《相对论中相对性原理的实验验证与分析》

《相对论中相对性原理的实验验证与分析》
李忠刚 1
1 无棣（潍坊）生物技术中心，山东 潍坊 261041
通讯作者：李忠刚，无棣（潍坊）生物技术中心
电子邮箱：13465701349@163.com
收稿日期：2024 年 8 月 27 日 接受日期：2024 年 9 月 20 日 在线发表日期：2024 年 10 月 15 日
doi:10.5539/apr.v16n2p79 URL: https://doi.org/10.5539/apr.v16n2p79

摘要
根据相对论中的相对性原理，从一辆匀速行驶的汽车上的光源发出的光束会反射到车顶的镜面上，然后返回光源处。车内的人员认为光束沿着一条垂直线返回光源，而车外的人员则认为光束沿着一条曲线返回光源。这两条路径所花费的时间是不一致的。现在，这个实验已经证明，相对性原理中关于光传播路径的解释与事实不符。光不受任何惯性参考系的影响，并且不会随汽车一起移动。光不属于任何惯性参考系，也不会受任何惯性参考系的影响。光不同于物体。在没有实验证据的情况下，相对论理论认为在惯性参考系中光遵循伽利略的相对性原理，这是不明智且错误的。伽利略在低速宏观状态下总结的定律不适用于光。这个实验证明，光在惯性参考系中是后退的，并且不会随惯性参考系移动。也就是说，光所在的空间位置或光通过的空间位置就是惯性系中的固定参考点。
关键词：相对论的假设、惯性系、速度、地球公转、激光、凹面镜
在 19 世纪后半叶，电磁场的研究不断深入，使得人们能够从电磁学的角度认识光的本质。然而，电磁场的研究中研究人员遇到了一些矛盾之处。迈克尔逊实验和其他实验表明，光速与光源和观察者之间的相对运动无关。这一结果令当时的物理学家们感到震惊，因为它与诸如速度合成定律之类的传统概念相矛盾。
这些矛盾使得研究人员面临一个艰难的选择（是放弃麦克斯韦的电磁理论还是否认存在一个特殊参考系），而爱因斯坦选择了后者。爱因斯坦将伽利略相对性原理推广到电磁学定律以及所有其他物理定律中，这成为了他的第一个假设：
物理学定律在所有惯性参考系中都是相同的。这一公设常被称为爱因斯坦的相对性原理。
另一个公设如下：
真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，无论光源和观察者之间的相对运动如何。这一公设常被称为光速恒定原理。
相对论理论的两个公设直接导出了几个重要的推论：同步性相对性、时间间隔相对性、长度相对性等等。相对论理论所描述的世界与我们的实际经验大不相同。自从相对论理论建立以来，科学界就出现了严重的分歧，引发了激烈的争论和广泛的影响，这在科学史上是罕见的。作者认为，相对论理论基础缺乏直接验证是这种分歧的根源所在，而相对论理论推论的部分验证还不够充分。本文中的实验将解决根本问题，并验证相对论中的相对性原理是否正确。

1. 两种不同的观点

爱因斯坦的相对论假设是相对论理论的重要基础。相对论假设可以用另一种方式表述：物理学定律在所有惯性参考系中都是相同的，或者说所有惯性参考系是等价的。这个假设可以用“时间间隔相对性”的图示来表示，如图 1 所示。

