中微子传奇，上篇：（C6）时空专家何处觅？真作假时假亦真

记号说明：SR——Special Relativity狭义相对论。

（SR，10）1957年，又一重量级人物，英国物理学家埃森（Louis Essen；注10a），加入了狭义相对论批评者的行列。埃森先是在《自然》杂志上发表短文批评狭义相对论中所谓时间膨胀说法的错误（【Essen1957】，短文），后又于1971年写成系统性地分析与批评狭义相对论中种种问题的长篇文章《狭义相对论——一个批评性的分析》（【Essen1971】，长文）；以下分别介绍二者的内容，但由于短文具体形象，所以我们短话长说，又由于长文抽象艰深，所以我们长话短说。

注10a：埃森是现代光速的第一个精确测量者、铯原子钟的主要发明人、国际时间标准与长度标准的制定者之一，他曾于1937年与1955年分别用石英晶体谐振器与电磁波重复了历史上著名的迈克尔森-莫雷实验；他还是苏联科学院波波夫金质奖章、大英帝国最优秀勋章以及IEEE UFFC协会拉比奖的获得者。

（SR，11）埃森在其短文中开门见山地指出，狭义相对论中的时钟悖论在他看来乃是源于爱因斯坦文章中的一个错误，而这一点对于一个实验物理学家比对于一个理论物理学家来说更加明显。埃森然后基于自己有关原子钟的实际经验，分析并说明了时钟悖论的实质及其错误。为此，埃森首先简单介绍了爱因斯坦的时钟悖论，即两只构造相同且已经完成准确对时的时钟M（moving运动；M）与S（stationary静止；S），本来同在一处，而后M顺次沿着一个多边形的各边以速度v做匀速直线运动，并最终回到原处与S汇合，爱因斯坦声称相较于S的时间记录T，此时M的时间记录将为αT，其中α=√（1-v²/c²），即M比S走得要慢。埃森接着说，爱因斯坦并没有指出以上现象发生的真正原因，但埃森的经验告诉自己，这只能与对两只原子钟所做的辅助观测有关，为此便不能不了解一下原子钟的基本构造，即它是由提供规则性脉冲（impulse）的时间标准（注11a）与记录脉冲信号的表盘两个基本部分所组成的。埃森然后指出，狭义相对论所说的钟慢效应只有当动钟M的运行速率来通过静钟S进行观测时才能发生；这是什么意思呢？这就是说，动钟M的脉冲信号要通过电磁波传向静钟S那里，并由S原有表盘之外的新建的辅助表盘来记录来自于M的这些滴答（ticks）信号，而相较于S的原有表盘读数T，只有S的这个辅助表盘才可能出现诸如αT的不同读数（注11b），从而可知所谓的钟慢效应只能来自于S的辅助表盘读数与S的原有表盘读数的对比αT：T，这才是两个异地原子钟对时的标准程序；但问题是，如法炮制，静钟S的脉冲信号也可以通过电磁波传向动钟M，并由M原有表盘之外的新建辅助表盘来记录其速率，于是此时M的辅助表盘读数与其原有表盘读数之比也应该是αT：T（注11c），所以埃森得出结论，如果钟慢效应真的对应于现实，那么它也一定是在M与S之间对称地发生的，因此爱因斯坦所声称的M比S要慢这一非对称性结果并不成立。埃森进一步分析道，以上所说才狭义相对论中所谓的钟慢效应产生的唯一可能机制，它不是也不可能是把动钟M的原有表盘读数与静钟S的原有表盘读数进行直接比较而得到的，这是因为根据狭义相对论的相对性原理，处于匀速直线运动状态的时钟M不会产生任何可以探知它的运动速度v的物理效应（注11d），所以当M再次与S汇合之时，二者原有表盘上的读数在理论上应该是一样的，因而在这个意义下同样也不存在爱因斯坦所说的钟慢效应。埃森最后在文章中补充说道，为了反制可能的批评意见，还有两点需要说明：1、以上钟慢结果同相对论之前的经典电磁理论中的电磁波的性质并不吻合（注11e），但这是可以预期的，因为狭义相对论以所谓的光速常数原理取代了电磁波的那些经典性质；2、爱因斯坦及其支持者将钟慢效应归因于加速度，但这样做是不符合逻辑的，因为加速度原本就不属于狭义相对论的研究范畴。

