狭义相对论的简单修正
作者 苟文俭
（四川成都武侯区金雁路171号交大花园南苑 610045）
【提要】对构建于光速不变原理和狭义相对性原理的狭义相对论，对范围不受任何限制的运动，把建立在任何可观测物体上的参考系作为惯性参考系使用，都是不允许的，但如果选用的是物理真空的某个位置、这样对狭义相对性做简单修正，不仅理论不会再有在逻辑上难堪的佯谬，不会对理论的有效性产生任何影响，光速不变原理与相对性原理由于都形成于真空而使它们更具有了相融性，从而使理论的逻辑前提就更趋合理性了。
【关键词】 狭义相对论 惯性系 洛伦兹变换 物理真空
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我们知道，爱因斯坦创立狭义相对论的基础，是光速不变原理和狭义相对性原理：前者是指在所有惯性系中，真空中的光速都是一个常量，并与光源运动无关；后者是指在所有惯性系中，物理定律有相同的表现形式。这两个原理作为狭义相对论的公理化假设，并非只是爱因斯坦“直觉”出来的，实际也都有实验的有力支持，属于真的经验真理。
（一）
狭义相对性原理是牛顿力学相对性原理的推广，它适用于一切物理定律，其本质是所有惯性系平权。因此在狭义相对论中，整个时空仍然是平直线性的，即时间是均匀流逝的，空间是均匀和各向同性的；其惯性参考系仍与牛顿力学的定义相同：是牛顿定律成立的保持静止或匀速直线运动状态的参考系，或与某个惯性系保持相对静止或相对匀速直线运动状态的参考系。但在现实中，建立在任何可观测物体上的参考系，都绝不可能是保持静止或匀速直线运动状态，即任何可观测物体自身都不可能有惯性参考系存在。因此在对理论的实际表述中，人们总是会根据实际需要选取近似的惯性参考系。比如，在研究地面上物体小范围运动时，地球是一个惯性系。在研究太阳系中天体运动时，太阳也就看成是惯性系了。
换句话说：如果我们研究的不是地面上物体的小范围运动，就不能选地球做惯性系；如果我们研究的物体要离开太阳系运动，就不能选太阳为惯性系了。由此就容易有如下的分析命题，称是“命题A”。
命题A：对范围不受任何限制的运动，在狭义相对论中做洛伦兹变换时，把建立在任何可观测物体上的参考系作为惯性参考系使用，都是不允许的。
（二）
惯性参考系要求静止或匀速直线运动，而且时间均匀流逝，空间均匀且各向同性，那么在不受任何限制的范围，有什么样的客观存在才满足这样的严苛条件呢？
粒子具有波动性，不可能是静止或匀速直线运动；由粒子组成的任何实际存在物，它总是随地球或在星系中做变速运动，也不可能是静止或匀速直线运动。即粒子或由粒子组成的任何实际存在物，都不可能是真正的惯性参考系。
我们知道，粒子都产生于受激发的真空，真空作为可以在受激发中产生粒子的客观的实在性存在，它的任意位置，不仅可以保持静止，而且任意位置集合构成的空间，也还充分保证了均匀性及各向同性，并允许时间的均匀流逝。
在受激发中可以产生粒子的客观的实在性存在的真空，作者也称是物理真空。上述陈述表明：物理真空的任意位置，都可以是真正的理想惯性参考系。分析上述陈述，就又容易有如下的另一个分析命题，称是“命题B”。
命题B：对范围不受任何限制的运动，在狭义相对论中做洛伦兹变换时，使用的惯性参考系，都是而且只能是物理真空的某个位置。
（三）
复旦大学数学科学院辜英求博士在《相对论中的悖论与解决》一文中（网页连接：http://blog.sina.com.cn/u/1597508495），具体介绍了狭义相对论中的孪生佯谬、飞船佯谬、梯子佯谬及转碟佯谬。由下面的陈述就很容易看明白，只要选用了物理真空的某个位置为参照系，理论中这些佯谬就都不可能形成。
1、两孪生兄弟，若一个在家另一个去太空旅行，当选用物理真空的某个位置为参照系时，依据狭义相对论：运动兄弟的钟走得慢，在家的兄弟不运动，他的时间不会发生变化，他们之间就决不会有哪个更年轻的争论；即相对论中众所周知孪生佯谬就不可能形成。
2、若有两个飞船，它们用一根弦紧拉着，两飞船起飞、加速、减速的操作都完全同样，当选用物理真空的某个位置为参照系时，两飞船及其这根弦的运动始終保持了相同，依据狭义相对论：两飞船之间的距离变化与这根弦的长度变化是一致的，弦决不会被拉断；即相对论中所谓贝尔(Bell)的飞船佯谬也不可能形成。
3、假若有一个梯子平躺着快速穿过一个比它的静止长度还短的库房，当选用物理真空的某个位置为参照系时，梯子是运动的，库房是静止的，依据狭义相对论：运动梯子长度收缩，在一段时间内梯子就完全可以被关在库房内，库房本身长度并不会发生变，即在相对论中也就不可能形成所谓的梯子佯谬。
4、假定有一个以角速度ω绕轴旋转的碟子，碟子静止半径为R0，旋转时半径为R。依据狭义相对论：因为半径与运动方向垂直，长度不收缩，R = R0；但由于碟子边缘运动速度v = Rω，园周长度要收缩，构成了园面积的减小，这就必然又有R < R0，显然这就与R = R0矛盾。对此也称是埃能菲斯特(Ehrenfest)的转碟佯谬。
当考虑选用物理真空的某个位置为参照系时：如果该位置迭在了碟子之外，则碟子相对于该处位置始终不变，依据狭义相对论长度不收缩，R = R0；如果该位置选在了碟子上的某一点，碟子每一个点的位置是变化的，但不同点均有各不相同的加速度，因此不满足在惯性系之间进行洛仑兹变换的条件，不满足狭义相对论长度收缩的计算，即不会得到转碟园周长度收缩、园面积减小的结论，这样在相对论中也就不可能形成所谓的转碟佯谬。
（四）
在狭义相对性的公理化假设中，我们仍保持光速不变原理的陈述，把狭义相对性原理修正为：在以物理真空的某个位置为参照系的惯性系中，物理定律有相同的表达形式。对此我们就称是狭义相对论的简单修正。
在对狭义相对性原理做了上述简单修正后，如上文（三）所述，不仅理论不会再有在逻辑上难堪的佯谬，也还有如下结果：
1、不会改变洛仑兹变换及狭义相对论的所有形式化表述，因此不会影响狭义相对论所有与事实相符的结果，即不会对理论的有效性产生任何影响。
2、我们知道，狭义相对性的光速不变原理，是指真空中的光的运动、与光源和观察者的运动无关，因此把狭义相对性原理做了如上修正后，由于这两个原理都形成于真空而使它们更具有了相融性，从而使理论的逻辑前提就更趋合理性了。
通过对狭义相对性的一个公理化假设做出上述限制，对狭义相对论做这种简单修正，就有了意想不到的收益，我们何乐而不为呢？
作者邮箱：w.j3669@163.com