观测局域性：光速为什么不变？

阮晓钢

（北京工业大学信息技术学部，北京100124，中国）

2.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.0Faculty of Information Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China.北京工业大学信息技术学部，北京100124，中国1001241881141767901067396157北京市朝阳区平乐园100号:北京工业大学信息学部自动化学院adrxg@bjut.edu.cn阮晓钢，男，教授，博导，研究领域：理论物理学和人工智能。阮晓钢RUAN Xiaogang阮晓钢2.02.02.0 2.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.01*|*期刊*|*Maxwell J. C., On a possible mode of detecting a motion of the solar system through the luminiferous ether. Nature, 1880, 21: 314-315.<CR>2*|*期刊*|*Michelson A. A. and Morley E. W., On the relative Motion of the earth and the luminiferous ether. American Journal of Science, 1887, 34: 333-345.<CR>3*|*期刊*|*FitzGerald G. F., The ether and the earth's atmosphere. Science, 1889, 13: 390.<CR>4*|*期刊*|*Lorentz H. A., The relative motion of the earth and the aether. Zittingsverlag Akad.V. 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摘要：1905年，爱因斯坦依据迈克尔逊-莫雷实验，提出光速不变性假设，从理论上导出洛伦兹变换，建立狭义相对论，揭示物质运动的相对论性。然而，直到今天，我们仍然并不十分确切地知道，光在爱因斯坦理论中担任什么角色，或光速为什么不变；并且，也并不完全理解相对论性现象。本文基于观测局域性原理和观测极限假设，从理论上证明，迈克尔逊-莫雷实验并不真地意味着光速不变，而是向我们阐明一个极为重要的物理观测现象：观测媒介传递被观测对象之时空信息的速度具有观测上的不变性。在迈克尔逊-莫雷实验中，光既是被观测对象又是观测媒介，担当着观测信息之使者的角色，因而，其速度在观测上是不变的。本文的逻辑结论表明，光速不变性乃观测局域性所致，是一种观测效应，仅当光担任观测媒介时成立。或许，这将给予我们关于物质运动之相对论性新的认识或新的理解。

关键词：光速不变性；物理可观测性；局域性；观测局域性；相对论性效应

中图分类号：O412.1

Observational locality: why is the speed of light invariant?

RUAN Xiaogang

(Faculty of Information Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China.)

Abstract: In 1905, based on the Michelson-Morley experiment, Einstein proposed the hypothesis of invariance of light speed (ILS). He then theoretically deduced the Lorentz transformation from ILS, established the theory of special relativity (SR), and revealed the relativistic phenomena of matter motion. Up till today, however, we still don’t exactly know what role light plays in Einstein’s theory, or why the speed of light is invariant; moreover, we still don’t exactly understand relativistic phenomena. Based on the principle of observational locality (POL) and the hypothesis of observational limit (HOL), this paper has theoretically shown that, the Michelson-Morley experiment does not really mean ILS, but does demonstrate to us an significant phenomenon in physical observation: the speeds that observational media transmit the spacetime information about observed objects possess observational invariance. In Michelson-Morley experiment, light acts as both the observed object and the observational medium, and therefore, its speed is observationally invariant. The logical conclusions of this paper suggest that ILS is rooted from observational locality, is an observational effect and valid only when light acts as the messenger of observed information. Perhaps, this would provide new knowledge and understanding on the relativistic phenomena of matter motion..

