《原子钟实验和μ子衰变时间观察证伪狭义相对论》.doc

《原子钟实验和μ子衰变时间观察证伪狭义相对论》
incinc (Xia Cheng)
xc7979@

　　摘要：现今几乎所有的相对论教材或宣传资料中都将Hafele-Keating实验（原子钟实验）和运动的μ子衰变时间延长（μ子“寿命”延长）的观察作为对狭义相对论的实验支持，然而，实际情况恰恰相反，本文通过严格的理论分析阐明这个实验和观察不但不能支持狭义相对论，而是证伪了狭义相对论。

　　关键词：Hafele-Keating实验　原子钟实验　μ子（Muon）衰变时间　证伪狭义相对论

一）原子钟实验

１）实验结果
　　原子钟是目前世界上已知最精确的计时装置，美国的时间和频率标准就是源自一台名叫NISTF1的铯喷泉原子钟，它在6千万年里误差不超过1秒，铯133则被普遍地选用作原子钟[1]。

　1970年，Hafele在理论上论证了利用环球航行的原子钟检验该效应的可能性[2]。1971年十月，Hafele和Keating携带四只铯原子钟进行了称之为 Hafele-Keating 的实验[3]。

该实验简要结果如下[4]：
飞行后的原子钟时间减去地面的原子钟时间（单位：纳秒，即10-9秒）

向东飞行

向西飞行

理论预言
时间膨胀
-184±18
96±10

引力效应
144±14
179±18

总的结果
-40±23
275±21
四只原子钟的实验结果
原子钟（编号）120
-57
277

原子钟361

-74

284

原子钟408

-55

266

原子钟447

-51

266

平均值

-59±10

273±7

　　上述实验总的结果表明，加上广义相对论的因素，运动的原子钟所表示的时间确实会慢，而且慢的程度与狭义相对论的理论预言接近。

为庆祝Hafele.Keating实验25周年，铯原子钟的诞生之地英国国家物理实验室重复了当年的实验。他们携带一个原子钟从伦敦飞到华盛顿，之后返回。理论预言它将与留在实验室的铯原子钟相差39.8纳秒，实验结果是39.0±2纳秒[5]。

２）实验结果及结论分析
现今几乎所有的相对论教材或宣传资料中都认同Hafele.Keating的实验结果，即在误差范围内，实验结果与相对论理论预言符合。并认为英国科学家的重复实验在更高的精度上验证了相对论的预言。
　　一个有效的或确切的物理理论，一定会反映出真实的物理实质规律，不应该用模棱两可的说法去解释客观的物理现象。基于上述实验结果，并在尊重这个精确物理实验验证的基础上，有理由认为这个实验从二方面证伪了狭义相对论：

　　１）狭义相对论的相对性原理不成立
如果狭义相对论是正确的，那么，就必须抛弃绝对长度和绝对时间的观念。狭义相对论所预言的“时慢”效应这个实验中被相对论者毫无疑问地认为是相对运动速度快或相对运动系的某种绝对性的结论。由此，可以得出一个重要结论：即狭义相对论所预言的“时慢”效应是不可能在相对静止系（或相对运动速度慢）中出现的；或者，当相对运动系（或相对运动速度快）中的时间测量与相对运动速度慢或相对静止系（或相对运动速度慢）时间测量比较时，有一个绝对的“时慢”量，这个“时慢”量是相对运动速度快或相对运动系所特有，该Hafele.Keating实验结果是一种非相对性的（或可逆的）效应－－“绝对时慢”的实验结果这就否定了狭义相对论的相对性原理。

　　２）狭义相对论的“尺缩”效应不成立　因为狭义相对论的“尺缩”效应与“时慢”效应是不能同时成立去解释任何实验结果，在该实验过程的飞行期间，虽然没有时时刻刻与地面进行对钟比较，但基于“时慢”效应是确定的，所以，可以间接说明狭义相对论的“尺缩”效应不能在飞行期间成立，因此，该Hafele-Keating实验说明狭义相对论的“尺缩”效应不成立。

