矢量效應的由來——不是科普的科普_風聞

 那天，又有朋友問我“矢量效應“是什麼意思？其實，很早就想寫篇文章，能夠通俗易懂的把這個解釋清楚，但最終發現，要想把一件你自認為很簡單別人卻認為很複雜的事情解釋清楚，並不是一件很簡單的事情。尤其這中間還間雜着自己內心的一團火，你要知道，越是着急想表達的時候，越是表達不清楚。我終於還是試着讓自己能寧心靜氣，把這一看似複雜深奧的問題能夠以清晰明確而又儘可能簡單的方式闡述清楚。如果你看到這篇文章的結論顛覆了你以往的一些認識，請不要驚訝，我也許只是指出了人類科學發展史上最華麗的一件皇帝的新衣。

時間是否會變慢

在討論這個問題之前，我們得首先明確這是個哲學問題還是一個物理學問題。如果是哲學問題，那麼答案顯然很肯定，時間即會變快也會變慢，因為我想每個人都有過在考場上感受到的“時間飛逝“，又體驗過百無聊賴時候的”度日如年“。作為物理量的”時間“，也許是七個基本物理量中讓人感覺最為神秘的一個，因為我們希望生命永恆；因為我們希望能回到過去和穿越未來；因此我們經常把哲學意義上的時間和物理學意義上的時間相混淆，並由此產生了各種科幻想象。

時間看不見、摸不着，但和其他物理量一樣我們可以測量。時間會不會變慢或者變快，我們需要通過測量來得知，而不是通過哲學思考或者科幻想象，因為物理學是建立在物理量測量實驗基礎之上的科學。

測量的基本原理

什麼是測量？這似乎是一個人人皆知的很簡單的問題——即使是上小學的我女兒的文具盒裏，也裝着小小的三角板和直尺。如果要給“測量”下一個定義的話，**測量就是把被測量和測量標準器相比較並給其賦值的過程。**首先我們需要知道被測量是什麼，其次我們需要根據被測量來選擇合適的測量標準器。如果你掏出一個鐘錶來準備測量長度，相信連我女兒這樣的小學生也會嘲笑你拿錯了東西，順帶會告訴你，測量長度應該用有刻度的三角板或者直尺，鐘錶是用來看時間的。當然，小學生的水平也只能限於這種“直接測量”，如果有了更多的科學知識，用時鐘藉助於其他工具也能測量長度。

被測量、測量標準器和測量方法可以看作測量的三要素。我們可以用有刻度的直尺來測量長度——直接測量；我們也可以利用光速，測量光子的運動時間來測量長度（激光測距儀的原理就是如此）——間接測量。間接測量是我們經常使用的測量方法，被測量和測量標準之間應該符合基本的物理學原理，它們之間有確定數學關係。比如除了前面説的激光測距儀的例子，我們也經常在電路里串聯一個標準電阻，通過測量標準電阻兩端的電壓來測量電路的電流，因為電阻、電流和電壓這三者符合歐姆定律。當然，還有其他各種間接測量的例子，就不一一列舉。

測量總是在一定的測量條件下進行的。如果沒有限定測量條件，那麼給出的測量結果將毫無意義。如果在不同的測量條件下對同一個物理量進行測量，可能會得到不同的測量結果。有兩個原因會造成這種測量結果的不同，一種原因是測量條件改變了被測量的真值，比如金屬材料製成的物體的“熱脹冷縮”；另一種原因就是我們所用的標準器受測量條件的影響而產生測量誤差。測量某種金屬材料的熱膨脹係數，就需要分析清楚在不同的温度條件下測量的長度的不同，究竟是測量標準器受到影響還是被測量真值發生了改變，只有我們對測量誤差做出正確的分析和修正，我們才能根據測量結果得到材料的熱膨脹係數。其他的例子還有很多，比如電阻的測量，電池電壓的測量等等，也不一一列舉和解釋。

