對雙生子佯謬及超距作用的一種可能性解釋

對雙生子佯謬及超距作用的一種可能性解釋作者：秦盛成都鈞盛私募基金管理有限公司郵箱：qinsheng@摘要：本文主要是基于一種更嚴格的雙生子佯謬的假設前提和慣性系假設，在完全對稱的前提下討論時間和空間性質，并且得出了一種新穎的結論：不同參考系同時性是可能實現(xiàn)的、空間具有相對獨立性。并以此為基礎，對雙生子佯謬、宇宙暴脹、量子糾纏的超距作用、粒子的微觀空間運動、測量問題等現(xiàn)象從一個新的角度進行了嘗試性的解釋。這種解釋是探索性的和全新的。同時，作者還提出了一種對空間相對獨立性的實驗檢驗方式。關鍵詞：同時性的絕對性；空間的相對獨立性；狹義相對論；宇宙暴脹；超距作用；測量問題

ApossibleexplanationfortheparadoxoftwinsandoverdistanceactionShengQinChengduJunshengPrivateEquityFundManagementCo.,Ltd，ChengDu610000E-Mail：qinsheng@Abstract:Thispapermainlydiscussesthepropertiesoftimeandspaceonthepremiseofcompletesymmetrybasedonamorestrictassumptionoftwinparadoxandinertialsystem,andcomestoanovelconclusion:thesimultaneityofdifferentreferencesystemsispossibleandspaceisrelativelyindependent.Onthisbasis,wetrytoexplainthetwinparadox,cosmicinflation,theoverdistanceeffectofquantumentanglement,themicrospatialmotionofparticles,measurementproblemsandotherphenomenafromanewangle.Thisexplanationisexploratoryandnew.Atthesametime,theauthoralsoputsforwardanexperimentaltestmethodfortherelativeindependenceofspace.Keywords:Theabsolutenessofsimultaneity;Therelativeindependenceofspace;Specialrelativity;Cosmicinflation;Overdistanceaction;Measurementproblems.1.引言愛因斯坦曾經講過，解決時鐘佯謬的問題超出了狹義相對論的范圍[1]。雖然宇宙線中的粒子衰變能一定程度上的證明時鐘變慢效應[2][3]，但是雙生子佯謬依舊困擾著很多物理學家。例如“孟廣達”等人認為，在狹義相對論范疇內解決雙生子佯謬是不可能的[4]。而“錢尚武”在分析此問題時曾經提到一種方法，那就是利用不同參照系的時間變換進行解釋[5]，其前提條件依舊是運動過程的不對稱性。例如穆勒最早于1972年解決該問題一樣，其前提條件依舊基于非對稱的參考系[6]。而本文希望把雙生子悖論的前提條件設置得更嚴格，建立在完全對稱的基礎上進行討論，以此為基礎我們將推論出與以往不同的結論，那就是在不同的參考系中同時性是可以成立的。另外，我們還推論出了另一個有趣的結論，那就是空間似乎是相對獨立的。雖然過去我們有很多的實驗來證實慣性系空間的統(tǒng)一性,即光速在慣性系中的不變性[7][8]，但是作者在本文中提出的這種方式是獨特的，是基于不同慣性系之間的一種檢測方式。