Key words: invariance of light speed, physical observability, locality, observational locality, relativistic effects

引言

1887年，因循麦克斯韦的建议[1]，迈克尔逊和莫雷开展了一项旨在捕捉以太（Ether）的实验[2]。他们没能发现以太，却遇到了一个问题：伽利略速度叠加原理失效了。迈克尔逊-莫雷实验显示，光速与地球轨道速度叠加，仍然是光速。

为了解释迈克尔逊-莫雷实验，菲兹杰拉德提出了一个假设[3]：运动物体沿运动方向长度收缩，收缩率为(1v2/c2)；之后，洛伦兹又补充了一个假设[4-6]：运动物体时间膨胀，膨胀率为1/(1v2/c2)。于是，洛伦兹变换（或称菲兹杰拉德-洛伦兹变换）诞生了。1905年，爱因斯坦抓住了迈克尔逊-莫雷实验的关键——光似乎没有速度叠加效应，提出光速不变性（The Invariance of Light Speed, ILS）假设。正是基于ILS，爱因斯坦成功地从理论上推导出洛伦兹变换，建立狭义相对论（Special Relativity, SR）[7]，揭示物质运动的相对论性。

ILS不仅是爱因斯坦SR的基石，同时，也是爱因斯坦广义相对论（General Relativity, GR）[8]前提之一。一百多年来，爱因斯坦相对论，包括SR和GR，得到几乎所有观测和实验支持[9,10]。然而，直到今天，我们仍然并不十分确切地知道，光在爱因斯坦理论中担任什么角色，或光速为什么不变[11,12]；并且，也并不完全理解相对论性现象[13,14]。

ILS有一个直接的推论：光速乃宇宙终极速度，是任意物质运动所不可超越的。值得注意，爱因斯坦将ILS融入了自己的局域性（Locality）观念[15,16]：宇宙不存在超距作用，鉴于ILS，一切物质运动皆不可超越光速。

本文将物理可观测性表述为一项基本原理——“物理观测原理”，由此论述物质世界的局域性。与爱因斯坦的局域性观念不同，基于物理观测原理的局域性，并不意味着光速不可超越，而只意味着，物质运动速度不能无穷大。本文基于物理世界的局域性建立“观测局域性原理”，提出“观测极限假设”，试图探明光在观测中担当的角色，以及ILS的成因和本质。由观测局域性原理和观测极限假设可以推论：当且仅当光作为观测媒介时，ILS成立。我们的观测大多依赖光传递观测信息，这是ILS以及SR和GR得到大多数实验支持的原因。然而，值得我们注意的是，物理观测中的信息使者并非只能是光。

光速为什么不变？物质运动为什么会显现相对论性效应？阐明这些基本问题，是物理学的重要任务。或许，本文能给予我们关于光速新的认识：光速并非真地不变或不可超越；以及关于相对论性新的认识：相对论性现象（包括ILS）是一类观测效应，乃观测局域性所致，并非客观真实的自然现象。

观测与媒介

人类对客观世界的认识，既依赖于观测，又制约于观测。物理学之一切理论或学说，包括伽利略变换和洛伦兹变换，无不打上观测的烙印。

观测之基本元素

观测的基本任务是利用我们的感官或观测仪器获取被观测对象的信息；而被观测对象的信息需要借助于一定的媒介，传递至我们的感官或观测仪器，方能被我们感知或观测。

因此，观测必定涉及三项基本元素（, M, O）：

：被观测对象（Observed Object），发射观测信息（Observed Information）；

M：观测媒介（Observational Medium），传递观测信息；

O：观测者（Observer），接收观测信息。

在闵可夫斯基4维时空中，运动的历史脉络是一世界线（World Line）。世界线是时序事件的集合，其中，作为4维时空点，每一事件（Event）最为基本的信息是其发生的时刻（时间信息）和位置（空间信息），可统称为“时空信息”（Space-Time Information, STI）。之STI便是O意欲获取的有关的最为基本的观测信息。

自然地，之STI由传递至O需要M。那么，什么样的M能为O传递之STI呢？

观测媒介

物质具有波粒二象性（Wave-Particle Duality, WPD），运动起来既似粒子又似波。上世纪20年代，德布罗意基于WPD杜撰了“物质波”（Matter Wave）概念[17,18]。物质波可以推广至任意物质运动形式，包括声波、水波、光波、电波，甚至一粒电子或一块岩石。波，具有一种重要性质：可调制性（Modulability），因而具备了携带和传递信息的特质。理论上，任意物质波或任意物质运动形式，均可担当观测媒介（M），作为观测信息的使者，为观测者（O）传递被观测对象（）的时空信息（STI）。

