矢量效应的由来——不是科普的科普

 那天，又有朋友问我“矢量效应“是什么意思？其实，很早就想写篇文章，能够通俗易懂的把这个解释清楚，但最终发现，要想把一件你自认为很简单别人却认为很复杂的事情解释清楚，并不是一件很简单的事情。尤其这中间还间杂着自己内心的一团火，你要知道，越是着急想表达的时候，越是表达不清楚。我终于还是试着让自己能宁心静气，把这一看似复杂深奥的问题能够以清晰明确而又尽可能简单的方式阐述清楚。如果你看到这篇文章的结论颠覆了你以往的一些认识，请不要惊讶，我也许只是指出了人类科学发展史上最华丽的一件皇帝的新衣。

时间是否会变慢

在讨论这个问题之前，我们得首先明确这是个哲学问题还是一个物理学问题。如果是哲学问题，那么答案显然很肯定，时间即会变快也会变慢，因为我想每个人都有过在考场上感受到的“时间飞逝“，又体验过百无聊赖时候的”度日如年“。作为物理量的”时间“，也许是七个基本物理量中让人感觉最为神秘的一个，因为我们希望生命永恒；因为我们希望能回到过去和穿越未来；因此我们经常把哲学意义上的时间和物理学意义上的时间相混淆，并由此产生了各种科幻想象。

时间看不见、摸不着，但和其他物理量一样我们可以测量。时间会不会变慢或者变快，我们需要通过测量来得知，而不是通过哲学思考或者科幻想象，因为物理学是建立在物理量测量实验基础之上的科学。

测量的基本原理

什么是测量？这似乎是一个人人皆知的很简单的问题——即使是上小学的我女儿的文具盒里，也装着小小的三角板和直尺。如果要给“测量”下一个定义的话，测量就是把被测量和测量标准器相比较并给其赋值的过程。首先我们需要知道被测量是什么，其次我们需要根据被测量来选择合适的测量标准器。如果你掏出一个钟表来准备测量长度，相信连我女儿这样的小学生也会嘲笑你拿错了东西，顺带会告诉你，测量长度应该用有刻度的三角板或者直尺，钟表是用来看时间的。当然，小学生的水平也只能限于这种“直接测量”，如果有了更多的科学知识，用时钟借助于其他工具也能测量长度。

被测量、测量标准器和测量方法可以看作测量的三要素。我们可以用有刻度的直尺来测量长度——直接测量；我们也可以利用光速，测量光子的运动时间来测量长度（激光测距仪的原理就是如此）——间接测量。间接测量是我们经常使用的测量方法，被测量和测量标准之间应该符合基本的物理学原理，它们之间有确定数学关系。比如除了前面说的激光测距仪的例子，我们也经常在电路里串联一个标准电阻，通过测量标准电阻两端的电压来测量电路的电流，因为电阻、电流和电压这三者符合欧姆定律。当然，还有其他各种间接测量的例子，就不一一列举。

测量总是在一定的测量条件下进行的。如果没有限定测量条件，那么给出的测量结果将毫无意义。如果在不同的测量条件下对同一个物理量进行测量，可能会得到不同的测量结果。有两个原因会造成这种测量结果的不同，一种原因是测量条件改变了被测量的真值，比如金属材料制成的物体的“热胀冷缩”；另一种原因就是我们所用的标准器受测量条件的影响而产生测量误差。测量某种金属材料的热膨胀系数，就需要分析清楚在不同的温度条件下测量的长度的不同，究竟是测量标准器受到影响还是被测量真值发生了改变，只有我们对测量误差做出正确的分析和修正，我们才能根据测量结果得到材料的热膨胀系数。其他的例子还有很多，比如电阻的测量，电池电压的测量等等，也不一一列举和解释。