總之，我們不能把測量標準器受到測量條件的影響而產生的測量誤差，和被測量真值的改變混為一談。

通過上面的討論，我想你應該能分的清“時鐘變慢”和“時間變慢”的區別。時鐘變慢意味着我們測量時間的標準器受到影響從而產生了測量誤差；而時間變慢意味着被測量時間量的真值發生了改變。舉個簡單的例子，你有一塊手錶每天都快5分鐘，這並不意味着你的時間就比別人每天少5分鐘；或者你所在的工作場所因為磁場等原因，而你的機械錶受此影響每天都慢5分鐘，也並不意味着你天天加班就能讓你的時間每天比別人多5分鐘。

只有給幼稚園孩子看的童話故事裏，時間才會幻化等同於一個時鐘。約翰.德普演的愛麗絲夢遊仙境裏就有一個“時間先生”，他就是一個巨大的鐘表，他停止了轉動，於是時間也就停止了。

我們測量長度要用“尺”，測量時間要用“鍾”，測量質量要用“砝碼”……，這些測量標準器從何而來？要講清楚這個問題，能寫一本書——實際上已經有不止一本書。簡單的説：**測量標準來自於量值的定義。**根據物理量的定義，建立一套技術裝置來複現量值，這在計量學上叫“量值復現”，而把復現量值的技術裝置就作為“基準”。基準的量值再通過“量值傳遞”，一級級向下傳遞到我們所使用的尺，所使用的鐘以及所使用的稱等等。

知道了測量的基本原理，那麼討論一個時間量的測量問題，跟討論其他物理量的測量問題就沒有什麼本質的區別——你需要知道測量的標準器是什麼，測量方法是什麼，分析清楚測量誤差和被測量真值的改變。

長度的矢量效應

“表面上看這是一個吹風機，其實它是一個刮鬍刀。”

“表面上看這是個時間測量問題，其實它是個長度測量問題。“

在講清楚“矢量效應“之前，我們先來看看什麼是測量長度的”尺“。測量長度的尺由米定義得到：光在真空中1/299792458秒的時間內所通過的距離。

根據米定義，**光子運動的時間就是我們測量長度的尺。**因為光速是常數，由光速這一常數乘以光子運動時間就是長度。光子運動時間由什麼來測量？自然是用時鐘了，這是小學生都知道的問題。那麼我們用來測量長度的標準器就是時鐘，由時鐘測量光子的運動時間來表示長度。

只是因為經濟原因，我們平時測量所用的各種標準器，不會是嚴格按照量值定義來製造，只有基準才是（其實，雖然米定義到光速，實現米定義的量值復現依然是某種激光的光波長），它們能足夠滿足我們在一定測量條件下的測量要求。比如我們使用的各種實物尺，就不是如上所説的測量光子運動時間的時鐘。

量值定義的發展，代表了人類科學技術的發展。

我們所使用的各種類型的實物尺，自然會有使用上的侷限，並不能用於所有測量條件下的長度測量，比如，如何用一個實物尺來測量運動物體的長度？除了想當然的認為物體的長度，在物體靜止時和物體運動時是相同的。這種想當然看上去是如此自然，可它並不一定正確。我們需要在物體靜止時，和物體運動時兩種測量條件下分別測量物體的長度，分析清楚測量誤差才能判斷長度的真值是否會因為物體運動而改變。

物體一運動就會“變形”，這看上去很不可思議，但至少不會比“運動讓時間變慢”更讓人不可思議。

根據米定義，我們應該用這種方法測量物體的長度：從物體的一端發射光子，測量其到達另一端的時間。我們假定做這麼兩次測量：1、物體和測量者都保持靜止，從物體的一端發射光子，測量其到達另一端的時間為t，2、讓物體以速度v做勻速直線運動，從物體的一端發射光子，測量其到達另一端的時間為t‘。如果兩次測量得到的t和t’不同，則表示物體長度不同，因為光子運動時間表示的是長度，而這兩次測量，測量者所用時鐘的測量條件（兩次都保持靜止）沒有變化，所以我們沒有理由認為t和t‘不同是因為我們所用時鐘受到影響而產生的測量誤差。

分析清楚上面所説的問題，那麼剩下就是一個很簡單的數學問題了，把光速是常數這一物理學基本原理作為數學條件，求解出t和t‘的關係式。詳細的數學推導見“運動物體長度測量”一文。