作者發(fā)現(xiàn)用這兩個結論可以很好的解釋很多現(xiàn)象，例如：雙生子佯謬、量子糾纏的超距作用、宇宙暴脹等現(xiàn)象。作者認為這種嘗試性的解釋是可能的。2．對狹義相對論中同時性及空間的一種嘗試性解釋2.1 對愛因斯坦狹義相對論中的“同時性”進行一種新的嘗試性闡釋圖1愛因斯坦火車實驗如上圖1所示，這是經典的愛因斯坦思想實驗中對同時性概念的描述。火車以速度向X軸方向運動，從站臺兩端分別同時發(fā)出一束光。在站臺上中點的觀察者看來這兩束光是同時到達的；然而在火車上的人看來，運動前方的光將比后方的光先到達。因此，愛因斯坦認為同時性是相對的[9]。然而，本文要指出的是：如果火車相對地面的運動速度是已知的，那么火車上的人對于這種站臺上的發(fā)光先后到達的“現(xiàn)象”實際上是可以計算并修正的，火車上的人可以通過計算來消除前后兩束光到達的時間差異，進而修正所謂的“同時性”困惑。經過修正后，會使得火車上的人同樣認識到兩束光發(fā)光的時間也是相同的。如果火車上的人看到運動前方光速到達的時間為，到達時相距前方站臺發(fā)光點距離為；后方的光速到達的時間為，到達時距離后方站臺發(fā)光點距離為，火車與地面相對運動速度為v。那么，經過計算前方站臺發(fā)光的時刻為：，其中；后方站臺發(fā)光的時刻為：，其中；經過修正后，實際上火車上的人看起來，站臺兩端發(fā)光這事件也是同時發(fā)生的，即。2.2對狹義相對論中空間的認識進行一種新的嘗試性解釋圖2不同參考系看到的光速軌跡如上圖2所示，一個物體以速度v相對地面沿X軸方向勻速運動，運動物體內部有一束光從A點發(fā)射到B點。假設運動物體觀察系為系，地面坐標觀察系為系。在系的觀察者看來，這束光是從A到B直線運動的，運動距離為AB之間的直線距離，速度為光速c；但是在系看來，這束光其實是斜線運動的（圖2右方）。根據(jù)光速不變原理，系觀察者就要求系時間變慢，否則就會產生超光速困境。本文要對此修正的是：實際上系和系空間是相對獨立的。對于系觀察者，除非進入到運動物體系的慣性系中，否則這束光對系而言是“看不見”的。系的觀察者要看見系上的一束光的傳播過程，其前提條件是系觀察者首先要對這束光進行觀察，而觀察的前提是：要么這束光與處于S系觀察者慣性系的物質發(fā)生了作用；要么系觀察者進入系進行觀察。因此，所謂的“光速不變”，前提條件是在某個慣性系對光速進行測量得到的。任何對光速的測量，都至少需要該慣性系中的兩點作為參考。因此，在不進行測量的前提下說：“同樣的時間內，在系看來這束光傳播的距離比系要長”，這是不允許的。2.3 狹義相對論對雙生子佯謬的解釋我們知道目前對于雙生子佯謬的理論解釋方式，主要集中在兩個參考系之間的非對稱性，很多文章中會解釋為“火箭加速”的過程導致了這種時間上的差異[10]。然而我們可以對雙生子佯謬的實驗進行重新設計以更好的說明“加速過程”不是造成時間變慢的原因：假設A和B是完全一樣的剛體，上面放置著兩個構造完全相同的時鐘且時鐘指針初始位置一致。雙方以同樣的受力獲得加速后（可以通過連接A和B的彈簧來加速），A和B相對運動速度為v。雙方約定好在時鐘的某個“時刻t”以某種設定好的相同的程序減速并返回，最終經過同樣的方式減速達到相對靜止狀態(tài)。在這樣一個實驗過程中：物體A和B的所有運動過程都是完全對稱的。根據(jù)狹義相對論：當A和B回歸到最終相對靜止狀態(tài)時，A會看到B上的時鐘變慢了；B同樣會看到A上的時鐘變慢了。如果相對于A和B，有一個地面觀察者是第三觀察者，會發(fā)現(xiàn)A和B的整個運動過程是完全對稱的，包括時鐘指針的位置。整個過程我們不可能發(fā)現(xiàn)A或者B相對于對方在運動過程中有任何獨特的優(yōu)勢，因此我們難以解釋狹義相對論中“時鐘變慢”的困境。