总之，我们不能把测量标准器受到测量条件的影响而产生的测量误差，和被测量真值的改变混为一谈。

通过上面的讨论，我想你应该能分的清“时钟变慢”和“时间变慢”的区别。时钟变慢意味着我们测量时间的标准器受到影响从而产生了测量误差；而时间变慢意味着被测量时间量的真值发生了改变。举个简单的例子，你有一块手表每天都快5分钟，这并不意味着你的时间就比别人每天少5分钟；或者你所在的工作场所因为磁场等原因，而你的机械表受此影响每天都慢5分钟，也并不意味着你天天加班就能让你的时间每天比别人多5分钟。

只有给幼稚园孩子看的童话故事里，时间才会幻化等同于一个时钟。约翰.德普演的爱丽丝梦游仙境里就有一个“时间先生”，他就是一个巨大的钟表，他停止了转动，于是时间也就停止了。

我们测量长度要用“尺”，测量时间要用“钟”，测量质量要用“砝码”……，这些测量标准器从何而来？要讲清楚这个问题，能写一本书——实际上已经有不止一本书。简单的说：测量标准来自于量值的定义。根据物理量的定义，建立一套技术装置来复现量值，这在计量学上叫“量值复现”，而把复现量值的技术装置就作为“基准”。基准的量值再通过“量值传递”，一级级向下传递到我们所使用的尺，所使用的钟以及所使用的称等等。

知道了测量的基本原理，那么讨论一个时间量的测量问题，跟讨论其他物理量的测量问题就没有什么本质的区别——你需要知道测量的标准器是什么，测量方法是什么，分析清楚测量误差和被测量真值的改变。

长度的矢量效应

“表面上看这是一个吹风机，其实它是一个刮胡刀。”

“表面上看这是个时间测量问题，其实它是个长度测量问题。“

在讲清楚“矢量效应“之前，我们先来看看什么是测量长度的”尺“。测量长度的尺由米定义得到：光在真空中1/299792458秒的时间内所通过的距离。

根据米定义，光子运动的时间就是我们测量长度的尺。因为光速是常数，由光速这一常数乘以光子运动时间就是长度。光子运动时间由什么来测量？自然是用时钟了，这是小学生都知道的问题。那么我们用来测量长度的标准器就是时钟，由时钟测量光子的运动时间来表示长度。

只是因为经济原因，我们平时测量所用的各种标准器，不会是严格按照量值定义来制造，只有基准才是（其实，虽然米定义到光速，实现米定义的量值复现依然是某种激光的光波长），它们能足够满足我们在一定测量条件下的测量要求。比如我们使用的各种实物尺，就不是如上所说的测量光子运动时间的时钟。

量值定义的发展，代表了人类科学技术的发展。

我们所使用的各种类型的实物尺，自然会有使用上的局限，并不能用于所有测量条件下的长度测量，比如，如何用一个实物尺来测量运动物体的长度？除了想当然的认为物体的长度，在物体静止时和物体运动时是相同的。这种想当然看上去是如此自然，可它并不一定正确。我们需要在物体静止时，和物体运动时两种测量条件下分别测量物体的长度，分析清楚测量误差才能判断长度的真值是否会因为物体运动而改变。

物体一运动就会“变形”，这看上去很不可思议，但至少不会比“运动让时间变慢”更让人不可思议。

根据米定义，我们应该用这种方法测量物体的长度：从物体的一端发射光子，测量其到达另一端的时间。我们假定做这么两次测量：1、物体和测量者都保持静止，从物体的一端发射光子，测量其到达另一端的时间为t，2、让物体以速度v做匀速直线运动，从物体的一端发射光子，测量其到达另一端的时间为t‘。如果两次测量得到的t和t’不同，则表示物体长度不同，因为光子运动时间表示的是长度，而这两次测量，测量者所用时钟的测量条件（两次都保持静止）没有变化，所以我们没有理由认为t和t‘不同是因为我们所用时钟受到影响而产生的测量误差。

分析清楚上面所说的问题，那么剩下就是一个很简单的数学问题了，把光速是常数这一物理学基本原理作为数学条件，求解出t和t‘的关系式。详细的数学推导见“运动物体长度测量”一文。

