[论文解读] Consequences for special relativity theory of restoring Einstein's neglected additive constants in the Lorentz Transformation

J. H. Field|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2012

Relativity and Gravitational Theory参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文主张爱因斯坦1905年原始的洛伦兹变换忽略了时钟同步的附加常数，当正确应用这些常数时，'同时性的相对性'与'长度收缩'作为真实物理效应的物理有效性被消除。取而代之的是，仅普遍的时间膨胀——与实验证据一致——可区分狭义相对论与伽利略相对论，从而挑战了长期以来对狭义相对论的解释。

ABSTRACT

Evaluation of the additive constants in the space-time Lorentz transformation equations required, according to Einstein, to correctly describe synchronised clocks at different spatial locations, reveals the spurious and unphysical nature of the 'relativity of simultaneity' and 'length contraction' effects of conventional special relativity. Unlike time dilation, there is no experimental evidence for these putative effects. Only a universal (position independent) time dilation effect for different inertial frames distinguishes special from Galilean relativity.

研究动机与目标

• 使用爱因斯坦原始但被忽视的时钟同步附加常数，重新表达洛伦兹变换。
• 挑战标准狭义相对论教科书中将'同时性的相对性'与'长度收缩'视为真实物理效应的物理真实性。
• 论证唯有时间膨胀——普遍依赖于相对速度——才是区分狭义相对论与伽利略相对论的真正物理效应。
• 纠正教学文献与教科书中广泛存在的误解，这些文献错误地将'长度收缩'与'同时性的相对性'视为实验确认的效应。
• 提出新的实验测试，利用近地轨道或GPS卫星探测O(β)量级的'同时性的相对性'效应。

提出的方法

• 推导包含显式附加常数X和T的完整洛伦兹变换，其值取决于时钟同步方式与空间原点的选择。
• 将变换应用于静止于运动参考系S′中位置x′ = χ的时钟，初始同步条件为t = τ与t′ = τ′。
• 利用变换方程推导时钟在S与S′系中的世界线，表明空间坐标不影响时间膨胀。
• 将标准教科书处理方式（对所有x′设X=0, T=0）与正确形式（位置相关常数）进行比较，揭示其中不一致之处。
• 证明若对非原点处的时钟错误假设X=0, T=0，则会产生虚假的'长度收缩'与'同时性的相对性'效应。
• 推导出正确的时间膨胀关系t − τ = γ(t′ − τ′)，其与时钟在S′中的位置无关，表明其具有普遍性且可经实验验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在洛伦兹变换中恢复爱因斯坦原始附加常数会产生哪些物理后果？
• RQ2 为何在标准狭义相对论处理中，'同时性的相对性'与'长度收缩'会作为人为产物出现？
• RQ3 是否存在支持'同时性的相对性'或'长度收缩'的实验观测？抑或它们仅为数学构造？
• RQ4 附加常数的引入如何影响对时钟同步与时间膨胀的物理诠释？
• RQ5 通过使用GPS或近地轨道卫星等系统，能否探测到校正形式所预测的O(β)量级'同时性的相对性'效应？

主要发现

• 标准处理方式错误地假设S′系中非原点处的时钟满足X=0与T=0，导致产生非物理的'长度收缩'与'同时性的相对性'预测。
• 当应用正确附加常数时，空间变换简化为伽利略形式x′(C′) − χ = γ[x(C′) − χ − v(t − τ)]，表明不存在长度收缩。
• 时间膨胀关系t − τ = γ(t′ − τ′)在所有位置均普遍成立且与位置无关，证实仅时间膨胀为真实物理效应。
• '同时性的相对性'效应仅源于错误假设S′系中不同位置的时钟被同步，而非源于物理时空结构本身。
• 本文指出教科书与教学文献中存在系统性错误，导致人们错误地相信'长度收缩'与'同时性的相对性'已被实验验证。
• 作者提出利用卫星系统的新实验，以检验O(β)量级的'同时性的相对性'效应，该效应至今尚未在实验上得到验证。