光速各向同性，并是一个常数，解决了异地时钟如何校准的问题，即如何定义‘同时’问题，从而打开了相对论的大门”！[5]②
查了一下词典，所谓“约定”，就是事先“商量并确定”的意思。 问题在于，“光速各向同性”是“光”的“物理性质”！ 难道“物理性质”不需要“实际测定”，而是可以“商量并确定”的吗？
如果“物理性质”可以“商量并确定”，那是否也可以“约定”—— “钢铁”同“乳胶”的硬度是一样的呢？
显然，一切关于物理性质的“约定”（或规定，或公设，或假设），都是不可接受的！ （除非该约定或假设能被验证）
匪夷所思的是，一贯逻辑思维缜密的物理学家们，居然普遍容忍了“爱因斯坦对钟法”的“循环论证”。
中科院张元仲研究员对此解释：“除非我们能发现瞬时传播的信号，否则，用于校准时钟的那种信号的单向速度的问题，总是一个无法检验的问题。”[8]②
这引起了笔者极大的兴趣 —— 没有瞬时传播的信号，难道就真的找不到“没有毛病的对钟方法”了吗？
请看笔者设计的“中垂线对钟法”：如图一，A、B为两只相距不太远的“好钟”，M为AB的中点，KM是AB的中垂线，且K距离M“足够远”；在K点放置一个闪光信号发射器，这就可以利用从K点发出的光信号进行“对钟”了。
若光速各向“同性”，从K点发出的每个光信号，当然都会“同时”到达A、B。依此就可以把钟A、钟B校正到“同步”。
若光速各向“不同性”，则接近于“同向”的光线KA和KB的速度，当然接近于“相等”；从K点发出的每个光信号，当然都会几乎“同时”到达A、B。 依此也可以“足够精确”地将钟A、钟B校正到“同步”。
保证“足够精确”的手段非常简单 —— 只要让K距离M更远，或让A、B更接近， 就可以不断提高光线KA和KB的“同向”程度， 从而能够让钟A、钟B 无限逼近“绝对同步”，直至达到需求的精度。
显而易见，即使没有瞬时传播的信号，我们依然能够找到“没有毛病的、可以足够精确的对钟方法”！
有学者反诘 ——“爱因斯坦对钟法”的“循环论证”固然是毛病，但“中垂线对钟法”不能把异地的钟校正到“绝对同步”，难道就不是毛病吗？
需要强调的是，这两种毛病的性质不同 —— 这前一种“毛病”是一种逻辑毛病，后果严重 —— 将导致永远无法测定“光的单向速度”，这当然是一种不该被容忍的毛病；
而后一种“毛病”，虽导致了异地钟不能“绝对同步”，但却可以让异地钟无限逼近“绝对同步”； 况且一切度、量、衡都是近似的，真正“绝对精确的测量”根本就不存在！ 那么，这当然是一种可以被容忍的“毛病”！
既然“中垂线对钟法”不仅切实可行；也能足够精确；更不需要那永远无法验证的“光速各向同性”作为前提；那么， 根据公认的“简约法则” —— 奥卡姆剃刀法则，“中垂线对钟法”就应该替代“爱因斯坦对钟法”！
这也就意味着，唯有依赖“爱因斯坦对钟法”才能得到的“时间的相对性”，并不成立！
有学者驳斥 —— 你这是玩文字游戏 —— 因为众所周知，“物理学是实验的科学，一切理论最终都要以观测和实验的事实为准则”！ 而现行教科书都已言之凿凿地告诉我们，“时间的相对性”所导致的“动钟变慢效应”（也称为“时间膨胀效应”），早已被许许多多实验“证实”了！ 难道你的这些逻辑推理，比那些实验事实更“过硬”吗？
三、“动钟变慢效应”已经被实验证实了吗？
这确实是一个必须认真考证的问题！
宇宙线μ子的寿命测量实验，被许多权威教科书一致优选为“动钟变慢效应”的铁证！ （如北大赵凯华主编的《力学》、北师大漆安慎主编的《力学》、复旦郑永令主编的《力学》、A.P.弗伦奇编写的麻省理工学院的教材《狭义相对论》，等等）
教科书告诉我们，来自高空的宇宙线轰击地球大气会产生大量μ子，这些μ子具有很宽的能量范围，高能μ子的速度非常接近于光速c，可大于0.9954 c。[11]
μ子很不稳定，静止μ子的半衰期仅2.2×10-6秒。[12]
1963年，D.H.Frisch和J.H.Smith在海拔1910米的山上，用一种闪烁器检测铅直向下的μ子的数目（这种闪烁器只能检测到速度在0.9950c～0.9954c之间的μ子）， 在山顶上检测，每小时平均有563±10个μ子；然后下到离海平面3米处检测，每小时平均有408±9个μ子。[11] （ 根据半衰期计算，经过1907米的飞行，能被检测到的μ子的数目应该不到35个 ）