光子的运动具有方向性，长度的测量也就有方向性，长度是矢量，当物体相对于测量者运动时，长度的测量与测量方向有关。——我把这命名为“长度的矢量效应”。

光学多普勒频移现象，是长度的矢量效应最直观的体现。

转动圆盘的周长与测量方向有关，顺转动和逆转动方向周长不同。数学上，可以极其简洁而完美的得到萨格纳克效应公式（光纤陀螺原理）。

自然界中的μ介子，能穿透大气层到达地面，是因为长度的矢量效应让空间距离变短，而不是运动让时间膨胀从而让其寿命变长。

皇帝的新衣和相声段子“扒马褂”

“陛下，这是世界上最美丽的的布，那些不称职和愚蠢的人都看不见这种布。”

“这是世界上最深奥复杂的科学理论，只有智商在线的才能看懂。”

有个歌唱的“童话里都是骗人的”，而我要告诉你，童话里的故事都是真的。

爱因斯坦的狭义相对论也许是人类科学发展史上最华丽的一件皇帝的新衣，所有人都在赞美它，却没有一个人真的看懂过它——在“运动物体长度的测量”一文之前。事情虽然看上去令人惊讶，但问题本身却并不困难和复杂。光子运动的时间表示的是长度而不是时间本身，爱因斯坦搞错了问题的方向。

洛伦茨坐标变换公式数学形式并不完整，仅仅只是运动方向沿着x轴方向，数学上也并不完全正确，其中y‘=y，z’=z在数学上是错误的——如果你真的看懂了狭义相对论，这些数学错误一目了然。y‘=y，z’=z在数学上错误的这两个公式，来源于爱因斯坦对于长度的认识，认为物体在静止时和运动时长度不变。这种想当然的认识看上去是如此自然，所以直到米定义到光速三十多年后的今天，我们依然如此认为。这是爱因斯坦的历史局限，其所处的时代米定义还是在实物尺——国际米原器。

基于对于长度的这种很自然的想当然的认识，爱因斯坦得到了另一个数学错误的公式，就是人尽皆知的“运动的时间变慢”。一个最简单最基本的数学逻辑就是，数学推导的结论不能和前提条件相矛盾，爱因斯坦在推导洛伦茨坐标变换公式的时候，并没有指明t和t‘哪个“快”哪个“慢”，它们具有相同的物理意义，数学推导不能得出一个与此相矛盾的结论。当然，产生这一错误，不仅仅是因为历史局限——爱因斯坦没有一个能让他正确测量长度的尺，爱因斯坦还犯了一个看上去很业余的错误，他不该用想当然的物理学概念来直接替换应有的数学推导过程。

说起“想当然“，让我想起另一件事。一位检定员对送检的样品没有检定，就想当然的认为在实验室条件完好保存的实物器具，量值不会有变化，于是就按照之前的证书的数据出具了证书。结果这位检定员受到了最严厉的惩罚甚至丢了工作。而对于爱因斯坦的这种对于长度的想当然认识以及由此得到的数学错误的公式和结论，人们却给与了万般的崇拜和赞美。相比较而言，这位受到惩罚的检定员的“想当然”多少还有些统计学上的依据。

也正是人们对于爱因斯坦的这种万般的崇拜和信仰，爱因斯坦在狭义相对论中提出的“光速恒定“才成为了物理学基本原理——虽然在“运动物体长度的测量”一文之前没有人证明它正确。于是光速成为了常数，“从实物到原子“，于是米定义到了光速，于是我们就有了现在能够正确测量“运动物体长度”的尺，于是我们就能很简单的发现爱因斯坦狭义相对论中的数学错误。

从物理学和计量学发展历史来看，很有趣，不是吗？

工欲善其事，必先利其器。如果把科学研究看作是“事”的话，那么测量标准就是“器”。科学理论和技术的发展推动了测量标准的发展，测量标准的发展也会给科学的发展带来革命性的影响。科学发展到今天，“尺”和“钟”已经和一百多年前爱因斯坦时代完全不同了。如果连什么是测量长度的尺，什么是测量时间的钟都不知道的话，又何以谈论关于“时空”的物理学问题呢？充其量只是在用或对或错的数学工具进行科幻创作。

