光速不变和光的多普勒效应有矛盾吗?

摘要 本文从宇宙学原理出发，用通俗易懂的数理模型建立起相对论新论，并用它回答相对论的若干基本问题。

关键词：宇宙学原理，相对论，相对论原理，相对论的时空变换及其方向特征

一前 言

什么是宇宙？物质、运动、时间、空间的总体集合，就是宇宙；什么是宇宙学原理？能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则，就是宇宙学原理；什么是物理定律？宇宙万物生存和演化的自然规律，就是物理定律；什么是相对论？研究相对运动系统内，物质运动变化规律的科学理论，就是相对论。

宇宙中的物理学定律，都是建立在宇宙学原理基础之上的理论。在宇宙学原理的支配下，产生了牛顿三大定律；开普勒三大定律；热力学和统计物理学；量子力学；狭义相对论；以及现代科学技术中的超导，纳米等新技术。没有动态平衡，就没有这些物理规律，也就没有和谐的宇宙。⑴

中国的科学发展，进入了个大好时期，科技工作者应当珍惜这个良机。在科学研究中，必须遵守百花齐放，百家争鸣的方针。百花齐放，放出来的应当是香花，才能美化科学研究的环境。百家争鸣，拿出来的应当是有学术价值并符合学术规范的东西。肯定与否定相对论的学术争鸣，不是无味地争吵，干扰我国科学发展的大方向。

首届全国民间科学技术研讨会，在《发明与创新》杂志编辑部的努力下，广大科学研究者的支持下，在杂交水稻的故彡——湖南长沙胜利召开了。这是我国科学技术大步向前迈进的一个重要标志，我们广大民间科学技术工作者，为此感到高兴和鼓舞。我们将借民间科学大会的东风，向着振兴中华的大道奋勇前进，去夺取更大的胜利！

人类社会发展的历史表明，科学发展的道路，从来都不是一帆风顺的，会碰到各式各样的困难和阻力。但是人类社会总要前进，我们从来都是在大风大浪中前进的，过去是这样，现在是这样，将来一定还是这样！

二相对论在大风大浪中成长壮大

1 相对论新生时期的遭遇

爱因斯坦相对论诞生100周年了。当人们回顾上个世纪科学技术发展的历史时，不能不谈到爱因斯坦相对论的功绩。无论你是相对论的支持者，或是相对论的否定者，都应当承认相对论的出现，有力地推动了20世纪科学技术的蓬勃发展。相对论在人类科学发展史上，必将写下光辉的一 页。

20世纪初期，爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》时，当时就有一些知名的科学家，其中包括诺贝尔奖得主，向爱因斯坦及其相对论发起进攻。但是，这这些人没能推翻相对论，因为相对论是客观存在的科学理论，随着历史的前进相对论日渐发展了。

当时反对相对论的人，不外乎出于两种原因：一，理解不了相对论（传说当时只四个半人懂相对论），就盲目地跟着一些“权威”跑，去反对相对论；二，相对论动摇了当中一些人占领的那片科学领地，威胁着这些人的权威地位，他们就跳出来反对相对论。所以爱因斯坦说：无知的权威，是真理的最大敌人 ⑵。

1978年3月18日，第一届全国科学大会召开的前夕，我给国家科委方毅主任寄去了《矩形波导移式隔离器的研究》，作为大会交流论文，得到国家科委的回信和鼓励。全国科学大会之后，我加快了科学研究的步伐。我在贵州金沙一中；金沙县科技局礼堂，开展了电子技术，天体物理，相对论，激光技术等现代科学技术讲座。之后，我将科学研究成果写成专题论文，逐渐在期刊和大学学报上发表。1983年，我公开发表了相对论时空变换的新公式，也招来一些大学教授的讽刺和嘲笑。走自已的路，不管人家怎么指手划脚，我继续搞我的科学研究。至今我已发表专题论文30多篇，其中相对论专题论文就发表了十多篇，我就在“勤奋好学，善于探索”的治学原则下，走过了30多年的科研路程。⑶