据此，所有的教科书都断言：正是“动钟变慢效应”，导致了高速飞行μ子的寿命延长了。[11]
但笔者却发现，该实验存在“致命的漏洞”。
—— 山顶上被检测到的那563个μ子，并不是山顶上的全部μ子，而仅仅是速度在0.9950 c～0.9954c之间，且进入了闪烁器的那一部分μ子。
但海平面检测到的408个μ子，则可能由三部分组成：
第一部分是山顶上那些μ子衰变后存活下来的；
第二部分是山顶上速度大于0.9954c的μ子，在下降的过程中，因种种原因（如与大气分子碰撞）耗散了一些能量，以致到达海平面时速度会降到0.9950c～0.9954c之间；
第三部分是山顶之下宇宙线轰击大气而新产生的μ子。
所以，用这408个μ子来推断那563个μ子的寿命，显然是牵强附会，那里是什么“铁证”！
有学者对此不屑一顾 —— 即使真的能否定该实验，那也无所谓 —— 另有许多实验也能证实“动钟变慢效应”！
此言差矣 —— 为什么众多教科书都不约而同地选用“宇宙线μ子的寿命测量实验”呢？这难道不是说明 —— 该实验是这类实验中“最过硬”的吗？ 若“最过硬”的实验能被否定，岂不是意味着其他实验更容易被否定吗？
当然，这样的理由难以让人彻底信服！ 如果有一种方法能一揽子否定所有这类实验，那才是最有说服力的！
请看笔者设计的“两次对钟法”：如图二，有一批结构相同的好钟 A、B、P、Q …… 等等；钟A、钟B等放在路基上，钟P、钟Q等放在火车上；每个钟的近旁都有一位观察者。
火车始终以速度v 相对于路基，向右作“匀速直线运动”。
在钟P与钟A相遇之前，路基上的人已把路基上全部钟都校准同步了； 火车上的人也已把火车上全部钟都校准同步了。 这是第一次对钟。
（ 第一次对钟允许采用爱因斯坦对钟法，或其他各种对钟法 ）
那么，在完成了第一次对钟之后，当然可以断言：
1）对于路基上的观察者来说，钟A、钟B等路基上的全部钟将始终保持同步；
2）对于火车上的观察者来说，钟P、钟Q等火车上的全部钟也将始终保持同步。
（ 无论根据牛顿力学，还是狭义相对论，[4] 当然都不否认这个断言！因为这都是“静止的钟”相对于“静止的观察者”）
接着，进行第二次对钟：
当钟P与钟A相遇时，如图二（a），观察者A和观察者P都看到钟A比钟P快了t秒 （因看到的是同一个场景），于是观察者P就把自己身旁的钟P拨快t秒， 然后，观察者P又尽快通知火车上的其他观察者：都把自己身旁的钟拨快t秒。（ 拨钟动作无须同步，拨快t秒即可 ） 这就完成了第二次对钟。
笔者把这两次对钟，合称为“两次对钟法”。
在完成了第二次对钟之后，不仅路基上的全部钟，对于路基上的全部观察者仍是同步的； 火车上的全部钟，对于火车上的全部观察者也仍是同步的。
而且还可以断言，对于路基和火车上所有的观察者，路基和火车上所有的钟也都全部是“同步”的！
且慢，有学者驳斥 —— 根据相对论，运动的钟一定会变慢 —— 因此，即使完成了第二次对钟，当钟P和钟B相遇时，也不可能是同步的。
所幸，可以用“反证法”来证明：“运动的钟会变慢”，决不可能发生！
（ 不妨假定所有的钟都是指针式的，且在钟P和钟B相遇之前，已完成了第二次对钟 ）
证明：
假设 —— 运动的钟真的会变慢， 那么，如图二（b），当钟P与钟B相遇时，将出现两个相互矛盾的场景：
场景1，若以路基为参考系，则钟P是运动的，静止的观察者B将会看到：动钟P的指针转过的角度一定比静钟B的要小（动钟P变慢）—— 简言之，动钟P的指针转得少；
场景2，若以火车为参考系，则钟B是运动的，静止的观察者P将会看到：静钟P的指针转过的角度一定比动钟B的要大（静钟P变快）—— 简言之，静钟P的指针转得多。
然而，观察者P和观察者B在相遇时，看到的是“同一个场景”！ 场景1和场景2怎么可能不相同呢？
所以，“运动的钟会变慢”这个假设，一定是不可能成立的。 证毕 #
可见，“两次对钟法”能够从逻辑上彻底否定“动钟变慢效应”！ 因此可以断言，那些号称能够证实“动钟变慢效应”的各种实验，一定同“宇宙线μ子的寿命测量实验”一样，也是经不起仔细推敲的！
