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相对论的本质之我见
中国科学院 力学研究所 吴中祥
提 要
相对论的实质是把低速(其速度与光速相比可以忽略)运动物体的3维空间经典力学扩展到包括高速(其速度与光速相比不可忽略)运动物体的4维时空相对论力学，并把平直的欧几里德时空的惯性(无相互作用力、或相互作用力彼此达到平衡)牵引运动的研究扩展到弯曲的黎曼时空的非惯性(有彼此不平衡的相互作用力)牵引运动的研究。
因而，必然且必须导致创建时空可变系多线矢物理学。
而经典力学只是其在低速(其速度与光速相比可以忽略)运动和在3维空间较小范围内(时空弯曲效应可忽略)条件下的近似。
关键词：狭义与广义相对论 3维空间与4维时空 平直与弯曲时空
1、运动的相对性并非《相对论》的本质特性
通常在解释《相对论》时，总是只强调其相对运动的特性，似乎这就是《相对论》的特征。其实，在牛顿力学中，也已考虑到了运动的相对性，也是要选定适当的轴矢坐标系才能相对确定物体的位置及其运动。
但是，经典力学只是选定3维空间轴矢坐标系，而把时间仅当作3维空间位置矢量各分量坐标的一个参变量。而且认为：在不同的轴矢坐标系中，时间是相同的，与轴矢系无关(即所谓“绝对时间”)，3维空间位置矢量各分量的“模长”也都是时间的函数；不同牵引运动轴矢坐标系间的变换是“伽利略变换”。这就已使经典力学能符合从苹果落地到天体运行的广泛相对运动规律。
由此可见，运动的相对性并非《相对论》的本质。
特别是，爱因斯坦曾在给一群青年学生解释《相对论》时说：“你和一个美丽的姑娘坐上两小时，你会感到好像只坐了一分钟，而要是在炙热的火炉边，那怕只坐了一分钟，你也会感到好像坐了两小时，这就是相对论“。
这种“与美女在一起，觉得时间短”、“在炙热的火炉边，觉得时间长”的相对性，只是感觉上的相对性，只是爱因斯坦与青年学生们的幽默调侃，是与《相对论》的本质毫无关系的。
2、实验发现，高速粒子不符合“伽利略变换”到狭义相对论的诞生。
然而，著名的迈克尔逊实验，表明：“在任何惯性牵引运动参考系，真空中3维空间光速不随参考系的运动而改变”，进而对光子和高速(其速度与光速相比不可忽略)粒子的大量实验，也都表明：对于高速运动粒子“伽利略变换”已不适用。对此，经典力学已无法解释。
洛仑兹仍用“以太”的观点，仍按经典力学的伽利略变换，而提出所谓“长度收缩、时钟变慢”，以适应相应的观测结果。即：仍按伽利略变换，由两个3维空间正交坐标系，仅沿X以恒速V，牵引运动t、t’时间，并设长度收缩，又已知真空中光速为常数c的条件下，而得到的3维矢量在此两坐标系的变换。而且，也相应地有时钟变慢的结果，就是洛仑兹变换。
它符合了“V=c时，迈克尔逊实验观测不到光程差”的结果，而且，表明：当V<<c，才蜕化为伽利略变换。
却因无法证实“以太”的客观存在，而所谓“长度收缩、时钟变慢”又带来例如：所谓孪生子佯谬，或悖论，(即：设有孪生兄弟两人，如果哥哥以一定速度运动，弚弚在原地静止，那么，按时钟变慢的论点，哥哥所在的系统会因时间慢于弚弚所在的系统，当哥哥回到原地与弚弚再会合时，岂不是反而会出现比弚弚年龄更小了的不合实际的悖论吗？)而不能自圆其说。
爱因斯坦用闵可夫斯基矢，即：在3维空间的位置矢上再加一个与其正交的时轴分量ict (i是虚数符，即-1的平方根，c是惯性牵引运动参考系真空中3维空间光速，t是时间)，推导出洛仑兹变换，具体表明：
洛仑兹变换是，当牵引运动是惯性运动时，4维时空的位置矢在不同的“轴矢系”间的变换。才导致狭义相对论的诞生。
而经典力学只是其在低速(其速度与光速相比可以忽略)运动条件下的近似。
3、狭义相对论最本质的创新
狭义相对论最本质的创新是：以4维时空轴矢系取代经典力学的3维空间轴矢系，以4维时空的“洛仑兹变换” 取代经典力学3维空间的“伽利略变换”。
对实验表明：对于高速运动粒子“伽利略变换”已不适用，经典力学已无法解释的这个问题，狭义相对论打破经典力学“绝对时间”的错误观点，采用欧基里得4维时空的闵可夫斯基矢量表达客体的时空位置，即由4个彼此线性无关的 (对于正交系，为彼此正交的) 轴矢组成的轴矢系，表达时空位置矢量，其中，“时间”不仅是3维空间位置矢量各分量坐标的一个重要参变量，而且是与3个空间轴彼此线性无关的 (对于正交系，为彼此正交的)另一轴矢(时轴矢)的主角，“时轴”分量的模长由ic(3)t表达(i是虚数符，即-1的平方根，c(3)是相应牵引运动参考系中的3维空间光速，t是时间)。不同的牵引运动轴矢坐标系间的变换是“洛仑兹变换”，才圆满地解决了这个问题。