因此，雙生子佯謬的困境，是實實在在存在的，不能通過加速過程的差異得以消除。3．定義慣性系中的時間、空間及同時性3.1論慣性系我們假定任何慣性系物理定律是相同的，實際上就相當于假定任何慣性系中的全同物質之間相互作用的物理規(guī)律都是相同的。例如，我們假定電子、質子、中子是全同粒子，以此構成的原子核、原子核與核外電子的作用、質量、能量之間的物理關系在任何慣性系中都是一致的。在任何慣性系中，我們都可以用某個固定能量的光子作為基礎來定義統(tǒng)一的能量、質量、長度、時間等物理單位標準。例如，我們可以用某個已知的氫原子能級對應頻率為的光子，來統(tǒng)一的定義任何慣性系中的1秒鐘時間為該能級的光子震蕩次對應的時間；同時,可以以該光子的波長來定義長度單位；以該光子的能量來定義質量單位等等。我們首先認為，在所有慣性系中，由這樣統(tǒng)一定義的時間、空間、長度、能量等物理單位都是一致的，由這樣統(tǒng)一定義的單位所衍生出來的物理定律都一致。而對于非慣性系，如果我們能計算出其中的非慣性因素（例如引力場、電磁場、加速度等）對這些基礎全同粒子的質量、能量、長度的影響，那么我們也同樣可以一致的定義非慣性系中的時間、長度、質量等基礎物理量。而隱藏在：“所有慣性系物理定律都相同”這條假設的背后，我們將發(fā)現(xiàn)需要有一個更深刻的前提條件：空間的相對獨立性。也就是慣性系的空間必須是相對獨立的，如果慣性系的空間不具備獨立性而受到與其他慣性系相對運動狀態(tài)的影響（例如相對運動速度、相對距離等），那么這些變量無疑將會直接作用到該慣性系所在的所有物質的相互關系。除非這種作用對于慣性系中的所有物質之間的物理關系，是完全等比例的且線性的，否則我們將很難得到“所有慣性系物理定律一致”這樣的性質。3.2定義時間和長度根據(jù)前面的規(guī)定，我們就可以統(tǒng)一定義不同慣性系中的時間和長度：（1）以某種全同光子的頻率和波長，統(tǒng)一定義不同慣性系中的時間和長度。（2）那么，我們可以推論兩根構造完全相同的剛性尺子，在兩個不同慣性系中對應的長度應該是一致的（以上述定義的長度分別在不同的慣性系中進行測量得到的結果應該相同），否則就需要不同的物理定律去解釋其差異，這將違背我們對慣性系的假定。（3）在任何非慣性系（加速場或者引力場），在充分考慮了加速或者引力的影響后，我們以此為基礎定義的時間和長度，所測得的相同的質量、長度、時間等物理量應該也是一樣的。定義：同時性。兩個事件同時發(fā)生，指的是在兩個參考系系和系中，分別在某個時刻和向它們的中點發(fā)出一束光（或者按照某種相同方式定義的某個速度為的物體），在充分考慮了空間的對稱性或非對稱性的影響之后，它們是同時到達中點的。則我們稱系中的時刻和系中的時刻是同時發(fā)生的。4同時性的絕對性和空間的相對獨立性的證明4.1對于保持相對靜止的兩個參考系我們假設有兩個相對靜止的參考系系和系（例如兩個相對靜止的慣性系、引力場中兩個相對靜止的物體）圖3靜系中來回反射的光束從系中A點向系中B點發(fā)射一束光并來回反射。（注意，我們在此并不需要假設來回光速c一致，也不需要假設在系和系看來光速都一致，只需要保證來回反射的光子回到初始狀態(tài)時頻率一致即可，因為路徑是重復的）假設每次光子被反射的“時刻”對應的系或系“當?shù)亍睍r間分別為：、、、、、、、、、，如圖3所示。我們假設：，是系和系之間的時間變換函數(shù)。結論1：我們首先證明是線性的。證明：假設在系看來，從A到B光速傳播需要時間，來從B回到A需要時間。相應的在系看來從A到B和從B到A需要的時間分別為和，則有如下關系：由于在系看來，，因此，等式左邊是線性的，等式右邊的變量關系也是線性的，兩個坐標系的時間間隔和是線性關系，因此是線性的。證畢。