光子的運動具有方向性，長度的測量也就有方向性，長度是矢量，當物體相對於測量者運動時，長度的測量與測量方向有關。——我把這命名為“長度的矢量效應”。

光學多普勒頻移現象，是長度的矢量效應最直觀的體現。

轉動圓盤的周長與測量方向有關，順轉動和逆轉動方向周長不同。數學上，可以極其簡潔而完美的得到薩格納克效應公式（光纖陀螺原理）。

自然界中的μ介子，能穿透大氣層到達地面，是因為長度的矢量效應讓空間距離變短，而不是運動讓時間膨脹從而讓其壽命變長。

皇帝的新衣和相聲段子“扒馬褂”

“陛下，這是世界上最美麗的的布，那些不稱職和愚蠢的人都看不見這種布。”

“這是世界上最深奧複雜的科學理論，只有智商在線的才能看懂。”

有個歌唱的“童話裏都是騙人的”，而我要告訴你，童話裏的故事都是真的。

愛因斯坦的狹義相對論也許是人類科學發展史上最華麗的一件皇帝的新衣，所有人都在讚美它，卻沒有一個人真的看懂過它——在“運動物體長度的測量”一文之前。事情雖然看上去令人驚訝，但問題本身卻並不困難和複雜。光子運動的時間表示的是長度而不是時間本身，愛因斯坦搞錯了問題的方向。

洛倫茨座標變換公式數學形式並不完整，僅僅只是運動方向沿着x軸方向，數學上也並不完全正確，其中y‘=y，z’=z在數學上是錯誤的——如果你真的看懂了狹義相對論，這些數學錯誤一目瞭然。y‘=y，z’=z在數學上錯誤的這兩個公式，來源於愛因斯坦對於長度的認識，認為物體在靜止時和運動時長度不變。這種想當然的認識看上去是如此自然，所以直到米定義到光速三十多年後的今天，我們依然如此認為。這是愛因斯坦的歷史侷限，其所處的時代米定義還是在實物尺——國際米原器。

基於對於長度的這種很自然的想當然的認識，愛因斯坦得到了另一個數學錯誤的公式，就是人盡皆知的“運動的時間變慢”。一個最簡單最基本的數學邏輯就是，數學推導的結論不能和前提條件相矛盾，愛因斯坦在推導洛倫茨座標變換公式的時候，並沒有指明t和t‘哪個“快”哪個“慢”，它們具有相同的物理意義，數學推導不能得出一個與此相矛盾的結論。當然，產生這一錯誤，不僅僅是因為歷史侷限——愛因斯坦沒有一個能讓他正確測量長度的尺，愛因斯坦還犯了一個看上去很業餘的錯誤，他不該用想當然的物理學概念來直接替換應有的數學推導過程。

説起“想當然“，讓我想起另一件事。一位檢定員對送檢的樣品沒有檢定，就想當然的認為在實驗室條件完好保存的實物器具，量值不會有變化，於是就按照之前的證書的數據出具了證書。結果這位檢定員受到了最嚴厲的懲罰甚至丟了工作。而對於愛因斯坦的這種對於長度的想當然認識以及由此得到的數學錯誤的公式和結論，人們卻給與了萬般的崇拜和讚美。相比較而言，這位受到懲罰的檢定員的“想當然”多少還有些統計學上的依據。

也正是人們對於愛因斯坦的這種萬般的崇拜和信仰，愛因斯坦在狹義相對論中提出的“光速恆定“才成為了物理學基本原理——雖然在“運動物體長度的測量”一文之前沒有人證明它正確。於是光速成為了常數，“從實物到原子“，於是米定義到了光速，於是我們就有了現在能夠正確測量“運動物體長度”的尺，於是我們就能很簡單的發現愛因斯坦狹義相對論中的數學錯誤。

從物理學和計量學發展歷史來看，很有趣，不是嗎？

工欲善其事，必先利其器。如果把科學研究看作是“事”的話，那麼測量標準就是“器”。科學理論和技術的發展推動了測量標準的發展，測量標準的發展也會給科學的發展帶來革命性的影響。科學發展到今天，“尺”和“鍾”已經和一百多年前愛因斯坦時代完全不同了。如果連什麼是測量長度的尺，什麼是測量時間的鐘都不知道的話，又何以談論關於“時空”的物理學問題呢？充其量只是在用或對或錯的數學工具進行科幻創作。