2 相对论基本原理概述⑷

相对论是物质、运动、时间、空间构成的宇宙中，研究宇宙万物生存和演化的自然规律。在这里，我们以相对性原理为基础，光作为信息传递的使者，来建立匀速运动相对论。为便于读者理解，我们采用简单易懂的物理模型，来推导相对论的时空变换，并揭示出相对论时空的方向特征。如下列图一，图二，图三所示。

在上列三个图示中，设地面为静止的∑系统，车厢为运动的∑，系统，令车厢上用计时，地面上用计时。

在τ=t=О时，∑，和∑重合。当车厢以速度V相对于地面开始向右匀速直线运动的同时，从A点沿AB方向射出一光信号，车厢上观测到光从A到B，地面上观测到光从A到C。由于车厢的运动，地面上还将观测到光从A到B的这段落时间t内，车厢前进了一段距离BC（此时车厢上AB实际上移动到了虚线A`C的位置），则得：

由图一可得： -----⑴

图二所示，改变光（物质）的运动方向，根据同样的道理，可得相对论新的时空变换 ：

----⑵

图三所示：，，将两式平方后相加得：

移项整理得； -----⑶

⑴式，是狭义相对论洛伦兹变换的基本关系式。⑵式，是狭义相对论时空变换新的关系式。⑶式，是相对论时空变换的一般表达式。事实表明，相对论的时空变换，是宇宙中客观存在的自然规律，并具有鲜明的方向特征。

图三中，改变光（物质）的运动方向，可得：---a，----b

将a和b两式平方相加得：移项整理得：---⑷

⑶式和⑷式，都是相对论时空变换的一般表达式，它们都揭示出了相对论时空变换的方向特性 ⑸。

A 当时，； B 当时，， A、B 属纵向相对论的时空变换。

C 当时，； D 当时，， C、D 属横向相对论的时空变换。

3 相对论是宇宙中普遍存在客观规律 ⑹

地球就是一个动态平衡系统，地球绕太阳公转的同时还要自转，是一个多么复杂的运动系统，但地球还是能自然选择地维持动态平衡。狭义相对论，就是建立在动态平衡系统上的时空理论。相对论为什么需要惯性系呢？实质上就是需要物体在相对运动系统中，满足线性迭加规律，使描写物体运动规律的数学物理方程，具有相同的表达形式。

所谓的惯性，是马赫误导的结果。马赫认为：“惯性力在本质上是一种引力”（世界科技英才录——科学思想卷上海科技教育出版社）。王永久认为：惯性力是一种虚构的力，“这种虚构的力的本质是什么呢？在经典力学和狭义相对论中这是不可理解的”（空间，时间和引力 湖南教育出版社）。宇宙飞船就是一个动态平衡系统，在飞船处在失重状态下，飞船中的物体沿任何方向运动，都能满足相对性原理，建立起普适的相对论的时空变换。

设飞船为∑系统，在飞船中∑，为运动系统。在时，∑与∑，重合，当∑，相对于∑以速度V开始匀速运动的同时，从原点射出一颗速度为u子弹，子弹从原点出发到达同一点P，如图四和图五所示。

对于这个同一事件分别得：c、d、e。f。 将c与d两式平方后相加得5式；将e和f两式平方且相加得法6式：

----⑸ ----⑹

⑸式和⑹式，都是匀速运动相对论的时空变换一般表达式，它们也揭示出了相对论时空变换的方向特性。事实表明，相对论是宇宙中客观存在的自然规律，相对论否定不了。根据相对论新的时空变换，可以依据物理学的基本定义，得出纵向相对论，横向相对论，超光速相对论 ⑺ 的速度变换；加速度变换；力的变换；质量变换，以及相对论的能量表达式，建立起一整套相对论动力学关系。

