司 今（jiewaimuyu@126.com）
從內心來講，我本人對討論相對論議題並不感興趣，因為我還沒有能夠深入了解它；雖然大學裡學了一點，那也只能算是「九牛一毛」，因此，我不想把有限精力放在這個「陌生問題」上作過多言論，因為，對不太了解的東西「言多必失」！
但因受人之約，非要我談談對相對論的看法，礙於顏面，我也只好「應差」一下了。
據說，愛恩斯坦最初發表相對論的時候只有兩個半人能看懂，一個是愛因斯坦，另一個是愛丁頓，其餘的都是一知半解，加起來算半個；這雖有點戲語，但從側面也反映出了相對論內容深奧、晦澀難懂的特點。
一百年過去了，相對論雖作為基礎物理學而被人們接受，但真正理解相對論的人還是不多。大學裡，教授們在照本宣科地「念」著相對論給學生聽，教授們走了，學生成了老師，於是還是照本宣科地「念」下去……可以這麼說，相對論自誕生之後，並沒有得到像量子力學那樣大的發展，相反，它的一些假設、猜想還再延續讓人困惑的傳奇。
我始終認為，對相對論問題不能孤立地去看待和討論，必須洞悉相對論產生的深層科學歷史背景，必須將相對論的思想內容放到整個物理學體系中來全盤考慮，否則，那可能又是在演繹「盲人摸象」的滑稽劇！
目前，流行的所謂挑戰相對論問題，大部分也都是在「盲人摸象」！因為各種物理理論已相互交錯，「牽一髮而動全身」，正如王令雋教授所說：討論與挑戰相對論之難就在於相對論的一些概念和理論已深深融入到量子力學中去了。
1、狹義相對論產生的歷史深層背景
認識必須從它產生的科學歷史背景著手，才能真正了解這個理論所描述的物理思想脈絡和應用價值；我想，認識相對論也應如此。
十九世紀初，物理學已從宏觀力學與經驗電磁學轉入微觀粒子運動的研究，期間出現的不僅僅是「二朵烏雲」，還有慣性系轉換問題（從地球慣性系轉入原子核慣性系）與光運動問題等。愛因斯坦正是敏銳地撲捉了這一變革契機；他開始研究布朗運動與光電效應問題，他吸納了普朗克的量子觀點，並將這一觀點應用到熱力學中，特別是在解決物質態變中組成粒子的能級變化與光電效應問題起到了現代物理學基礎的作用。在愛因斯坦所發表的論文中，被引用最多的不是《論動體的電動力學》等，而是一篇關於布朗運動研究的論文，正是這篇論文與關於光電效應解釋論文為經典量子力學的發展奠定了基礎。其後，才催生了他的狹義相對論與廣義相對論誕生。
那麼，是什麼原因促使愛因斯坦產生建立相對論的念頭？僅僅是一個邁克耳遜實驗嗎？
不是！是十九世紀科學基礎矛盾的積累與由從宏觀到微觀研究差異所引出混亂的必然結果。用愛因斯坦的話說就是，「相對論的興起是由於實際需要，是由於舊理論中的矛盾非常嚴重和深刻，而看來舊理論對這些矛盾已經沒法避免了」。
如果從歷史深層背景來說，就是：
1.1、麥克斯韋電磁波理論首先提出光是一種電磁波，光速是一個定值，即C=3×108m/s.