注11a：这里所说的时间标准是原子钟结构的核心，它主要是一个由微波谐振腔所组成的电磁波规律性振荡产生机制

注11b：埃森在这里只是想探寻狭义相对论钟慢效应的可能现实基础，它并不代表以表达式αT所刻画的现象已经精确地发生；事实上，以αT为变化规律的钟慢效应不具备任何事实基础，而现实中与此描述最接近的是所谓的多普勒效应，但不幸的是，这里所说与多普勒效应在多个方面有着根本不同。更多细节可参见下文以及有关注解。

注11c：埃森的这个推理只能保证定性地但非定量地成立，这是因为：1、如果埃森只是基于自己的原子钟对时经验来谈这件事，那么影响M的脉冲信号在S的辅助表盘上的读数大小的那些因素一般来说与影响S的脉冲信号在M的辅助表盘上的读数大小的那些因素往往并不相同或者并不对称；2、如果埃森考虑的是类似于多普勒频移的表观效应，那么为了实现这里所说的M与S之间对称性变慢，就必须预设另外一个前提，即M与S同时相对于扮演电磁波媒介角色这个优越参照系进行对称性运动；细节可见注12c。

注11d：即M钟的速率不会因其匀速直线运动而有任何改变；这里埃森对相对性原理的理解是标准的理解，也是正确的理解，这就如同完全局限于地球上的物理实验无法探测到地球围绕太阳的公转运动速度一样，或者更通俗地讲，生活在运动着的地球上的人类却根本感受不到地球有任何运动一样。加速度有可能产生可以探测的物理效应，但如前所说，这不是狭义相对论的关切，所以它在这里已被忽略。

注11e：根据以上有关描述，狭义相对论所要求的钟慢效应只能来源于两只时钟交换电磁信号时所发生的电磁波频移现象，但经典电磁理论中只有一个属于一阶效应（v/c）的多普勒频移，它不仅在数量级上不等于狭义相对论的二阶钟慢效应（v²/c²），而且二者还有许多其它性质如对称性等的根本不同；更多细节可见注12c。

（SR，12）埃森在其长文中则系统地分析了狭义相对论中的种种问题，然后总结道：1、如果狭义相对论中所谓的钟慢与尺缩效应只是分别指时间与空间度量标准的改变，那么这样的理论成不了一个科学理论（注12a）；2、如果钟慢与尺缩是在时间与空间度量标准不曾有任何改变的前提下所观察到的真实物理效应，那么狭义相对论要求这种效应关于做匀速直线相对运动的两个物体一定是对称发生的（注12b），但这样的对称实验从来就不存在，因而在这一前提下这个理论也没有任何实验证据的支持（注12c）；最后，3、如果钟慢与尺缩意味着时钟与直尺在物理上发生了真实的变化，那么这时作为狭义相对论基本前提之一的相对性原理显然不再成立（注12d），不仅如此，虽然有证据表明运动的时钟确实会变慢，但这种情况无一例外地是在物体有加速度的条件下发生的，而且有某些迹象表明，加速度很可能就是时钟变慢的原因。

注12a：这个道理好比分别以市斤与公斤为单位去称量同一个人的体重，所得数字虽然不同，但它们并不意味着称量结果有任何本质的不同；所以任何以玩弄度量单位为基本前提或核心内容的理论必是游戏之论。

注12b：钟慢与尺缩效应的对称性均可以从狭义相对论的洛伦兹变换中直接导出；参见（SR，6）的公式（1）、（2）以及注6e与注6f。

注12c：多普勒效应是目前已知的可以满足两个时钟A、B对称性地变慢但却不导致彼此矛盾的唯一物理效应；如前所述，所谓对称性变慢就是在A看起来B比A慢，但在B看起来却是A比B慢。不过以上结论的成立需要两个前提：一、A与B之间必须交换电磁信号（或声音等波动信号）；二、A与B必须相对于某个优越参照系同时做完全对称的运动。由于根据多普勒频移公式，f=f₀[（c+v_r）/（c-v_s）]，其中f为电磁波的实测频率，f₀为其原有或固有频率，v_r、v_s分别为探测器与信号源相对于电磁波传播媒介这一优越参照系的运动速度，并规定探测器与信号源互相接近时v_r与v_s为正，反之为负，则不难看出，多普勒效应在一般情况下并不具有探测器与信号源之间的运动效应对称性。比如，当探测器静止而信号源以速度v_s=c/2的速度逼近探测器时，有f=2f₀；但当信号源静止而探测器以速度v_r=c/2的速度逼近信号源时，却有f=1.5f₀。那么A、B两钟之间的对称性变慢会何时发生呢？比如，假定A、B两钟互为对方的信号源，同时也互为对方的探测器，且每一组探测器与信号源均相对于媒介参照系以v_r=v_s= -c/2的速度相互倒退（注意此时二者的相对运动速度为c），则不难算出此时A与B互相观测到的对方的信号频率均为f=1/3f₀，即A、B两钟对称性变慢的现象已经发生。最后提醒一下，一个物体通过与外界交换信号之后获悉自己的运动速度，这已经违背了相对性原理的基本前提，所以它不属于相对性原理的内容；更多相关内容可参见注12d。