图 1. （A）车内观察者认为闪光射向后视镜并在垂直方向上反射回来。（B）车外观察者认为闪光沿对角线方向传播。

根据相对论理论，当一辆匀速行驶的汽车上的光源发出一束光，并且这束光被车顶的镜子反射后返回光源时，车内的人会认为这束光沿着一条垂直线返回光源，而车外的人则会认为这束光沿着一条曲线返回光源。这两条路径所花费的时间是不一致的。根据相对论理论中的相对性原理，这束光无疑会返回光源，这一点无需讨论。基于这一原理以及时间间隔的相对性等进行了进一步的研究。实际上，这是一种导致问题产生的先入之见：当匀速直线行驶的汽车中的光源发出一束光时，这束光是否会沿着一条曲线返回光源？是否有实验证据支持这一观点？如果实验证明这束光确实返回了光源，那么相对论的原理就是正确的，相对论理论的进一步分析也是正确的。然而，如果实验证明这束光没有返回光源，那么相对论的原理就失去了意义。因此，最关键的是要验证：当匀速直线行驶的汽车中的光源发出一束光时，这束光是否会沿着一条曲线返回光源？是否存在实验证据支持这一观点？
为了验证狭义相对论的假设是否正确，需要对光在汽车（惯性参考系）中的传播路径进行测量；
而狭义相对论理论中的其他推论的验证则是次要的。
关于汽车（惯性参考系）中光的传播路径，作者提出了不同的观点，如图 2 所示。

图 2

作者认为，从光源发出那一刻起，光就不会受到汽车（惯性参考系）的影响。光在它所在的空间中传播，不会随着汽车一起移动。在这段时间里，汽车又向前移动了一段距离，所以光落在了汽车后面。无论是在车内还是车外观察，光都不会返回光源。光不会沿对角线传播，光子也不像弹力球那样反弹。尽管图中的汽车没有配备车顶，但所产生的效果和所应用的原理与有车顶的汽车是一样的。光具有特殊的性质，在没有实验证据的情况下，不能贸然断言光子像球体那样随汽车移动。
科学是严谨的。由于光的传播路径有两种可能性，所以必须进行这一实验验证。

似乎很容易就能判断出这两个公设中哪一个才是正确的。我们可以通过寻找一辆汽车并观察汽车静止或匀速直线行驶时灯光的变化情况来进行验证。为了进一步简化实验，我们只需要观察车顶上的光斑位置是否发生变化即可。在一辆汽车（惯性参考系）中，一个固定的光源发出一束垂直于汽车运动方向的光，这束光照射在车顶上形成一个光斑。根据相对论的假设，当汽车静止或匀速直线运动时，光束沿几何上垂直的方向传播，光源相当于几何中的垂直点。根据几何学原理，过一个垂直点只有一条垂直线。因此，当汽车（惯性参考系）静止或匀速直线运动时，来自同一光源的光束路径会重合，光斑的位置将保持不变。如果如此，相对论的假设就是正确的。从作者的观点来看，如果光束是在不受汽车（惯性系）影响的情况下，当光束沿直线匀速运动时，它会落在汽车后面的某个位置。与汽车静止时相比，光斑在车顶上的位置会发生变化。
然而，在现实中进行这个实验是非常困难的。因为光速太大，而汽车的空间和速度太小，在光传播的这段时间内，汽车移动的距离极其微小，存在误差的影响，所以很难直接观察到光斑位置的变化。这也是相对论假设尚未得到验证的原因。

2. 实验设计与分析

作者在过去几十年里做了大量的实验，其中有些实验相当困难。本文中的实验非常简单，但却清晰地验证了相对论的假设。
让我们先从总体思路说起。对于这个实验，有三点至关重要：一辆合格的汽车（惯性参考系）、一个稳定的光源以及一个极其精确的观测系统。其中最重要的是找到一辆合格的汽车（惯性参考系）。
理想汽车（惯性参考系）的条件是什么？需要考虑三点：汽车的空间应极其广阔；汽车的速度应极其巨大；汽车（惯性参考系）处于静止状态或者以各种速度进行匀速直线运动，以便在各种情况下比较光的传播情况。
在这个实验中，作者选择地球作为理想汽车（惯性参考系），因为地球满足理想汽车（惯性参考系）的三个条件。首先，地球的空间极其广阔。其次，地球以大约 30 千米/秒的速度绕太阳公转。第三，对地球公转的分析这表明它能够保持静止状态，并进行匀速直线运动，以便于观察和比较。