麥克斯韋光速值是依據庫倫電、磁荷力公式中的引力係數比ke/km得出的結論，即√ke/km=c=3×108m/s.但我們有沒有仔細想一想，此運算值真的就代表光的運動速度嗎？其中蘊含的真正物理意義是什麼？
如果把電荷力與磁荷力看作相等，則有F=keq1q2/r2=kmpm1pm2/r2，因pm=qv，可得ke= v1v2km；結合ke=c2km，就會得出c2= v1v2，這說明v1或v2必定會有一個是超光速c，為什麼會出現此現象呢？
原來，ke與km就像與Φm與pm之間一樣存在單位換算問題，如果將ke= v1v2/π與ke= c2km結合，就可得v1v2=πkmc2，即c2= v1v2/πkm，這樣就不會出現v1或v2超光速問題了，同時也揭示了ke、km及它們之間相互轉換的物理關係本質，說明電、磁力是同一種力，只因荷的定義不同而描述不同罷了。(註：具體推導可參閱《高斯定理的物理意義及其在場物理學中應用的得失》一文)
1.2、伽利略的速度合成律在光運動及電磁現象中應用出現問題
伽利略速度合成律是建立在牛頓慣性系中的二個平移坐標系之間坐標轉換的規律，是牛頓絕對時空思想的數學體現。但它有一個顯著特徵，那就是：參照系相互轉換時，必須用一個標準來衡量，不可以二個互為衡量標準。
但這種坐標轉換形式應用到發光體光運動速度合成問題上時，就會出現與實際不符的矛盾，這不是伽利略坐標轉換本身的錯誤，而是伽利略忽略了一個事實：發光體發出的光子運動速度與發光體是否運動無關，它只與發光體內提供的發射光子的能量大小有關。
電磁現象之所以不符合伽利略速度合成律，那是因為我們直到現在還沒有真正弄明白磁性真正的起源是什麼？單個靜態電子有沒有磁性？單個運動電子真的就會在自己周圍空間產生額外的運動磁場效應嗎？我的研究是否定的！電子磁場的真正起源來自於其自旋性上，電子運動速度的增大只會削弱自旋磁場，從而使運動電子在其周圍空間分布的磁場變弱。
1.3、以太風實驗零結果問題
任何光速測定都離不開光源這一基點，邁克耳遜以太風實驗說明：地球上沿各個方向的光從光源發出時都有相同速度，它與地球的運動狀態無關；同時也否定了以太的存在，間接證明了光的粒子性。
這個實驗還有一個重要意義，那就是它揭示了伽利略坐標變換存在局限性，暴露了伽利略坐標變換存在嚴重缺失，即它不適於描述發光體發出的光子運動速度合成問題。
1.4、荷質比隨速度變化問題
1901年考夫曼在確定鐳C發生的β射線荷質比的實驗中首先觀察到，電子的荷質比與速度有關，他假設電子電荷不隨速度而變化，則它的質量就要隨速度的增大而增大。這一實驗後來成了間接驗證愛因斯坦光速不變假設的重要依據。
但是，我們卻忽落了這樣相關事實：我們知道，質量、電量都是在牛頓力學概念下定義出來的量，它們的含義應包括二個方面：
（1）、表示質體或荷體組成的基本粒子量多少；對不同「荷」概念就要為它制定一個用於度量的基本單位量，這就是「荷」組成的基本粒子概念；如電子，質量是m=9.1× 10-31kg、電量是e=1.602× 10-19C，用它們就可以去度量一個質量體、一個電荷體中所含的電子個數多少。
（2）、表示外力對物體或「荷」改變難易程度的度量，即它們所具有的慣性大小的度量。據此按「荷量」慣性定義內涵不同，可分為質量慣性、電量慣性等。
從上面質、荷定義的共同含義中可以看出，質量、電量都是與力有關的量，質、荷載體是由基本的質、荷粒子組成，說明它們都有量子性。物理學中如果在同一個公式裡出現二個以上變量，則只可能將它們都視為常量或其中一個視為常量，不可能將它們都視為變量，因為二個量之間的轉換必須要有一個「比較基」存在，至於選哪一種變量為「比較基」，不能根據我們的主觀需要而定，而應根據物質運動變化中基本組成粒子量化的難易、精確度而定。例如，考夫曼將電子電量主觀地定為「比較基」，在荷質比變化下才會有「質量就要隨速度的增大而增大」的論斷。愛因斯坦繼承了這一論斷，才會出現動質量概念。但是，我們別忘記了物理實驗，現代物理學證明，電子在不同運動速度下其電量電場、磁量磁場的分布空間強度是有方位變化的，但我們沒有看到運動電子質量場分布會有變化。