二）μ子（Muon）的衰变时间

１）粒子的衰变及狭义相对论的解释

粒子的衰变就是粒子在一定的时候会自然的变成其它的粒子的过程。如中子，在一定的时候它会衰变成质子和电子等。而很多的基本粒子，都有一定的寿命，也就是在一定的时候它会衰变成其他的粒子。其中，π±介子的寿命大致为2.6 ×10^-8秒，即π±介子经过一亿分之一秒就衰变成了其他粒子。一亿分之一秒，从我们日常生活中习惯了的时间概念来讲，是不值一提的；但在微观世界里，它却不能忽视，相反倒是个不太小的数字。在大量能自动衰变的基本粒子中，能活上一亿分之一秒的算是相当长寿的。　

μ子（Muon），又称渺子，是一种轻子。μ子为宇宙中的π介子衰变时产生。它的半衰期为2.2微秒，主要的衰变模式为一电子、反电子中微子和μ子中微子。由于产生的μ子接近光速，因此在狭义相对论中的时间膨胀效应之下，μ子衰变时间延长，使μ子有机会到达地球表面。这也被认为是证明相对论效应存在的经典证据[6]。

一个经典的狭义相对论解释是：狭义相对论推测出的移动时钟的时间膨胀现象，并且，都用介子衰变观察实验来验证，即：我们能够在接近地面探测到于大气层上层产生的介子。如果没有时间膨胀，那些介子在未到达地面之前就已经衰变了[7]。

同样，μ子（Muon）的衰变解释也是现今几乎所有的相对论教材或宣传资料中都认同的，并被相对论者毫无疑问地认为是支持狭义相对论的经典证据。

一个狭义相对论在数学上的计算过程如下：

假设介子以0.999c速度从高空冲向地面，按相对论计算，洛因子大约为22；
地球表面观察到的介子“寿命”（静止时）很短，如果这介子近光速运动，按牛顿理论计算只能运动660米。

相对论以“时慢”或“尺缩”作出的解释如下[8]：

以地球作静止系看：介子的运动时间（“寿命”）比地球表面静止时长了22倍，所以，22x660=15km ；地球大气层大约厚为10km，所以，可以观察到了介子，用“时慢”作了解释；

以介子作静止系看：地球（包括大气层）向粒子运动，大气层厚度变成了10km/22＝440米；在静止的介子“寿命”内，地球（包括大气层）向粒子运动的距离为660米；所以，“尺缩”可以解释。

２）二点质疑：

（１）狭义相对论用一个如此微小的介子和地球相比，实际理论上来看，是在用介子和地球在内的整个宇宙相比，因为这时须假设地球和整个宇宙在同一个系中，毫无疑问，狭义相对论把惯性系的概念用到了不合逻辑常识或不可逻辑理解的地步。

（２）再来看具体计算，当我们承认上述狭义相对论的解释并换一个角度来计算：以地球作静止系来看，假设介子静止时其长度为“L”，借用上述的洛因子大约为22，则运动时的介子长度为应该为“L/22”，在接近地面的观察中，介子还是处于运动情形，但要“缩短”22倍，那么，同一种粒子（介子），为了解释其介子“寿命”，用了狭义相对论的“时慢”效应，但对于同样狭义相对论也认可的介子“缩短”效应，却没有任何实验数据支持，所以，只能说书本上那些用狭义相对论对介子“寿命”的理论解释完全是牵强附会。

三）原子钟实验和μ子衰变综合考量证伪狭义相对论
　　原子钟实验表明，二者之间，只要相对运动，则绝对“时慢”（实验结果表明有时钟真实变慢）；因此，高空中产生的μ子是高速运动（以0.99C运动），这些μ子“寿命”延长应该是绝对的。
　　然而，相对论者却认为μ子寿命延长并不是绝对的，而是相对的，因为他们用用部分空间的所谓“尺缩”去解释，就是说狭义相对论认为运动中的μ子“寿命”和静止中的μ子“寿命”一样，只是粒子经过的空间距离“尺缩”了而已。毫无疑问，结合原子钟实验的验证，在这类确定运动的情况下，会有一种确定的“时慢”，因而时间就不会再是相对的了，这就与狭义相对论的理论预言有悖。