图 3. 地球绕太阳公转的示意图
以下为用于验证相对论假设的地球公转的科学依据，如图 3 所示。

1). 地球自西向东绕着太阳公转，在每次短距离的行程中都做着匀速直线运动，这可以将其视为一个理想化的汽车（惯性系）来进行研究。
2). 全球范围内，地球自西向东大致做着围绕太阳的圆周运动。作者建立了太阳坐标系，如图 3 所示。在该坐标系中，地球从 A 点到 B 点的公转运动可以被视为向左运动和向上运动的合成，地球在每个点的速度也是由向左的速度 Vx 和向上的速度 Vy 综合而成。当地球位于 A 点时，其向左的速度最小，Vx = 0，其向上的速度最大，Vy = 30 千米/秒。当地球位于 B 点时，其向左的速度最大，Vx = 30 千米/秒，其向上的速度最小，Vy = 0。0. 同样地，当地球处于点 D 时，其向右的线速度为 30 千米/秒，向下的线速度为 0，以此类推。
因此，我们可以选择研究 X 轴上的速度。
所以，我们可以把地球视为一个理想化的汽车（惯性系）。在坐标系的 X 轴上，存在速度 Vx = 0（静止）和 Vx = 30 千米/秒（匀速直线运动）这两种情况。
在这个理想化的汽车（惯性系）中，当地球处于 A 点、B 点以及其他位置时，可以通过发射垂直于 X 轴的光束并观察光斑位置是否发生变化来验证相对论假设是否正确。
也就是说，根据相对论假设，Vx = 0（静止）时光斑的位置应与 Vx = 30 千米/秒（匀速直线运动）时的位置相同。如果 Vx = 30 千米/秒时光斑的位置在 Vx = 0 时的后面，那么相对论假设就是错误的。
3). 地球的公转是复杂的，地球还有其他运动方式，比如自转，但这些运动都符合运动合成的规律，所以地球的其他运动方式不会影响我们对地球公转的单独研究。为了简单起见，我们只能研究 X 轴上的运动情况。此外，由于地球以恒定速度自转，我们可以在固定的时间间隔内进行观测和测量（例如，每次在晚上 8 点测量），这样地球自转的影响就可以忽略不计。
4). 作者选择地球作为惯性参考系，是因为其公转的速度非常大。在固定光源发出的光束照射到“汽车车顶”的短时间内，地球移动的距离相对较大，因此很容易测量光斑位置的变化。换句话说，当地球处于 A、B 和 D 点时，如果固定光源发出的光束垂直于 X 轴，并且光斑的位置保持不变，那么相对论的假设就是正确的。否则就是错误的。
这里有一个现实生活中的场景可以描述相对论假设与作者假设之间的差异：使用一个固定的闪光灯发出一束光照射到南墙，爱因斯坦认为如果闪光灯的位置保持不变，光斑的位置就不会改变。完全相反的是，作者假设尽管闪光灯的位置保持不变，但光斑的位置会改变，因为地球在移动，然而，这种变化是非常小的。（此处省略）小到难以察觉。爱因斯坦认为地球是一个惯性系，光束随地球一起运动，不会落在地球后面。作者认为光束不受惯性系的影响，它不会随地球一起运动。这样一来，相对论理论似乎更符合我们日常生活中的常识。接下来，作者将用一个能发出更稳定光线的激光来代替手电筒做这个简单的实验。作者希望这个实验能够验证相对论理论的基础是否正确。一百多年来，还没有人进行过这样的重要验证。
这个实验应该这样进行。当地球位于 B 点和 D 点时，它在 X 轴方向上以 30 千米/秒的速度向相反方向运动，如图 3 所示。也就是说，同一个地球以相同的速度在相反方向上做匀速直线运动。当地球位于 B 点和 D 点时，固定光源发出与运动方向垂直的光束，我们可以观察光束光斑的位置是否发生变化。如果相对论的假设是正确的，那么光束将随地球（惯性系）一起运动。当地球位于 B 点和 D 点时，光束沿几何上垂直的方向传播，光源相当于几何中的垂直点。根据几何原理，通过垂直点只有一条唯一的垂直线。因此，当地球位于 B 点和 D 点时，光源发出的光束的路径会重合，光斑的位置将保持不变。相反，如果激光发射的光束不受地球的影响（惯性系），当地球位于 B 点和 D 点时，光源发出的光束将落在移动的地球后面，光束的传播路径不会重合，相应的光斑位置将会不同。因此，这个实验的目的在于观察两个光斑之间是否存在距离并对其进行测量。