爱因斯坦当然是历史上一位伟大的科学家，但每个人所处时代都有可能有其历史局限，爱因斯坦也不例外。爱因斯坦不是神。而事实上，爱因斯坦已经成为了神，狭义相对论也成为了物理学上宗教信仰。人们需要神来进行跪拜。

向历史上那些伟大的科学家，我们应该致以我们的敬意，因为是他们的思想之光照亮了人类科学探索之路，引领了人类的科技文明。而向他们表达我们最大敬意的方式，在我看来是踩在他们肩膀上去探索人类更高的未知领域，而不是匍匐在他们脚下向他们顶礼膜拜。

自然，物理学教科书上所有那些与爱因斯坦狭义相对论“运动的时间变慢”有关的内容都是错误的。中国有个传统相声段子叫“扒马褂”，能够把爱因斯坦数学错误的公式与一些物理学现象圆上，自然一件绣有“专家”二字的马褂就能穿在身上——而且还是“顶级专家”的马褂。

在没有人看懂狭义相对论也没有人能正确解释诸如萨格纳克效应、运动粒子寿命等等这些物理学现象的时候，“专家”怎么扯，你就只能怎么信。

悖论的产生，只是因为存在数学逻辑错误。一个数学逻辑正确的物理学理论，不会产生任何悖论。伽利略说过，物理学理论应该是由数学语言描写的。物理学理论不需要似是而非的语言解释。

如果不知道如何在不同测量条件下测量长度和时间，不知道如何区分测量误差和被测量真值的改变，自然不知道如何在“运动”和“静止”两种条件下测量光速。某“专家”就断言“证明光速恒定是不可能的”，这也是我投到Metrologia杂志后被这位“专家”据稿的原因。而具有讽刺意味的是，据稿并不是因为他指出了我论文的错误，而仅仅是因为他自己蠢！

价值观

朝闻道，夕死可也。

好德如好色者，未尝闻也。

写出“运动物体长度的测量”一文，是一个很深奥复杂的事情吗？不，它很简单，科学一向都很简单，只有神棍才会故弄玄虚。答案早已存在于三十多年前的米定义，就像一颗宝石，躺在马路上三十多年没人发现，而我只是一弯腰捡起了它。也许一弯腰就能捡到宝石这么幸运的事情会触霉头，所以才没有人去做。

就像所有人一样，捡到宝石的时候，首先自己怀疑这是不是宝石，然后去请教那些“专家”。“他们都是有头有脸的人物，有很多”民科“去骚扰他们，你要小心。”这是一位朋友对我的忠告，在我准备去寻求“专家”的帮助的时候。

为了避免被认为是“民科”，我很谦卑的先自报家门。我以一种很谦逊的态度视他们为尊重知识从而也值得人尊敬的学者，他们中的很多却只是给你展示他们有值得别人巴结的地位的傲慢。很多年以前，有为长辈，一位享受政府特殊津贴的某领域的专家就对我说过：“你在那个位置，你就是专家！”直到过了很多年，才发现他说的好有道理！ 

    2016年，原子时诞生50周年学术会议在北京盛大举行，可以说国际上科学界、计量学界有头有脸的人物都来了。而在米定义到光速30多年后的今天，计量学界却依然没有给科学界阐述清楚什么是测量长度的“尺”，什么是测量时间的“钟”。

只有当爱因斯坦和他的狭义相对论从信仰的神坛倒掉的时候，计量学才会真正成为一门科学，一门从事科学研究基础性的、关于量值测量的科学。在此之前，“计量是科研的基础“，”量值定义的发展对于科学的意义“云云的说法，请恕我直言，你们只是在吹牛逼！

注：“运动物体长度的测量“发表于2016年“海峡两岸计量学术交流研讨会”；“The length measurement for object in motion”发表于2017年“IMEKO国际测量技术研讨会”并获得了优秀论文奖