就相对论的几个实验证实问题答KC先生

有一位KC先生在“广义相对论百年”一文后的评论栏中问了一个问题：

王老師好:
按你的說法, 廣義相對論對時間和空間的理解不正確, 對於以下三個實驗的結果, 你是如何去理解?
1. Rossi and Hall (1941)
2. Pound, Rebka (1959)
3. Hafele and Keating (1971)

以下是我的答复

KC 先生您好！

您所说的这三个实验我都已经作过详细的分析。Pound and Rebka 的实验在“广义相对论百年”一文中有仔细的分析。我不能说得比那更清楚了。兹不赘述。其他两个实验在我十七年前的文章中也有非常详细的分析。您可找到这篇文章细读：”Symmetric Experiment to Test Time Dilation”, Ling Jun Wang, Proceedings of the Centennial Meeting of American Physical Society at Atlanta, Vol.44 No.1, Part II, (1160), March 1999. 或者 “Symmetrical Experiments to Test Clock Paradox”, Ling Jun Wang, Physics and Modern Topics in Mechanical and Electrical Engineering,  p 45, Ed., Nikos Mastorakis, World Scientific and Engineering Society Press, ISBN: 960-8052-10-6, July 1999.

简言之，Hafele and Keating 1971 年的原子钟环球实验的问题主要是电子设备和数据处理的问题。分析比较繁琐，应该看我的原文。Rossi and Hall 1941年的 miu介子衰变实验涉及到一个比较根本的理论或者说概念问题，那就是：粒子（不光是介子）的衰变几率能不能作为时间的可靠量度？答案是：如衰变粒子是静止的或者基本静止的，比如古尸中的碳14，其衰变率可以作为时间的量度，这种条件下定义半衰期是有意义的。但是如果粒子在高速运动，衰变率就不能用于测量时间，因为我们面对的不是此粒子独立的物理过程，而是一个散射过程，是运动粒子与散射靶相互作用的过程。此时的衰变率不是由粒子本身单独决定的，而是由粒子和靶两者的物理性质决定的。一般地说，相互作用是需要时间的。粒子速度越快，反应时间越短，所以高能粒子束的损失就相对地少。这种现象被相对论者解释为能量越高，速度越高，粒子寿命就越长。其实是巧合。如果你能够改变粒子的能量，并且测量出粒子“寿命”对速度或者能量的连续依赖关系，就会发现，这种依赖关系不遵从爱因斯坦延缓的理论预言。您可以参看Hans Frauenfelder 和Ernest Henley的 “Subatomic Physics”一书 [Second Edition, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey 07632, ISBN 0-13-859430-9, 1991]。该书109页图5.29是tao介子散射截面对能量的依赖关系。您可以看到，这种依赖关系根本就不是一个单调函数，和狭义相对论的gamma因子风马牛不相及。事实上，没有任何一个散射实验的能谱曲线支持狭义相对论。Rossi  和 Hall 1941年的 miu介子衰变实验是miu介子与空气的散射实验，并没有连续的能量谱。

有一个例子可以帮助理解“反应时间”的概念。我们知道许多铀反应堆里用重水。其作用有二。一是冷却，二是减慢中子的速度以增加中子与铀核的反应时间。 速度越高，反应时间越短，粒子寿命就越长。 我们平时所说中子的半衰期，是指通常实验室条件下的中子衰变。我们没有不同速度下的中子寿命数据对狭义相对论的支持。

还有一个例子可以说明粒子散射造成的衰变不能可靠地用作时间或粒子寿命的量度。1934年中央红军从井冈山突围时有十几万人。经过二万五千里长征，一年以后到达陕北时，只剩一万多人，约百分之十。百分之九十经过各种散射相互作用（国民党的围追堵截，雪山草地的消耗，开小差，疾病等等）而消失了。如果以这种散射数据放在指数衰变公式中计算，得出的衰变时间是0.43年。能不能说红军战士的自然寿命只有0.43年呢？如果没有国民党的围追堵截和雪山草地和生老病死，到达陕北的就可能是99.9%，相应的衰变时间是1000年。这是不是意味着红军战士的自然寿命是一千年？这种散射实验反应的是粒子和散射靶（环境）之间非常复杂的相互作用，而不是自然寿命。

注： 刚收到孙南生教授的来信，对本文提出了宝贵的专业意见。来信照登：

王教授：您好！