注12d：如前所说，相对性原理要求做匀速直线运动的物体不独立产生任何显示或暗示其运动状态的物理效应，正如地球虽然在围绕着太阳以大约30公里/秒的速度公转，但完全局限于地球上的任何实验其结果总是显示好像地球是一个静止物体一样，所以埃森才在这里断言所谓钟慢或尺缩违背相对性原理；所谓完全局限于地球上的实验这意味着在地球与外界之间没有任何信号交换。另外，这里未考虑地球的自转效应，因为原则上它不属于相对性原理的范畴。其实，严格地说，地球的公转也不是匀速直线运动，所以表面上它也不属于相对性原理的范畴，但事实上，由于地球的公转具备以下特征：1、它是平动；2、它在一阶近似上是匀速直线运动，所以有理由相信正是由于这些因素，造成了地球公转在实际物理效果上可以被视作匀速直线运动的结果，亦即对于它来说相对性原理是成立的。

（SR，13）1971年，为了验证狭义相对论对钟慢效应预测的正确性与否（注13a），美国物理学家哈夫勒（Joseph C. Hafele）与基廷（Richard E. Keating）携带四只铯原子钟乘坐商业飞机分别两次围绕地球飞行，一次向东，一次向西，并将飞行之后的原子钟与位于美国海军天文台的地面原子钟进行读数对比，事后他们声称，有关实验（Hafele-Keating experiment；H-K）证实了狭义相对论与广义相对论的有关理论预测，并于1972年将相关结果发表于《科学》杂志上（【H-K1972a】，【H-K1972b】）。但该实验结果及其物理意义当即受到原子钟专家埃森的严重质疑，埃森特别指出：首先，H-K实验的结果分析部分似乎显示他们所用的原子钟具有10^-14级的、按照当时标准算得上不同寻常的稳定性，但他们的详细实验记录却显示东向飞行时四只原子钟其中的三只都发生了不小于10^-12的速率偏差，即事实上证明了他们所用的原子钟仅有正常的精度与稳定性（注13b）；其次，由于原子钟在日与日之间可以产生最大至10^-12纳秒级别的偏差，因而H-K的实验结果将明显依赖于所选择的观测期的起止时间以及该观测期的长短，虽然作者在对实验结果的分析中采用了每次飞行实验之前与之后各25小时的观测期，因而貌似证明了相对论的有关理论预测，但如果采用的是作者获取原始实验数据时所用的整个观测期，则东西两向飞行的原子钟的频率变化在做了平均之后将基本抵消（注13c）；第三，作者在得出最终实验结果时对原子钟的频率比较数据使用了统计分析方法，虽然他们没有提供这些比较细节，但却假定这些频率变异具有统计随机性，这不仅是不太可能的，而且与埃森自己有关原子钟的实际经验不相符合；第四，作者在其文章的理论讨论部分无视他人尤其是埃森针对相对论所做的详细而有完全记录的批评，而这些批评却从未被反驳过；最后，埃森得出结论：作者的相关预测的理论基础需要重新审视，不仅如此，他们在其文章中所给出的实验结果其实并不支持其理论预测。但是埃森的批评性文章被拒绝在《自然》杂志上发表，不得已，几年之后的1977年埃森把它发表于一个完全不知名的杂志上（【Essen1977】；注13d）。

注13a：事实上，这个实验所验证的既不是狭义相对论的钟慢效应，也不是任何广义相对论时钟效应；这是因为围绕地球飞行的原子钟所做的一定是向心或离心加速度运动，不是狭义相对论所要求的匀速直线运动，而地球引力场对原子钟的任何可能影响也不是像相对论专家所声称的广义相对论效应，而是属于经典力学的典型适用范畴。更多细节可参见下文以及有关注解。

注13b：事实上，这四只原子钟彼此之间的时间偏差可以高达300纳秒，但是实验者却声称相对论被以不超过10纳秒的误差被证实，因而这是一个严重可疑的结论。

注13c：四只原子钟在东向飞行时平均改变-132 纳秒，西向飞行时平均改变+134纳秒，所以二者在实验误差范围内刚好抵消，因而没有理由相信它们证实了相对论的东向飞行损失59纳秒而西向飞行获得273纳秒的理论预测。