三相对论同时的相对性

相对论的否定者，常常在相对论的同时的相对性上做文章，以此来

否定相对论。相对论同时的相对性，是客观存在的事实，我们用右图来

说明这个问题。设图六中地面为静止的∑系统，车厢为运动∑`系统。

车厢长A B，中点为D，即AD=BD。当车厢以速度为V匀速运动到AP=BP 时，A B两点同时发生闪光，并向D和P传出光信号。处在地面上P点的检测仪，将检测到AB两点的光同时到达P点 ，得：AP=BP=ct----⑺

由于火车向右运动，D点在向B方向移动。而光速C与光源的状态无关，所以放在D点的检测仪将先接收到B点传来的光，后接收到A点传来的光。其结果是： AD＞BD AD/C >BD/C----⑻，事实表明，相对论的同时性是相对的。

四相对论有着广泛的实际应用

1 多普勒效应的实质就是相对论时空伸缩的结果 ⑻

声和光传播的是振动，当光在时空中传播时，若与观测器有相对运动，波长就会因相对论时空伸缩而产生相应的伸缩，这就是多普勒效的本质。图七所示， 将光源放在∑，系统中的0点，接收器放在∑中的P点， 光波的本征波长为OP。当光波在传播中完成一次全振动时，∑，系统移动了距离VT，波长被压缩了。设光在∑，系统中的波长为λ，，周期为Т，，频率为v`；在∑系统中波长为λ周期为T频率ν，根据图七得： ， 将代入上式得：

-----⑼； 当光源离开接收器而去时，则有 ：------⑽

相对论效应从本质上解释了多普勒现象。宇宙中天体相对于地球作相

对运动时产生的红移或兰移，其实质也是相对论效应引起时空伸缩的

结果。相对论时空的方向性特征，揭示出了多普勒效应的本质。根据

纵向相对论原理，还可以自然地得出天体红移和兰移关系式。

2 加速器中粒子的质量变化 ⑼

用直线加速器，可使被加速的粒子获得高能量，再用这些高能粒子去轰击某些原子，就可以产生新元素或探寻新的基本粒子。直线加速器的问题，用纵向相对论处理。加速器加速后粒子的总能量表达式为

m0c2为粒子的静能，Ek为动能。加束器中粒子的静能和动能是什么样的关系呢？由下面的关系式来说明。

------⑾

⑾式表明，在加速器中，被加速的粒子要加速到Ⅴ=С，能量要无限大。因此，要进一步获得高能粒子，只有提高被加速粒子的质量来达到目的，就需要建造更大功率的加速器，耗资是非常巨大的。

我们再要来看一看，加速器中被加速的粒子的动态质量，究竟能增加到多大？根据总能量关系式样得：

---⑿

根据⑿式质量亏损以一半为极限。当时得： ----⒀

⒀式表明，加速器粒子质量增加以1。5m0为极限，这就为设计大功率加速器提供了理论依据。

3 双生子佯谬的新解释 ⑽

双生子佯谬，就是纵向相对论问题。双生子佯谬的时空效应，主要发生在漫长的匀速飞行阶段，而不是在起飞和着

陆的短暂过程中。如[图八]所示：

设甲留在地球上用t计时；，乙乘飞船去太空旅行用τ计时。在起飞时两人将各自的钟校准同步，在忽略起飞和着陆过程的情况下，得如下结果：

t去= ，t回 = ， t去 + t回= ----⒁

⒁式表明，只要V> 0 ，就有t去 + t回 >2 τ ，乙比甲变年轻了，而且答案是唯一的。

五 相对论否定不了

相对论经历了100年的时光，对现代科学技术的发展起到了巨大促进作用，2005年，联合国定为国际物理年，今天还有人高喊：“要彻底否定相对论。”难道全世界绝大多数科学家和知识分子都是迷茫的，都被相对论迷住了？相对论