因此，我們可以進一步假設系和系之間的時間函數(shù)的線性關系為，，實際上如果是一個真實的物理實驗，我們馬上可以通過實驗數(shù)據(jù)求出系數(shù)b和k。結論2：證明k=1。證明：首先，根據(jù)慣性系的假設，在任何參考系中質能方程和普朗克公式：（為光子頻率）均成立，并且可驗證全同物質具有相同的質量（例如電子、質子、中子等）。我們假定已經按照前面所述的方式統(tǒng)一定義了系和系的時間，由于，那么，根據(jù)我們前面對時間的定義，如果k<1，按照同時性的定義，則意味著S系過去了1秒，而中并未過去1秒。也意味著相同能量的光子在S系中的“1秒鐘”時間內震動了次，但是同時在系中只震動了次。然而在上述的思想實驗中，光子在系和系看來，傳播過程對應的時間分別為和、和，所對應的光子傳播路程和是完全一樣的。那么也就意味著光子無論在S系還是系看來，光子在這段距離和的傳播過程中震動的次數(shù)n都是相同的。那么也就意味著無論從系還是看來，和、和都對應著能量相同的光子震動了相同次數(shù)n，因此根據(jù)我們前面對于時間的定義，將得到如下結論：，。因此，k=1。證畢。（備注：對于光子是否處于引力場或加速場，是否產生引力紅移等效應并不影響以上結論。因為無論光子是否有引力紅移，其傳播過程中所震蕩次數(shù)都不會改變）結論3：在任何相對靜止的參考系中，我們只需要適當調整兩個構造相同的時鐘的指針位置，就能得到一系列在各處指針走勢完全相同的同時性時鐘。這既適合于慣性系，也適合于處于引力空間的兩個相對靜止的參考系，同時適合于處于相對靜止狀態(tài)的的加速系。4.2對于處于相對運動狀態(tài)的兩個參考系的證明4.2.1完全對稱性情況兩個構造完全相同的剛體A和B，獲得相同的加速度過程后（例如用一根彈簧連接A和B兩端獲得加速），A和B的相對運動速度變?yōu)関，運動方向為X軸方向（A和B的X軸方向相同）。根據(jù)對稱性，我們不應該認為A和B任何一方具有相對優(yōu)勢，例如認為A的時間相比B的時間更快，或者A的長度相對B在運動方向上收縮等。根據(jù)我們在靜系中的結論，我們顯然可以在A和B上都沿著其運動方向放置一系列等距離且走勢一致的時鐘，在A系看來A系上的時鐘走勢是完全同步且嚴格同時的；B系看來B系上放置的時鐘也是完全同步且嚴格同時的。如下圖4所示（假設加速后A向左運動，B向右運動）：圖4對稱加速的剛體及時鐘假設這些時鐘在各自坐標系的坐標位置分別為：其間隔在各自參考系中都相等，且在靜止狀態(tài)下比較A系和B系這些時鐘的間隔都相等，即：且：我們假設A和B加速后，在時刻A系和B系坐標原點重合，且和正好處于A系和B系x=0的位置，此時A和B上的所有時鐘指針位置都是時刻。假設在A系看來經過后正好與坐標重合（此時與重合……與重合），時間內A相對B運行的距離為。由于“重合”是一個事實，無論是A系看來還是B系看來，該事件都只會在某個時刻發(fā)生一次。那么我們顯然就可以得出結論：在A系的某個時刻，(n=0,1,2,3,……)，將分別與依次相互重合（需要順移相應位置順序）。我們假設A系和B系之間的時間函數(shù)和長度函數(shù)為:那么根據(jù)對稱性就有：因此,在每次A系和B系時鐘重合時刻比對A系和B系上的時鐘，那么一定能看到兩個坐標系上面的時鐘指針位置是一樣的。同時，如果某兩個時鐘對應的坐標點在某個時刻不重合，就會產生相對運動速度不等于v的情形。例如，如果在時刻和重合，而時刻和不重合，那么當經過時間后，根據(jù)勻速運動的假設在的時刻我們將看到與重合。但是因為時刻和不重合，那么此時計算在時間內的運動速度將得到不是v。因此我們得到如下重要結論：結論4：A和B在運動方向上的相對長度實際上是無變化的。結論5：由于慣性系A和B的長度對應的是某個頻率的光子震動的次數(shù)和傳播的距離，因此又可以推論兩個參考系A和B的時鐘走勢是完全同步且嚴格同時的。