因而，以4维时空的闵可夫斯基矢量取代经典力学的3维空间位置矢量；以4维时空的“洛仑兹变换” 取代经典力学3维空间的“伽利略变换”，才是狭义相对论最本质的创新。
因此，如果一定要说《相对论》与“运动的相对性”的关系的话，那就只能是：《相对论》把经典力学3维空间的运动的相对性，扩展到了具有“时轴”分量的4维时空的运动相对性。而其本质的关键应在于：把经典力学的3维空间扩展到了具有“时轴”分量的4维时空。
4、广义相对论最本质的创新
广义相对论最本质的创新是指出：对于非惯性(即有彼此不平衡的相互作用力的)牵引运动系，时空有弯曲特性，研究非惯性牵引运动，就必需计及时空的弯曲特性。而且，由于时空的弯曲特性，通常欧基里得平直时空的闵可夫斯基矢量已不适用于时空中的各点，通常就不得不放弃使用矢量，而采用曲线坐标直接表达时空各点的位置，再利用黎曼时空的度规张量各“元”作为参量，类比由库伦静电定律转变到马克斯威尔方程组的变换规律，而由牛顿引力定律转变为爱因斯坦引力场方程，建立相应的运动方程, 用以处理一些按牛顿引力理论与实测结果显著偏离而长期未能解决的；或者分别按 两种理论，其结果有显著差异且可提出实测检验比较的，精细天体运动引力问题，后经实测检验，都是广义相对论的结果与实测很好地相符，从而证实了它的正确性。
2004年10月，由各国科学家和大学研究人员组成的研究小组，观察了绕地球旋转的两颗卫星(LAGEOS 1和2)后发现，它们的确随着地球拖曵空间发生了偏转，首次发现了地球自转时拖曵周围时空的直接证据。说明：“地球在旋转时确实在拖曵时空，离地球越近，扭曲的幅度就越大” 、“时空的这种扭曲也称框架拖曵，以前从未直接观测到过”、“这是首次得到真实、有力和直接的证据，说明旋转天体能拖曵时空”
因而，广义相对论最本质的创新就在于：考虑到非惯性(有彼此不平衡的相互作用力的)牵引运动系时空的弯曲特性，把仅适用于惯性牵引运动系、平直时空的狭义相对论推广应用于非惯性牵引运动系的弯曲时空。
而经典力学只是其在3维空间较小范围内(时空弯曲效应可忽略)条件下的近似。
5、必然且必须导致创建时空可变系多线矢物理学
狭义相对论显示出需由4维时空，才能全面正确地研讨物体运动，就必须创建各类多线矢及其矢算，广义显示出，非惯性系须计及相应的时空弯曲，就必须创建相应的各类可变系多线矢及其矢算，因而，必然且必须导致创建时空可变系多线矢物理学。
对此，将分别另文介绍，
矢量空间的维
数学上，“维”是矢量空间，又称线性空间，的重要基本概念。
所谓“维”就是矢量空间的“基矢”，矢量空间“基矢”的个数就是它的“维”的个数。
有人从可把：“点”0维，“直线”当作1维，“平面”当作2维，“立体”当作3维，简单地认为，由此就可以推论到有“无限维”。
也有人把事物的各种因素、种类，都分别当作各“维”，而组成“多维空间”。
就些，实际上，都是误解了“维”的基本概念，而产生的错误观念。
因为，能成为矢量空间的“维”，或“基矢”是必须满足一个基本的条件：那就是：它们必须是彼此线性无关的。
“直线”只有1个“基矢”，没有任何另外的矢量与它彼此线性无关，因而，是
1维，“平面”有两个彼此线性无关的“基矢”，因而，是2维，“立体”有3个彼此线性无关的“基矢”，因而，是3维。
对于任何维数的空间，必须是有相应个数彼此线性无关的“基矢”。
否则，就不能肯定它的维，或根本就不能构成相应的矢量空间。
我在“博客”中，已结合“相对论”，有多篇系列博文，全面介绍了“时空可变系多线矢无理学“，现在还有一个系列正在进行，都包括具体地讨论物理学中，“维”的问题。
欢迎网友们批评指正、具体参加讨论。
我在标题为“时间的维”的博文，还针对一些，关于是时间与维的不当论点，分析说明“相对论”的4维时空的根据理由和基本特性。
还将针对物理学中多维问题的一些错误观点，作专题的讨论。
也欢迎网友们积极参加。
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