3.相对论中的相对性原理的实验验证

实验目的：验证相对性原理所呈现的光的传播路径

实验室设备与设施：
1). 地球
2). 一个功率为 200 毫瓦、发射波长为 650 纳米的激光发射器
3). 一个焦距为 6.5 厘米的凹面镜
4). 一个位置可调节的屏幕
5). 一个南北走向长度约为 25 米的实验室

实验步骤：
1). 将激光发射器安装在实验室中。
2). 将激光发射器固定在实验室的北端，并从北向南发射激光束。
发射的光束直径为 3 毫米，呈红色激光斑。
3). 将凹面镜固定在实验室的南端，距离激光发射器 20 米处。
激光束以 45 度角倾斜照射在凹面镜上。在凹面镜上形成了一个激光斑。凹面镜。
4). 从凹面镜处适当地固定屏幕，激光束便由凹面镜反射至屏幕上。由于反射在屏幕上的激光光斑面积会变大，所以调整了屏幕与凹面镜之间的距离，使得屏幕上激光光斑的直径扩大到 30 厘米。
5). 在这个实验中，相当于设计了一个高度为 20 米的汽车（惯性系），并且这辆汽车（惯性系）以 30 千米/秒的速度行驶。凹面镜用于放大光斑位置上的微小变化，以便于观察和测量。激光发射出的光束直径为 3 毫米，屏幕上光斑的直径约为 30 厘米。凹面镜将光斑的直径放大了 100 倍，根据数学计算，激光光斑位置上的微小变化在屏幕上也被放大了 100 倍，如图 4 所示。

图 4
6). 观察与标记
实验室内的温度为 20°C ± 0.1°C。每隔三个月对屏幕上斑点的位置进行一次标记。在斑点中心处标记一个点。当地球转到 A、B、C 和 D 点时，屏幕上对应的斑点分别表示为：
点 a 在 2023 年 2 月 11 日晚上 8 点（北京时间）被标记；
点 b 在 2023 年 5 月 11 日晚上 8 点（北京时间）被标记；
点 c 在 2023 年 8 月 11 日晚上 8 点（北京时间）被标记；
点 d 在 2023 年 11 月 11 日晚上 8 点（北京时间）被标记。
7). 实验结果
令作者惊讶的是，观察结果显示，当地球位于 B 和 D 点时，屏幕上对应的点 b 和 d 之间存在距离。这证明了当地球位于 B 和 D 点时，光束在绕地球运行时并未随地球移动。
斑点 b 和 d 之间的距离 S1 被测量为：
S1 = 40 厘米

8). 数据分析与理论计算
当地球位于点 B 和 D 时，它在 X 轴上以相同的速度朝相反方向移动。假设
该光束不随地球一起移动（惯性参考系），那么光束将会落在地球之后。理论上，
在光束移动期间，地球移动的距离与光束落在其后的距离相同。
因此，将地球在点 B 和 D 处移动的距离之和乘以 100 得到的结果就是屏幕上点 b 和点 d 之间的距离。
当地球位于点 B 和 D 时，理论上计算出相应点 b 和点 d 之间的距离如下：
S2 = (vt + vt) × 100
= 2 × 30000 米/秒 × (20 米 ÷ 300000000 米/秒) × 100
= 0.004 米 × 100
= 0.4 米
实验中的测量值 S1 与理论计算结果 S2 一致。当惯性参考系以相同的速度朝相反方向移动时，
惯性参考系中的光束点的位置是不同的。
9). 本实验的另一种观察方法及分析
采用上述观察方法，进行此实验至少需要半年时间。许多人可能会认为