4.2.2對于兩個非對稱的，相對運動速度為v的物體C和D我們可以構建兩個全同的剛體A和B，它們一開始相對靜止，且分別相對于C和D的速度大小都相同，方向相反（例如相對C的速度為v/2，而相對D的速度為-v/2）。如下圖5所示：圖5非對稱相對運動的物體然后令A和B分別向兩個方向做對稱的加速運動，加速后使得A相對于C保持靜止，B相對于D保持靜止。此時由于A和C相對靜止，根據(jù)之前我們在靜系中的結論，它們之間的時鐘指針走勢經過調整后將會是完全同步且嚴格同時的。同樣的對于B和D也是如此。根據(jù)上面動系中的思想實驗的結論：A和B之間無論是長度還是時間，都是對稱且相等的。那么也就意味著C和D之間的時鐘也是完全同步的。假如C和D是剛體，且處于慣性系中，其運動方向上長度也會完全相等。結論6：無論是靜系還是動系，在慣性系中的同時性是嚴格成立的，不存在相對論時間變慢的效應；長度也是絕對相等的，不存在運動方向的長度收縮的問題。即使在非慣性系中，當我們充分考慮了非慣性因素的影響后，這些結論依舊成立。5空間的相對獨立性解釋及實驗檢驗設計我們還是以兩個全同的剛體A和B的思想實驗為例，A和B相對運動速度為v。我們在前面已經證明了其長度和時間的相等性質。那么我們假設時刻和正好處于相同位置（X軸坐標重合），在時刻分別從A和B的和坐標位置同時向前方發(fā)射一束光，分別經過后（兩個坐標系的時間一致），A系的光束到達，B系的光束到達，如下圖6所示：圖6空間相對獨立性的實驗檢驗時刻，和相距的距離為，也就是說實際上出現(xiàn)了我們所謂的“超光速”現(xiàn)象，假如我們在處放置一個鏡子把B系的光束反射到A參考系中緊鄰的一點（忽略兩個參考系之間的距離），那么我們可以發(fā)現(xiàn)當A系的光到達時，B系的光經過鏡子反射后將同時達到處，兩束光是在時刻同時到達的。其原因并不是因為真的發(fā)生了“超光速”現(xiàn)象，而是由于A和B的空間的相對獨立性引起的。以上的思想實驗室可以通過實驗進行檢驗的，我們的確可以通過這種空間的相對獨立性，把同一束光先發(fā)射到B參考系，然后通過B參考系的鏡子向前反射，最后到達某個點后再次通過鏡子反射回A參考系。只要A和B相對運動速度足夠大，我們就能獲得一個非常顯著的“超光速”效應。（備注：截止目前，作者還沒查到有科學家做過類似的實驗。我們以往的對光速進行測量的實驗，都是基于同一個慣性系進行的）6.同時性的絕對性和空間相對獨立性的應用：對量子糾纏、超巨作用、宇宙爆脹、牛頓水桶實驗和馬赫原理、測量問題的解釋6.1量子糾纏態(tài)問題及超距作用正是由于空間具備相對的獨立性，那么就會允許兩個量子之間處于一種獨立的糾纏態(tài)狀態(tài)。測量，意味著對這種糾纏態(tài)獨立空間的破壞，也意味著測量后糾纏粒子所在空間和測量所在的觀察空間的統(tǒng)一。在測量以前，我們可以認為糾纏粒子處于一個相對獨立的空間。如果空間不具備相對的獨立性，我們是不可能在不影響被測量糾纏粒子的前提下，把兩個相互糾纏態(tài)的粒子分開的。而對于糾纏態(tài)粒子的超距作用，實際上在我們嚴格證明了“同時性的絕對性”后，就會自然得到解釋?！巴瑫r性的絕對性”保證了兩個粒子之間的能量、動量、角動量的瞬時守恒問題。反過來，如果沒有“絕對的同時性”作為保證，空間的相對獨立性也就得不到保證。因為空間的相對獨立性所造成的物質之間的能量、動量等守恒問題，必須通過絕對的同時性才能夠得以保證。6.2原子中的粒子運行軌道問題我們目前以不確定性原理來回答粒子在微觀層面的問題，其假設的前提是：我們一直認為微觀粒子的時空與我們觀測者的時空是統(tǒng)一的，只有在統(tǒng)一的時空中，我們才能統(tǒng)一的規(guī)定粒子的位置、速度等信息。