愛因斯坦的相對論是絕對正確的嗎？

2020-09-03 郭哥聊科學

了解科學的人都知道，科學是可以證偽的，目前這個思想被大多數科學家所接受。這意味著，所有的科學理論，包括相對論和量子力學，都是相對真理，都是可證偽的，都需要發展。限於篇幅，本文只與您討論相對論是否是絕對正確的？

愛因斯坦最早發現問題

正如愛因斯坦所說：「……在尋求新的基礎時，物理學家必須在自己的思想上盡力弄清楚他所用的概念究竟有多少依據，有多大的必要性。」

愛因斯坦是第一個認識到這個問題的人。在1927年10月布魯塞爾召開的第五屆索爾維會議上，愛因斯坦首次公開發表對量子力學的反對意見。他以小孔衍射為例指出，哥本哈根學派的概率解釋會遇到不可避免的困難。

愛因斯坦認為，以波函數模的平方來表示一個粒子存在於完全確定的位置的概率，這樣一種解釋就必須以完全特殊的超距作用為前提，從而不允許連續分布在空間中的波同時在膠片的兩個部分表現出自己的作用。

我來解讀一下愛因斯坦的這句話，按照經典物理的理解，一個波可以用空間和時間的函數來表示，波函數在時間和空間中連續演化，由於膠片上各點的位置與小孔的距離不相等，這意味著這列波的各個點不是同時到達膠片上的。然而波爾的理論認為這列波是同時到達膠片的，這必然會導致超距作用的存在，而相對論限制了這種超距作用的存在。

相對論是正確的嗎？

愛因斯坦一針見血地指出了波函數的塌縮過程與相對論之間存在矛盾，這就是薛丁格後來所說的量子糾纏。實驗證明量子糾纏真實存在，超距作用真實存在。可是相對論禁止超光速物質的運動和信息傳輸，可以說，相對論也禁止了超距作用。但相對論是絕對正確的嗎？它已經完全被實驗證實了嗎？

相對論的正確性依賴於光速不變原理和相對性原理。先來看一下光速不變原理。愛因斯坦假定光在真空中相對於光源和觀察者的速度不變。光速是光這個客體的運動速度，是比較容易驗證和否證的。目前，光速不變原理已經為大量精確的實驗所證實。不過嚴格說，這些證實其實都應當稱為迴路光速不變，而不是單向光速不變。

這是由於不存在超光速信號，因此單向光速不可測。愛因斯坦依據簡單性原則進一步規定了單向光速不變性。

至於這個假設是否在任意精度內都成立，還需要進一步理論分析和實驗檢驗。另外一方面，我們必須要承認，目前的光速測量是我們在宇宙演化到一定的時間段，並且在地球及其附近的空間範圍內的測量。光速是否在整個宇宙空間內，在宇宙的所有演化階段都是如此，並沒有經過驗證。

實際上，一些天文學家的觀察已經顯示，精細結構常數可能隨宇宙年齡的增長在緩慢變化，而一些理論模型中光速也將隨時間變化。此外，有關超高能宇宙射線的觀察數據似乎也違背光速不變原理。並暗示在更高能量時，相對論的色散關係將失效，而光速將與波長有關。

再來看一下相對性原理。相對性原理斷言一切自然規律與慣性系的選擇無關。目前相對性原理已經為大量的實驗所證實，不過，正如本文開篇所提到的科學的可證偽性，即使我們已知的自然現象都與慣性系的選擇無關，我們也無法證實相對性原理的正確性。只要有一條自然規律與慣性系的選取有關，那麼相對性原理就將被否證，相對論則因此失效，並被新的理論所取代。

另一個原因是愛因斯坦對於相對性原理的論證更多地依賴哲學而非事實。他從不可能找到一個絕對的慣性系出發，利用經典的連續運動作為案例來證明，很明顯忽視了非連續性運動的存在。很明顯，愛因斯坦本人的原始論證並不具備普遍性。

很顯然，相對論對於連續運動和連續演化現象都是適用的，但是對於量子力學所展示的非定域性、非連續性的波函數坍塌過程很可能並不滿足相對性原理，即相對做連續運動的不同慣性系對於這種非連續過程的描述並不等價。

事實上，愛因斯坦本人對於相對性原理是否成立也早有洞見，他認為：「只有我們確信所有自然現象都能夠由經典力學來說明，相對性原理才是無可置疑的……電動力學和光學的最新進展，下述事實越來越變得明顯，即經典力學無法為所有自然現象的物理描述提供一個充分的基礎……」

從另一個角度來說，量子力學的大量實驗都表明，相對論是有局限的。但現在還不是否定相對論建立新理論的時候，而是要先解決如何調和相對論和量子力學之間的衝突，並進一步發展這個理論。

如何否證相對性原理？

只要我們能夠找到一種現象不滿足相對性原理，即這個實驗現象與慣性系的選擇有關，則相對性原理就會失效。有這樣的實驗嗎？還真有，波函數的塌縮過程很可能就是違背相對性原理，從而導致絕對參照系的存在。

實驗方法如下：在不同的慣性系中測量同一波函數的塌縮時間，然後利用逼近法找到塌縮時間最長的那個慣性系，它就是絕對參照系。

目前牛津大學已經在設計和實施量子光學組的疊加鏡實驗，這個實驗就可以用於尋找絕對參照系。一旦這個實驗取得成功，那麼就可以充分說明量子非定域過程不受相對論的限制。

結束語——物理學吹響了向新高度進軍的號角

本文與大家聊了一下相對論的正確與否，可以看出，量子力學的大量實驗事實證明相對論是有局限的，它只是一個經典的理論。但目前，還沒到建立新理論的時候，眼下最重要的是先要調和相對論與量子力學之間的矛盾，然後進一步去完善這個調和後的理論，為完全新的一個理論打下基礎。

物理學已經吹響了向新高度進軍的號角，你，會是那第一個在新的制高點插上紅旗的人嗎？

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