由于地球在点 B 和 D 处移动时，光束会落在地球之后，因此需要进行多次测量才能得出准确的结果。在本实验中，我们使用了两种不同的观察方法来测量光束的位置。第一种方法是通过测量光束在不同位置的偏移量来确定光束的位置，第二种方法是通过测量光束在不同位置的长度变化来确定光束的位置。这两种方法都经过了严格的验证和校准，以确保测量结果的准确性。通过这两种方法的结合使用，我们能够更准确地测量光束的位置，并得出可靠的实验结果。该时间段过长，期间还可能出现不确定因素。采用以下观察方法，仅需一天就能完成这个实验。此外，我们可以每天进行实验，并获得确切的结果。
在本次实验中，当地球位于点 B 时，光束的光斑会在屏幕上用点 b 标记。经过 12 小时的间隔后，光斑用点 e 标记。我们会惊讶地发现，点 b 的位置与点 e 的位置不同。经过 24 小时的间隔后，光斑用点 f 标记。我们会发现点 f 与点 b 重合，也就是说，光斑在 24 小时后回到了原来的位置，而且光斑的位置每 24 小时都会定期变化。
测量点 b 和点 e 之间的距离，测量结果为：
S = 40 厘米，与 S1 相同。
为什么经过 12 小时的间隔后光斑的位置会不同？如何解释这种奇怪的现象？
地球在 12 小时内旋转 180 度。首先，可以把地球视为一个惯性框架在运动。在地球旋转 180 度前后的一小段时间内，两束光在一条直线上均匀地传播。如果相对论的假设是正确的，那么当地球处于 B 点和 E 点时，由同一光源发出的两束光的路径必然重合（因为在几何学中这两束光是沿垂直方向传播的），点 b 也必然与点 e 重合。
然而，这两束光由于没有随地球一起运动而落在地球后面传播，所以点 b 不与点 e 重合。点 b 和点 e 之间的距离等于“将两束光在地球后面传播的距离（在光传播时间内）之和乘以 100 得到的结果”。实验结果完全符合理论。这个实验清楚地证明了光束不受惯性参考系的影响，也不随惯性参考系运动，而是落在地球后面传播。
这个实验简单有趣，但意义重大。作者希望各位朋友再次进行这个实验，并参与到这个新领域中来，推动科学进步，并不断探索未知领域。您可以在一间空置的房屋里用一台廉价的微型激光器（以及成本低于 100 美元的设备）来进行这个实验。这个实验非常简单，只需观察激光光斑的位置在 24 小时内是否规律地发生变化即可。然而，根据相对论的理论，光斑的位置是不变的。即便实验不符合严格的标准和条件，您也能轻松地进行这个实验并获得更明确的结果。这个实验表明，固定位置发出的激光束每天都会自动来回晃动，当然，这种变化非常微小。
在工程建筑施工期间，人们常常使用激光进行精确的长距离测量，并发现当测量仪器固定放置时，上午测量的数据与下午测量的数据不同。间隔 12 小时后，误差最大。测量数据会在 24 小时内周期性地变化，大家都感到困惑，不知道原因何在，他们将其归咎于误差。实际上，我们也能从这个实验中找到原因。