不怕别人向它挑战，也不怕有人想否定它。现在有些网站，在否定相对论问题上推波助澜，起到了误导的作用。网站应当提供学术研究的交流平台，为中华民族的伟大复兴起促进的作用，决不能干扰中国科学技术发展的大方向！

1 狭义相对论的缺陷与相对论发展缓慢的原因

爱因斯坦以相对性原理和光速不变原理为基础，建立了狭义相对论。但是，在狭义相对论的时空变换上，仅仃留在洛伦兹表达式里兜圈子，没有再向前跨进一步，找到时空变换的方向特征，致使双生子佯谬等问题得不到解答。为了保住洛伦兹变换在狭义相对论中的地位，爱因斯坦只好人为地作出光子的静止质量为零，宇宙万物的运动速度以光速为极限的规定。这样一来，不仅阻碍了相对论的发展，也为否定相对论的人提供了炮轰的目标。狭义相对论是不是离开了两条原理和两个规定就不能生存了吗？不是的，狭义相对论，只需要所在的系统中满足相对性原理，就能建立相对论。相对性原理，实质上就是相对运动系统处于动太平衡状态，在其中运动的物体能获得线性变换的规律。光只是起信息的传递作用，对于同一事件来讲，光速变与不变都不会影响所传递的信息的真实性。时空变换的普适公式找到了，在超光速状态下，相对论也一样适用，两条规定就可以取消了。所以说，相对论是客观存在的科学理论，相对论否定不了！

由于狭义相对论带有先天性的缺陷，导致相对论发展比较缓慢，在中国也是这样。20世纪80年代，相对论的翻译著作才逐渐呈现在新华书店里。在20世纪80年代高等学校的招生介绍中，只有湖南的湘潭大学，在招生简章中才明确写上开设相对论课。

到20世纪90年代，在大学物教科书中，才直接写进了狭义相对论的时空变换的内容。进入2000年以后，大学的物理教程和研究生的基础物理中，才逐渐写进狭义相对论的动力学内容和广义相对论简介。有的在时空变换中，还突出了同一事件这个时空换的核心，这是理解相对论上的一个飞跃。

相对论不好理解，它在100年的历史长河中，经历了肯定与否定的风浪，各种文字的翻释版本也很多，但都极少有人认识到同一事件重要性。2003年普林斯顿科学文库1再版的《相对论的意义》的“狭义的相对论”（22页）中，才明白写到：“如果相对于惯性系K，一个事件的笛卡儿坐标XV和时间t都已经给定，那么我们怎样计算同一事件相对于K，（它相对于K作匀速平移） 的坐标XV，和时间t，呢？ ”现在很多人不真正理解相对论毫不奇怪。

图九是许多大学物理中，用来说明推导洛伦兹变换的图示，大都只这样说一句：“根据图九得洛伦兹变换如下---。”这是相对论的基础，也是相对论的核心，用待定系数推导洛伦兹变换的过程写出来，学生才容易接受和理解。现在有不少相对论的否定者，就是理解不了相对论的时空变换，又推导不出正确的时空变换来，就误用伽里略变换当成相对论的时空变换去否定相对论，有的人又用无相对论效应的结果去否定相对论。这些都是影响相对论发展的原因。

2 用伽里略变换不能否定相对论 ⑾

搞科学研究是探求科学真理，不是搞党派的政治斗争，不存在一定要站在哪一边的问题。把研究相对论的人分成所谓的“维相派”，“倒相派”，“修相派”是不妥的，那样做，可能引起科研队伍的分裂。历史的经验值得注意，在研究相对论的问题上，不能盲目地跟着某些教授和院士么吼——彻底否定相对论。

上面就是一些人用伽里略变换来否定相对论的典型例子。一些相对论否定者，从图十中得出，从图十一中得出 - ，利用，|v|=|-v|，得出，以此当成相对论的时空变换去否定相对论。这是两个空坐标之间的时空关系，是伽里略变换，物质都不存在，是相对论的时空变换吗？用伽里略变换不能否定相对论！