然而如果粒子在微觀領域其空間具有相對的獨立性，那么我們在觀測前將會無法預言其在獨立空間中的狀態(tài)，包括速度、位置等信息。在觀測以前我們不能去定義另一個獨立空間中的粒子的位置、速度等信息，除非我們對它進行測量。6.3宇宙膨脹的一個思想實驗我們假設有物體，物體沿著X軸方向運動，每個物體上都有一個透鏡。其中相對的速度為v，相對的速度為v，相對的速度為v，以此類推，后面的物體相對前面物體的速度都為v，如下圖7所示：圖7宇宙暴脹思想實驗（備注：圖中標注的速度v，指的是相對前一個物體的相對運動速度，而不是相對觀察者）我們假設nv>c，其中c為光速。那么我們將得到如下結論：和之間的空間膨脹速度將會超過光速。如果有一束光從出發(fā)分別穿過、……上面的一個個透鏡直到，上有一個反射鏡，然后再把光束原路反射回來。為了簡便計算，我們假設一共只有這四個物體，它們相對于前一個物體運動速度為c/2，即相對于以c/2運動，相對于以c/2運動，相對于以c/2運動，其中c為光速。我們假設時刻有一束光從出發(fā)向發(fā)射，時刻和、和、與的距離都是。這束光從到傳播需要的時間為；光子到達的時刻為。時刻、之間的距離為，光束在時刻從出發(fā)到所需要時間為；因此光束到達時的時刻為，此時和的距離為；光束在時刻從出發(fā)到需要的時間為，光束到達是的時刻為。當光束到達時，時刻和的距離我們假設為，和的距離為，和的距離為，則有：此時到的實際距離為：，相比時刻到的距離，增加了；而光速從到所用的時間僅僅過去了，因此和之間的空間膨脹速度為：很顯然和之間的空間膨脹的速度超越了光速c。同時，光子依舊可以原路返回，分別經過，最后回到，光子并不會因為和之間的空間的超光速膨脹而無法到達，因為空間是相對獨立的。推論：宇宙的這種超光速膨脹并不意味著兩端的光子將永遠無法到達對方，而是會經過一個個相對獨立的空間到達對方。然而根據(jù)狹義相對論的速度變換公式，我們知道和的相對速度不會超過光速，因此它們之間的距離增加速度不會超過光速。之所以會這樣，是因為狹義相對論中沒有對空間的相對獨立性進行區(qū)分，把兩個相對獨立的空間混同成一個公共的空間。6.4對牛頓水桶實驗和馬赫原理的解釋我們知道牛頓以水桶實驗來理解絕對空間；而馬赫以水桶中的水是相對整個宇宙運動來解釋相對性原理[11]。那么，我們下面考慮如下思想實驗：物體A、B和C、D靜止質量分別為2m，一開始A、B、C、D與S系保持靜止狀態(tài)。然后通過消耗自身質量轉化為相對運動速度，相對S的速度大小分別為v(沿著S系的X軸方向運動)，A、B和C、D分別消耗掉自身質量為m對應的能量。如下圖7所示：圖8對馬赫原理的解釋此時，根據(jù)動量守恒和能量守恒，在S系看來A、B、C、D的動質量相等且都等于：其中：，因此在S系看來A、B和C、D加速前后能量和動量都是守恒的。根據(jù)狹義相對論速度變換公式[9]，在A看來B和D的速度和為：而此時從A系的角度看，B和D的動質量和為：那么從A系的角度看到的A和B的總質量（對應總能量）為：也就是說，如果按照相對論變換公式計算，加速后在A看來，A和B的總質量和總能量增加了。然而根據(jù)能量守恒定律，這是不可能的。而如果A和D相撞，相撞后其靜止質量將會是4m，而不會是。出現(xiàn)這種原因的解釋：實際上物體A和B的加速過程是有意義的，我們談論A和B的相對運動速度并不完全是僅僅和相對運動的物體A和B相關，而是同加速的過程及其加速的相對空間S系相關。而所謂的加速相對的空間，實際上就是由加速物體A和B及S系所構成的一個“相對獨立”空間，這是加速前的慣性系空間。因此，正如馬赫原理指出的，水桶里的水運動的相對的“空間”，是由我們宇宙物質所構成的總空間決定的，能量動量的守恒由“絕對的同時性”來保證。結論7：空間是由物質所決定和定義的，我們宇宙的能量守恒和動量守恒由“