　　从上可知，狭义相对论对μ子衰变的解释与对原子钟实验的预言是相互矛盾的。假设有一个时钟（代表μ子寿命）与高空中的μ子一起运动到达地面，那么，这个时钟按相对论的预言，必定会“时慢”，也就是μ子（寿命）要绝对延长。（因为相对论者认定原子钟实验表明的运动必定“时慢”是相对论的不可逆转的结论，而μ子有相对论者认定的高速运动，所以μ子寿命延长应该是绝对的。）
　　而如果运动的μ子寿命绝对延长的话，那么，按狭义相对论以μ子系看待μ子自己的衰变也是和相对静止时的衰变时间（３ｓ）一样就是错误的了（注：运动中的粒子观察其“伴随”的原子钟时间要实际变慢才会符合原子钟实验的结果）；或者，如果再用狭义相对论根据静止时的衰变时间去算运动“寿命”延长以解释μ子衰变时间就属于多此一举了，这个多此一举恰恰证伪狭义相对论的理论预言错了。

四）结论
　　Hafele.Keating的实验和μ子衰变时间观察证明了狭义相对论的相对性原理是不成立的。

五）讨论
　　一个简单的思想实验可以证明狭义相对论的逻辑前提不自洽，历史上的“双子悖论”其实已经说明了这点。如果我们用一种光钟（“光速时钟”－－靠光来回反射计算时间的，来回间的距离确定一致，光的来回方向与运动方向垂直。）来检验相对论的理论解释，会更加深刻地认清狭相的荒谬：双子使用同样的标准光钟，离开前对好一对光钟（一致），重聚时重新比较这对光钟，如果一致，说明没有狭相效应，如果不一致，说明光速会变，这么个简单明了的思想实验就能说明狭义相对论的理论前提存在矛盾。

　　狭义相对论还是一个没有任何实验证明了的理论[9]。目前为止，所谓“实验与狭义相对论理论预言相符合的说法”也都是经不起逻辑思考的推敲的，这是因为如下三点：
　　１）逻辑思维的基础之一就是来自自然现象和实验结果，科学研究本身就是遵循自洽性的，一个不能够满足自洽性的理论或者方法显然是不攻自破的。简单地说自洽性就是按照自身的逻辑推演的话，自己可以证明自己至少不是矛盾或者错误的。狭义相对论的逻辑是不自洽的[10]，这也就因此决定了狭义相对论本身不会符合实在论的方法，正如爱因斯坦自己所说的那样：“我坚定地相信，有人会找到一种比我的命运所能找到的一种更加符合实在论的方法，说得妥当点儿，是一种明确的基础”。
　　２）狭相的相对性原理有一个物理实验无法检验的问题－－无论是运动学方法还是动力学方法，无论是电磁理论还是其它什么理论，二系之间不能用实验确定何者在运动，何者是静止[11]。既然没有实验可以区分狭义相对论二个系的“何者在运动，何者是静止”，那么，产生于任何一系的狭义相对论的理论预言也同样不可以区分真实与否，实际上是狭义相对论本身没有一个明确的基本标准可以用实验来检验或比较。
　　３）狭相的理论预言（结论）只是相对成立的，通俗地说，任意一个系的狭相的理论预言（结论在任意一个系都有效，而这种有效性如何体现出来或描述出来，却是按相对论者的认知需要决定的。事实和理论上，因为缺乏一个基本的标准，狭相的相对有效性预言（结论）是永远不可能用物理实验验证的。

　　由此可见，用实验验证狭义相对论的预言（结论）的思路，方法和说法都将是不正确的，相反，只能说明物理实验和自然观察都证伪了狭义相对论的理论预言（结论）。
　　尽管这些实验和观察证伪了狭义相对论，但如何用更符合逻辑的或自洽的理论去解释它们仍然是一个遗留下来有待进一步解决的挑战。

参考文献：
1. 原子钟:
2. J. C. Hafele,Nature,277,270(1970);Naature Phys. Sci.,229,238(1971);Am. J. Phys.,40,81(1972)
3.《聊聊狭义相对论》第三章；
4. 《狭义相对论－－铯原子钟实验》:http://www.wretch.cc/blog/flyeggss/10734021
5.http://web.archive.org/web/20050411015134/http://www.npl.co.uk/publications/metromnia/issue18/
6.
7.http://zh.wikipedia.org/zh/%CE%9C%E5%AD%90
8. Xia Cheng, 狭义相对论逻辑不自洽的论证, http://www.e-
9. http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/ask_astro/answers/980327b.html
10.Xia Cheng, 狭义相对论逻辑不自洽的论证, http://www.e-
11.Xia Cheng, 洛伦兹因子和洛伦兹变换的起源及其物理学意义的分析, http://www.e-