注13d：这本杂志的名字叫Creation Research Society Quarterly；埃森的文章在它的Volume 14（1977），第46页。

（SR，14）1978年，埃森再次发表文章（【Essen1978】）批驳相对论，文章的小标题为：对这个理论的固守是如此的强烈，以至于年轻的科学不敢公开质疑它；而正文前的编者引言则引述埃森自己的话说：“没有任何一个人尝试着反驳我（批评相对论）的论点，但是我却被警告，如果我一意孤行，我很可能会毁了自己的前程。”在这篇文章中，埃森除了继续以事实与逻辑驳斥相对论，还从更加宏大的视角对这种独特的相对论现象做了认真审视与反思，这包括：1、相对论中的种种错误虽然已经见于公开发表的针对它的批评性文章之中，但这些批评却几乎被完全忽视；而另一方面，埃森相信，继续接受并教授相对论会严重妨碍对经典电磁理论的合理拓展；2、普通大众其实在被一直误导，以致相信科学是一个只有极少数数学奇才才能搞明白的神秘学科；3、学生往往被告知，即便他们无法指望理解相对论，他们也必须接受这个理论；亦即在他们职业生涯的刚刚开始，他们便被鼓励抛弃科学原则以换取教条。

（SR，15）1988年，埃森又一次发表文章（【Essen1988】）重申，爱因斯坦的相对论包含着基本的与致命的缺陷。埃森首先指出，科学家可以把长度与时间等基本单位规定为常数，但不可以把诸如速度等导出单位（注15a）也定义为常数，但爱因斯坦却把光速定义为常数（注15b），这样，他便违背了科学的一个基本原则（注15c）；埃森说，以上便是爱因斯坦所犯的第一个严重错误。埃森接着指出，爱因斯坦所犯的第二个严重错误是，他一方面认为运动纯粹是相对的，即无法区分处于匀速直线相对运动状态的两个物体究竟谁静止与谁运动，但另一方面却又声称，离开静钟S沿多边形各边做匀速直线运动的动钟M，当它再次与静钟S汇合之后，M的读数会比S的读数要慢（注15d）。关于科学界对相对论的质疑，埃森特别提到：卢瑟福（Earnest Rutherford）把它当做一个笑话；索迪（Frederick Soddy）称它为骗局；罗素（Bertrand Russell）认为这个理论已经完全包含在了洛伦兹变换之中了（注15e）；众多的科学家则针对它的内在矛盾发表了评论。至于相对论的实验根据，埃森以日食观测实验与H-K原子钟环球实验为例，断言所谓这个理论已经得到实验证实的说法是经不起认真审视的（注15f）。埃森进一步指出，其实爱因斯坦并不知悉两个异地时钟的对时技巧：它们的时间记录之间的比较是靠为被比较对象另外再建立一个辅助表盘而实现的，而可能变慢的也只是这辅助表盘的读数，而不是每只时钟的原有表盘的读数；然而不幸的是，爱因斯坦对所谓思想实验的使用以及他对实验技巧的无知导致了一个让他自己受到愚弄同时也愚弄几代科学家的错误结果。埃森在文章中最后总结道：所谓这个理论解释了迈-莫实验这一观点，我倾向于认为它是一个骗局；同时我也相信，假如卢瑟福意识到了这个理论对理性科学的严重阻碍作用，他也不会再把它只是当做笑话了。

注15a：由于速度=长度/时间，即它由长度与时间这两个基本单位所导出或所表示，所以速度被称为导出单位。

注15b：这是由于在长度与时间等基本单位已经被定义或默认为常数的前提下，再规定速度是一个常数就必然会导致新的且与原来矛盾的长度单位或时间单位的产生，从而引起度量学以及科学上的混乱。

注15c：爱因斯坦在狭义相对论中明确地把双向或回路光速定义为常数；他虽然没有明确把单向光速定义为常数，但是如前所说，这个理论中的光速独立于光源的运动这一基本前提与它所要求的观察者-光源对称性意味着单向光速也是一个常数；或者换个角度看问题，狭义相对论中c+v或c-v的前提再加上相对的同时性的引入必然会导致单向光速常数的结论。

注15d：这里对动钟M与静钟S的描述源自于狭义相对论的时钟悖论；埃森的意思是，既然无法区分谁静止谁运动，那又如何确定哪只时钟该变慢？有人会辩解说加速度是运动时钟变慢的原因，但问题是：1、如此重要的信息，为什么爱因斯坦不把它包括在狭义相对论之中？2、加速度何时成了狭义相对论的研究对象了？另外，如前所述，有多个证据表明爱因斯坦不是在谈论类似多普勒频移的表观效应，虽然这一效应在某些情况下貌似可以定性产生狭义相对论所需的钟慢效果或其所需的对称性。