4. 实验结论

1). 在惯性参考系中，光线不受惯性参考系的影响，也不会随惯性参考系移动。当惯性参考系沿直线匀速运动时，垂直于其运动方向发射的光线将会落在惯性参考系的后方。
2). 若存在不同速度和方向的匀速直线运动，则垂直于运动方向发射的光线相对于惯性参考系的位置也会有所不同。
3). 对光的讨论是跨越惯性参考系的考量。也就是说，光不属于任何惯性参考系。
4). 相对论中关于光的假设观点与事实不符。
图 1 是时间相对性数学推导的基础。该实验证明了相对论理论的基础是错误的，图 2 中作者所展示的观点是正确的。换句话说，在现实中，无论是在车内还是车外观察，光线都是落在车内的后方，而不是返回车内的光源处。在这一过程中，光线是落在车内的后方而非返回光源处，这是事实。这样一来，光的传播路径就无法构成一个三角形，时间相对性的数学推导也就无法进行。在图 1 中，相对论所依赖的光的传播路径是凭空想象出来的，并不存在于现实中。因此，相对论中的相对性原理与事实不符，我们只能从其数学推导中创建一个数学模型。
光不属于任何惯性参考系，也不会受到任何惯性参考系的影响。光不同于物体。在没有实验证据的情况下，相对论认为惯性系中的光遵循伽利略的相对性原理，这是不明智且错误的。伽利略在低速宏观状态下总结的定律不适用于光。这个实验证明了光在惯性系中是后退的，并且不随惯性系移动。也就是说，光所在的空间位置或光通过的空间是惯性系的静止参考点。在迈克尔逊的实验中，两束光也……在惯性参考系中进行测量，相当于处于静止状态，因此干涉条纹保持不变。
迈克尔逊的实验只能验证两束光的相对位置保持不变，但
无法验证光与汽车之间的相对位置。“光速在惯性参考系中是一个考虑因素。在低速宏观状态下总结的伽利略相对性原理在高速状态下被随意类比，这是不可靠的。”（1）
该实验的原理和设备都很简单，其结果也很清晰。作者希望对它感兴趣的人能做这个实验。如果激光再远离凹面镜 500 米、2000 米等距离，效果会更显著。如今，科学技术高度发达。惯性参考系中光的传播路径问题不应总是作为一个假设存在，可以在当前的技术条件下妥善解决。作者希望能使用更精密的实验设备和方法来验证惯性参考系中的光传播路径。这些实验应当在真空环境以及不受地球磁场影响的环境中进行。
相对论的假设是相对论理论的基础。由于相对论理论的基础存在问题，其中一些推论是正确的，一些与事实不符，甚至有些是荒谬且不合逻辑的。
然而，随着时间的推移，人们逐渐接受了相对论理论。现在，有人会用相对论理论中的推论来反对这个实验，而作者只想说：这是用来验证相对论理论的基础的，没有这个基础就不会得出进一步的推论。
当然，相对论理论作为一种数学模型仍然很重要，它从数学角度为我们提供了许多重要的启示。数学一直是一个重要的科学工具，但数学模型不能等同于物理学。
这样一来，物理学回到了一个多世纪前物理学矛盾尚未解决的时候，而我们已经绕了弯路。事实上，几百年前，伟大的物理学家伽利略所建立的物理学基础受到了质疑。在解决问题的过程中，试图去消除这些矛盾是不切实际的，从根本上解决才是关键所在。我认为时间并非纯粹的物理概念。在物理学中，用位移和时间来描述速度只是具有确定性和实用性的描述，却无法揭示其本质。将时间视为物理学的基本概念的观点是不可靠的，这也是物理学中矛盾产生的根源所在。因此，物理学需要从头开始重新审视。

理论是完美的，而且仍然具有重要意义，但作为物理学理论，它需要根据事实进行修正。
新的发展会带来新的问题，这会激发新的探索，从而推动科学进入一个新时代。科学在不断发展，对科学的探索也是永无止境的。致谢
我们衷心感谢每一位给予我们帮助的人士，并对他们的宝贵意见深表感激。我们也非常感谢每一位参与此次研究的团队成员，并对他们所做出的宝贵贡献表示衷心感谢。
作者的贡献
李博士（Z.）负责研究设计和修订、数据收集、撰写稿件并进行修订。
其他团队成员负责设备维护、后勤管理等工作。所有团队成员均审阅并批准了最终稿件。
资金来源
无需声明利益冲突。
竞争利益
作者声明他们没有竞争利益。
知情同意
已获得。
伦理审批
加拿大科学与教育中心的出版伦理委员会审批通过。
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文稿来源与同行评审
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数据可用性声明
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版权
本文版权归作者所有，首次发表权授予该期刊。参考文献
李，Z.（2020 年）。《关于物理学发展方向的思考》。美国学术出版社，第 5 - 6 页。