四、“同时”不可能是“相对的”！
为了解释“迈克尔逊-莫雷实验的零结果”，费兹杰惹和洛伦兹分别于1889年和1892年各自独立提出了“长度收缩假说”。[6]① 1904年洛伦兹更把“长度收缩假说”提升为两个惯性系之间的坐标变换公式 [2]②—— 洛伦兹变换：
t’= (t-vx/c2) / √(1-β2)， x’= (x-vt) / √(1-β2)。 （β=v/c）
虽然用“洛伦兹变换”能够解释“迈克尔逊-莫雷实验的零结果”， 但谁也说不出“洛伦兹变换”的物理意义。
爱因斯坦发现，若要让“洛伦兹变换”具有物理意义，就必须否定“时间”和“长度”的绝对性； 爱因斯坦采用自己规定的对钟方法 —— 爱因斯坦对钟法，成功地否定了“同时”的绝对性；也趁势否定了“时间”和“长度”的绝对性；[4] 然而，“爱因斯坦对钟法”却潜伏着致命的“循环论证”毛病 ——“爱因斯坦对钟法”的前提“光速各向同性”，将因此而永远无法得到验证。
而笔者设计的“中垂线对钟法”，不仅切实可行，也能足够精确，更无须那个永远无法验证的前提 —— 光速各向同性。
那么，根据公认的“简约法则”—— 奥卡姆剃刀法则，“中垂线对钟法”就应该替代“爱因斯坦对钟法”！
这当然也意味着，唯有依赖“爱因斯坦对钟法”才能得到的“时间的相对性”，其实不能成立！
然而,许许多多学者都反诘 ——“时间的相对性”导致的“动钟变慢效应”早已被“宇宙线μ子的寿命测量实验”证实了； 怎么还能说“时间的相对性”不成立呢？
其实，该实验存在“致命漏洞”—— 根据半衰期计算，563个μ子经过1907米的飞行之后，能被检测到的μ子确实应该不到35个； 然而，山脚下这408个μ子不“全是”山顶上那563个μ子“衰变的产物”（ 我们无法排除其他μ子也进入了此观测通道 ）， 用408 > 35，来推断563个高速飞行μ子的寿命延长了，显然是牵强附会！
让人高兴的是，笔者更设计出一种“两次对钟法”，可以雄辩地证明，由“时间的相对性”所导致的“动钟变慢效应”，决不可能发生！
因此可以断言 —— 所有那些号称能证明“动钟变慢效应”的实验，一定同“宇宙线μ子的寿命测量实验”一样，是以讹传讹！
可见，用“中垂线对钟法”，加上“两次对钟法”，足以捍卫牛顿的正确观点 ——“时间”是“绝对的”—— 自身均匀地流逝，与一切外在事物无关！
（ 其实， 只要能认识到“引力场就是以太”，就可轻松解释“迈克尔逊-莫雷实验的零结果”，无须废弃“以太”，也无须否定“绝对时间”—— 详见笔者在【国家科技图书文献中心】 2021-04-29的预印本 《狭义相对论的要害是“惯性系”》§5.2 ）
参考文献
[1] 牛顿，自然哲学之数学原理[M]，北京大学出版社，王克迪译，2006：4
[2] 刘辽、费保钧、张允中，狭义相对论[M]，第二版，科学出版社，2008：①25～27、②12
[3] 谭暑生,从狭义相对论到标准时空论[M],湖南科学技术出版社，2007：238
[4] 爱因斯坦、洛伦兹、闵可夫斯基、韦尔，相对论原理[M]，科学出版社，赵志田、刘一贯译，1980：33～36
[5] 刘辽、赵峥、田贵花、张靖仪， 黑洞与时间的性质[M]， 北京大学出版社，2008：①228、②序言3～4
[6] 郭奕玲、沈慧君，物理学史[M]，第2版，清华大学出版社，2009：①168～173、②186
[7] 赵峥、刘文彪，广义相对论基础[M]，清华大学出版社，2012：①6、②40
[8] 张元仲，狭义相对论实验基础[M]，科学出版社，1994：①20、②重印说明ⅴ
[9] 赵峥，相对论百问[M]， 北京师范大学出版社，2010：39
[10] 赵凯华、陈熙谋，电磁学[M]，高等教育出版社，2011：571～572
[11] A.P.弗伦奇，狭义相对论[M]，人民教育出版社，张大卫译，1979：102～109
[12] 漆安慎、杜婵英，力学[M]，第三版，高等教育出版社，2012：430
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