注15e：这里提到的三个名字中的两个即卢瑟福与罗素都是英国学术界如雷贯耳的名字；关于洛伦兹变换：从目标与手段上看，洛伦兹变换的提出本来就是为了在物理上实现相对性原理，而这个变换的爱因斯坦推导则明确使用了光速不变原理与相对的同时性；再从结果上看，洛伦兹变换直接意味着光速不变原理以及相对同时性的成立，而某些物理量在洛伦兹变换下的形式不变性则被相对论专家认为就是相对性原理本身，最后，时间与空间的相对性亦即所谓的钟慢与尺缩效应更是洛伦兹变换的直接推论；于是正如罗素所说的那样，整个狭义相对论其实已经包含在了一个洛伦兹变换之中了——注意，这个变换叫洛伦兹变换，不叫爱因斯坦变换，这一点难道没有启发性吗？如果读者意识不到，那么就请关注acarefreeman的狭义相对论科普系列的有关内容。

注15f：更多细节可见（GR，3）与（SR，13）以及相关注解。

（SR，16）最后，让我们引述埃森写给朋友Carl Zapffe的一封书信（【Essen1984】）的有关内容来结束他对相对论的批评：“当然，我（对相对论的）批评是完全破坏性的，但是，我认为这个拆除（整个相对论大厦的）工作是相当彻底的。我所得出结论是，这个理论根本不是一个真正的理论，而是几个彼此矛盾的假设连同一些事实上的错误。比如，这个理论的时钟悖论就源自于一个非常明显的所谓思想实验的错误（尽管相对论专家写了不少与此相关的垃圾，但事实却是，爱因斯坦对物理测量单位以及测量学原则其实是一无所知）。尽管已经没有丝毫的必要再谈论时钟悖论，但是却有成千上万有关的文字仍在出世。在我看来，它们只能把水搅得更浑。当前这个主题有一个方面你（注16a）至今仍未讨论过，这就是号称支持相对论的那些实验的精度与可靠性。这些待验的相对论效应一般处于实验仪器精度的极限边缘，而作者们也通常依靠操纵与选择数据来得到他们需要的结果。不仅爱丁顿的日食观测实验如此，哈夫勒与基廷（H-K）最近的原子钟实验也是如此；而后一个实验结果发表于《自然》杂志（注16b），于是我向他们提交了一个批评意见。尽管我的原子钟工作经验比世界上任何人都要多，但是我的批评却被拒绝了。”

注16a：这里的“你”是指朋友Carl Zapffe。

注16b：H-K的实验结果发表于《科学》杂志，不是《自然》杂志；所以这里应该是埃森记错了或者出现了笔误。但是根据【Essen1977】，埃森的文章似乎是为了回应《自然》杂志的一篇署名为W. B.的评论文章，所以也有可能他当时真的把文章投给了《自然》杂志。

（SR，17）原子钟与时间精确测量专家对爱因斯坦及其相对论的批评凸显了这样一个极为严肃也极为沉重问题：在时空问题上，究竟谁才是真正的专家？ 如果你认为是爱因斯坦，那就不妨请你也来回应一下埃森的批评意见；如果你认为是埃森，那就请你回答：当时空专家埃森被在《自然》或《科学》杂志上被禁言之时，那发言的又都会是什么人呢？这正是：时空专家何处觅？真作假时假亦真。

附：（SR，10）-（SR，17）参考文献链接：

【Essen1957】，The Clock Paradox of Relativity；http://www.nature.com/nature/journal/v180/n4594/abs/1801061a0.html（抱歉，本文有版权；acarefreeman一时找不到免费下载之处）

【Essen1971】，The Special Theory of Relativity—A Critical Analysis；下载链接：https://od.lk/f/OV80NjcxMTI1NV9rMkJwZQ

【Essen1977】，Atomic Clocks Coming and Going；下载链接：http://gsjournal.net/Science-Journals/Journal%20Reprints-Relativity%20Theory/Download/3296

【Essen1978】Relativity and time signals；下载链接：http://gsjournal.net/Science-Journals/Journal%20Reprints-Relativity%20Theory/Download/3297

【Essen1984】，Letter to Carl Zapffe；下载链接：http://www.gsjournal.net/old/science/rickeressen.pdf

【Essen1988】，Relativity——Joke or Swindle？；下载链接：http://www.naturalphilosophy.org/pdf/abstracts/abstracts_1233.pdf；或网上阅读链接：

http://www.ekkehard-friebe.de/Essen-L.htm

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