我始終認為，荷質比變化所揭示的物理意義不在於質量變化概念本身，而在於質量所承載的慣性場大小的變化。（具體論述可參閱《物質自旋與力的形成》、《高斯定理的物理意義及其在場物理學中應用的得失》二文）。
以上4個十九世紀初出現的物理困惑問題都是關於速度的，而速度又是物理學中至關重要的物理參量，它的大小確定與參照系選擇有直接關係；愛因斯坦相對論的本質就是建立在相對性速度合成理論上的，因此，他提出的二條公設也都是關於速度（合成）問題的。
參照系選擇與速度合成問題是狹義相對論建立與討論的起點，也是重點；愛因斯坦通過光速不變假設，將洛倫茲變換納入了他的速度合成體系，但縱觀相對論就會發現，愛因斯坦所建立的速度合成體系是混亂的，他由此推出的所謂空間收縮，時間變慢等都是這一混亂體系造成的；他的理論不是對物質運動物理機制的描述，而是在運用數學推理來編制物質運動規律。
在此，請研究、挑戰相對論的朋友們注意思考速度合成與參照系選擇問題，特別要搞明白伽利略變換與洛倫茲變換的本質區別。
洛倫茲變換出現的起因是，19世紀後期建立了麥克斯韋方程組，標誌著經典電動力學取得了巨大成功。然而麥克斯韋方程組在經典力學的伽利略變換下並不是協變的。
由麥克斯韋方程組可以得到電磁波的波動方程，由波動方程解出真空中的光速是一個常數。按照經典力學的時空觀，這個結論應當只在某個特定的慣性參照系中成立，這個參照系就是以太。其它參照系中測量到的光速是以太中光速與觀察者所在參照系相對以太參照系的速度的矢量疊加。然而1887年的邁克耳孫-莫雷實驗測量不到地球相對於以太參照系的運動速度。1904年，洛倫茲提出了洛倫茲變換用於解釋邁克耳孫-莫雷實驗的結果。根據他的設想，觀察者相對於以太以一定速度運動時，以太（即空間介質）長度在運動方向上發生收縮，抵消了不同方向上的光速差異，這樣就解釋了邁克耳孫-莫雷實驗的零結果。
可見，洛倫茲的速度合成律是為了解決邁克耳孫-莫雷實驗零結果問題而提出的一種數學遊戲，但愛因斯坦卻信以為真。
洛倫茲變換是觀測者在不同慣性參照系之間對物理量進行測量時所進行的轉換關係，它強調的是以a參照係為標準衡量b參照系會有什麼變換，再以b參照係為標準衡量a參照系又會怎樣變換，然後組成一個變換方程組，它實質上是用二個標準來衡量一種運動。
伽利略變換則不同，它是用a參照係為標準來衡量b參照系的變化，從而將b參照系轉換成a參照系，他實質是在遵循一個標準來衡量一種運動。
我們常認為，愛因斯坦瓦解了牛頓時空觀；但我們或許沒有思考過，牛頓時空觀、伽利略變換與愛因斯坦時空觀、洛倫茲變換出現不同的根本原因是在於參照系選擇與運用不同所引起的速度合成律不同而出現的差異結論。
我認為，不是愛因斯坦瓦解了牛頓時空觀，而是愛因斯坦選擇了另一套參照系轉換標準而創立了不同於伽利略速度合成律的方法論罷了。
2、狹義相對論的物理意義和科學價值
充分理解一個理論建立公設原理的內涵與外延，才能看清這個理論的物理意義和科學價值。
對狹義相對論而已，它建立的公設原理只有二個，即相對性原理和光速不變。
2.1、相對性原理
所有慣性系都是平權的，在它們之中所有的物理規律都一樣。即物理定律在所有慣性系中都是相同的，即所有的關係參照系都是等價的。按照愛因斯坦這一假設可知，描述物理現象的物理定律對所有慣性參照系都應去相同的數學形式。變量在哪一個慣性系中作實驗，都不能確定該慣性系的絕對運動。這就是說，對運動的描述只有相對的意義，絕對靜止的參照系是不存在的。
相對性原理應用最多的不是在物理定律的數學公式探討上，而是在速度合成問題討論上，雖光速不變原理可以否定伽利略速度合成律而符合洛倫茲速度合成律，但洛倫茲速度合成律只是解決邁克耳孫-莫雷實驗零結果問題的一種數學描述，它並不能反應光子運動速度的真實性。整個相對論的起點與重點都是在運用相對性原理討論坐標系變換與速度合成問題，而對物體運動形成的物理機制問題則關注較少，這是愛因斯坦相對論與其他物理學之間的最大不同，應該引起學習者們關注！