愛因斯坦當然是歷史上一位偉大的科學家，但每個人所處時代都有可能有其歷史侷限，愛因斯坦也不例外。愛因斯坦不是神。而事實上，愛因斯坦已經成為了神，狹義相對論也成為了物理學上宗教信仰。人們需要神來進行跪拜。

向歷史上那些偉大的科學家，我們應該致以我們的敬意，因為是他們的思想之光照亮了人類科學探索之路，引領了人類的科技文明。而向他們表達我們最大敬意的方式，在我看來是踩在他們肩膀上去探索人類更高的未知領域，而不是匍匐在他們腳下向他們頂禮膜拜。

自然，物理學教科書上所有那些與愛因斯坦狹義相對論“運動的時間變慢”有關的內容都是錯誤的。中國有個傳統相聲段子叫“扒馬褂”，能夠把愛因斯坦數學錯誤的公式與一些物理學現象圓上，自然一件繡有“專家”二字的馬褂就能穿在身上——而且還是“頂級專家”的馬褂。

在沒有人看懂狹義相對論也沒有人能正確解釋諸如薩格納克效應、運動粒子壽命等等這些物理學現象的時候，“專家”怎麼扯，你就只能怎麼信。

**悖論的產生，只是因為存在數學邏輯錯誤。一個數學邏輯正確的物理學理論，不會產生任何悖論。**伽利略説過，物理學理論應該是由數學語言描寫的。物理學理論不需要似是而非的語言解釋。

如果不知道如何在不同測量條件下測量長度和時間，不知道如何區分測量誤差和被測量真值的改變，自然不知道如何在“運動”和“靜止”兩種條件下測量光速。某“專家”就斷言“證明光速恆定是不可能的”，這也是我投到Metrologia雜誌後被這位“專家”據稿的原因。而具有諷刺意味的是，據稿並不是因為他指出了我論文的錯誤，而僅僅是因為他自己蠢！

價值觀

朝聞道，夕死可也。

好德如好色者，未嘗聞也。

寫出“運動物體長度的測量”一文，是一個很深奧複雜的事情嗎？不，它很簡單，科學一向都很簡單，只有神棍才會故弄玄虛。答案早已存在於三十多年前的米定義，就像一顆寶石，躺在馬路上三十多年沒人發現，而我只是一彎腰撿起了它。也許一彎腰就能撿到寶石這麼幸運的事情會觸黴頭，所以才沒有人去做。

就像所有人一樣，撿到寶石的時候，首先自己懷疑這是不是寶石，然後去請教那些“專家”。“他們都是有頭有臉的人物，有很多”民科“去騷擾他們，你要小心。”這是一位朋友對我的忠告，在我準備去尋求“專家”的幫助的時候。

為了避免被認為是“民科”，我很謙卑的先自報家門。我以一種很謙遜的態度視他們為尊重知識從而也值得人尊敬的學者，他們中的很多卻只是給你展示他們有值得別人巴結的地位的傲慢。很多年以前，有為長輩，一位享受政府特殊津貼的某領域的專家就對我説過：“你在那個位置，你就是專家！”直到過了很多年，才發現他説的好有道理！ 

    2016年，原子時誕生50週年學術會議在北京盛大舉行，可以説國際上科學界、計量學界有頭有臉的人物都來了。而在米定義到光速30多年後的今天，計量學界卻依然沒有給科學界闡述清楚什麼是測量長度的“尺”，什麼是測量時間的“鍾”。

只有當愛因斯坦和他的狹義相對論從信仰的神壇倒掉的時候，計量學才會真正成為一門科學，一門從事科學研究基礎性的、關於量值測量的科學。在此之前，“計量是科研的基礎“，”量值定義的發展對於科學的意義“云云的説法，請恕我直言，你們只是在吹牛逼！

注：“運動物體長度的測量“發表於2016年“海峽兩岸計量學術交流研討會”；“The length measurement for object in motion”發表於2017年“IMEKO國際測量技術研討會”並獲得了優秀論文獎