3 用无相对论效应的结果不能否定相对论

图十二所示：相对论效应只发生在相对运动的方向上，这是学习和研究相对论的人首先必须弄明白的。爱因斯坦狭义相对论的时空变换，Y， = Y，Z， = Z不是随便写出来的，是客观存在的事实。因为相对论效应，只发生在相对运动的方向上。有的人将相对运动系统中同一事件，在相对运动的不同系统中得出的不同路程：l = ct 和l， =cτ，利用同一个速度去除Y，=Y，即y，/u = y/u 得出τ=t，去否定相对论，这是错误的。相对论效应发生在x方向上，正确的关系应当是：τ< t如（15）式 ；如果改变物体的运动方向，则得τ>t如（16）式。

-------（15）； ，τ>t-----（16）

莫道昆明池水浅，观鱼胜过富春江。相对论是客观存在的科学理论，在未来的科学研究中，它还将发挥更大的作用。

八 结论

1 在物质、运动、时间、空间构成的宇宙中，相对论是研究宇宙万物生存和演化的自然规律之一。在动态平衡系统中，只要选用正确的数学物理方法，就能建立相对论。

2 以相对性原理作基础，光作信息传递的使者建立起来的相对论新论，揭示出了相对论时空变换的方向性，使相对论的各种问题得到解决。相对论新论起到了补充和发展狭义相对论的作用，维护了相对论在科学研究中的地位。

3 爱因斯坦相对论存在一些缺陷，但并不等于相对论不存在，相对论否定者只能否定相对论中的错误，不可能彻底推翻相对论。人们对此应当保持清醒的头脑，避免重犯20世纪初期否定相对论的错误。

参 考 文献

⑴ 杨金城能量最低原理，动态平称原理，自然选择法则是宇宙万世物生存和演化的自然规律

地质出版社《时空理论新探》2005年11月 85—98

⑵ 杨金城 关于理论物理几个基本问题的探讨 《科学中国人》2004年12期 36—38

⑶ 爱因斯坦著孟昭英译 论运动物体的电动力学 《相对论原理》 科学出版社 1980

⑷ 杨金城 狭义相对论再探讨 《 第七届全国理论物理前沿基础研讨会论文集》 1993

⑸ 杨金城狭义相对论新时空观在现代物理中的作用和地位 《大自然探索》 1994年4期 93—97

⑹ 杨金城 从宇宙学原理看宏观世界的动态平衡《科学中国人十年优秀论文选》2003年11月 508—509

⑺ 杨金城 超光速运动相对论 《贵州师范大学学报》（自然科学版） 第18卷2000年7月 105—107

⑻ 杨金城 多普勒效应的宽带原理及其应用 《通信世界》 2001年6月 第16期 56

⑼ 杨金城 相对论新时空观在现代物理中的作用和地位 《相对论再思考》 地震出版社 2002年7月 21—45

⑽ 杨金城 相对论的基本原理 《科学中国人十年优秀论文选》 人民日报出版社 2003年11月 570—571

⑾ 杨金城 相对论新论的基本原理《四川师范大学学报》（自然科学版） 2005年7月 157—160

多谱乐效应是一个关于光的频率移动的实验现象，当光源正在向观察者运动时，光频率增大，远离时减小。所谓多普乐红移现象，就是指我们今天观测到的所有星体的光谱频率都在朝红光移动，也就是频率都在降低。
光频率的变化与光速大小无关，光不遵守经典物理学中的速度矢量性原理，即使一个光源向你运动，你也不可以拿光源速度加上光速c得到你观测到的光速，光速不变原理是所有近代物理学理论的一个基本假设。
可见这与多普乐效应不矛盾。

与波粒二相性有关吧。
讨论光速是以波来讨论，多普勒效应是粒子！
大概吧。不很记得