2.2、光速不變
在所有的慣性系中測量到的真空光速都是一樣的。即在真空中，光速總是等於恆定值，它不依賴於慣性系之間的運動，也與光源、觀察者的運動無關。
這裡要注意領會「慣性系中測量」與「真空」問題。
慣性系有多種，如靜止系、勻速系、旋轉系、勻變加速系、非勻變加速系等，愛因斯坦所說的「所有」慣性系，從他對光在慣性系中的分析上來看，並不包括旋轉系和非勻變加速慣性系。對他所說「慣性系中測量」，首先要明白，作為測量儀器是否在慣性系中？如果在慣性系中，那麼它就要同慣性系一樣運動，就不存在伽利略所總結的速度合成律。如果測量儀器不隨慣性系運動，那麼，他所說的「在所有的慣性系中測量到的真空光速都是一樣的」闡述就有問題。
真空，指沒有任何物質存在的空間，包括場，這就是說光子運動是一種絕對自由的運動。如果這個真空裡包含了場，那麼光子運動速度會不會不變呢？例如，二個光柵窄縫空間可以看做是真空，但光子通過它時就會產生衍射現象，這說明光子在這個有場的空間會發生速度變化，這就不能再說光速不變了，季灝老師在這方面就作了重要實驗與發現。
可見，愛因斯坦光速不變原理是沒有考慮空間場對光子運動的影響，即將光子看作是一個經典的自由運動粒子，但實際上光子不但有自旋且還有自旋磁矩存在，這就不同於經典粒子了。
任何光速測量方法都離不開光源這一基本參照點，而光源發出光子時的光子運動速度卻取決於光源體發出光子時對光子提供的能量大小有關，而與光源、觀察者是否運動是無關的。
這裡我可以舉個例子：如圖，一個人站在一個以速度v0運動的滑板上，左、右手均持一把手槍，當他同時扣動扳機時，左、右邊飛出的子彈運動速度v只取決於槍提供的能量多少，而與人及滑板運動速度v0無關。這說明，慣性系中發射體所發射的物質運動速度與慣性系狀態無關。
再如，一個由勻速運動列車中部光源所發出的光，它到車頭與車尾的傳播速度是一樣的，因為我們測量光速時必須選擇光源作為基點，光從光源發出的瞬時速度是由光源提供發射光子的能量大小所決定，這就與列車運動速度無關了。因此說，在任何慣性系中，光向任何方向的傳播速度都是一樣的，當然，這個慣性空間不存在對光子有額外的場作用才可以。
我認為，這就是愛因斯坦光速不變原理所揭示的真正物理意義所在，它嚴格遵守能量、動量守恆原理。
我對相對論一直有一種粗淺的看法：愛因斯坦相對論比牛頓力學更進一步的地方主要表現在對慣性系的認識與推廣上；牛頓力學是建立在完全符合慣性定律基礎之上的慣性系統中的，愛因斯坦突破了這種認識，將牛頓的靜止或勻速慣性系推廣到含有加速度的非慣性系中去。
愛因斯坦所描述的非慣性系統主要是指線加速度系統，其中並不包括旋轉慣性系統（這一點，美國學者王令雋教授看得很透徹！），而旋轉慣性系也是一種非慣性系，而且這種慣性系在宏觀太陽系的行星運動和微觀原子系的電子運動中是最普遍存在的慣性系。
那麼，我們是不是有理由提出這樣的問題：愛因斯坦相對論是不是缺失了對旋轉慣性系統中物體運動情況的論述？如果是，那麼我們在討論相對論問題時是不是應該考慮一下：在旋轉慣性系下對物體運動的描述與現在的描述有什麼不同呢？
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愛因斯坦相對論的真正科學價值是它首先他拓展了不同慣性系下牛頓力學的應用範圍，發現了牛頓慣性質量是一個與引力場和自己運動速度變化有關的量，同時指出了伽利略速度合成律的局限性（當然，他的速度合成法存在混亂），還指出了微觀世界慣性質量變化與能量（主要指動能）變化是一致的（但不是物質組成摩爾數與能量守恆，而是指慣性質量是一種與引力場效應有關的量，這樣才會有質能守恆存在，即質速變化存在一一對應關係）。狹義相對論不但還繼承了普朗克的量子思想，而且還有許多發揚光大之處值得借鑑。