光是我们最习以为常的M；因为有光，我们能用眼睛看世界。然而，光并非唯一的M。

雷电事件之STI是其发生的时刻和其发生的位置。我们感知或观测雷电，必须依赖传递雷电STI的M。就人类感知能力所及，能为我们传递雷电STI的M，既可以是声波，也可以是光波；超越直接的感知，借助人类发明的技术手段，雷电所辐射的无线电波或强脉冲磁场也能作为M为我们传递雷电STI。

传统天文学依靠肉眼和光学望远镜观测天象，其中，传递天体物理信息的M为可见光波。射电天文学的发展将M由可见光扩展至几乎整个无线电频域。正是射电天文观测发现了宇宙微波背景辐射[19]，为大爆炸理论提供了证据[20]。引力波探测导致了“引力波天文学”（Gravitational-Wave Astronomy）概念[21,22]。与传统天文学和射电天文学依赖电磁相互作用为M不同，引力波天文学以引力相互作用为M。

那么，不同M对于观测意味着什么不同吗？

图 1	观测与媒介 — (a) 雷电观测使者：既可以是声，也可以是光；(b) 观测信息之非即时性：无论O依赖什么M，之STI由传递至O都必定存在观测上的滞后。

Fig. 1	Observation and media (a) Thunderbolt messengers: not only light waves but also sound waves; (b) Non-instantaneity of observed information: No matter what the M is, there must be a certain observational delay of the STI of or observed information in transmission from the observed object to the observer O.

观测上的非即时性

对于观测，观测信息的传递速度，或者说，观测媒介（M）传递被观测对象（）之时空信息（STI）的速度（），应该是一个极为重要的物理量。

声波在20C之地球大气中的速度大约每秒343米。如图1a所示，我们听见10公里外的雷电时，其STI已经滞后了近30秒；光速远远地高于声速，然而，闪电带给我们的仍然只能是滞后的雷电STI。鸟从天空中飞过，我们怎么感知或观测它及其运动呢？我们能以声波为M用耳朵听之，也能以光波为M用眼睛观之。然而，如图1b所示，无论声波还是光波，其传递给我们的都只能是滞后的鸟之STI：我们听见鸟的鸣叫，但它已经不在那鸣叫时的处所；我们看见鸟的身影，但那只是它片刻之前的所在。

这便是观测上的非即时性（Non-Instantaneity）。

自然地，观测上的非即时性与M传递信息的速度（）相关：越小，其非即时性越显著。观测上的非即时性制约着我们的观测，并且，反映在我们的物理学理论中：伽利略变换建立在假设=之基础上；而洛伦兹变换则阈于光信息之非即时性（=c）。

观测上的非即时性源于物理世界的局域性。

物理可观测性与局域性

物理世界的可观测性（Observability），是我们认知客观世界的前提，与物理上的局域性（Locality）联系在一起，同时，与观测上的非即时性相关。

物理观测原理

本文将物理可观测性明确地表述为物理学一项基本原理，并由此阐述物理世界的局域性问题，包括物理上的局域性（Physical Locality）和观测上的局域性（Observational Locality）。

物理观测原理（The Principle of Physical Observability, PPO)：任意物理量都必定是可观测的，即其观测值必定是确定的和有限的。

PPO是不证自明的，具有作为物理学基本原理或公理的特征。或许，我们可以称PPO为“奇点原理”：根据PPO，理论或模型中任意奇点都不能视为客观的物理存在，只意味着理论或模型在奇点处失效。

物理奇点问题

爱因斯坦GR存在“大爆炸奇点”。1970年，霍金和彭罗斯证明了奇点定理[23]：GR之于宇宙学必然导致物质密度和时空曲率无穷大。面对GR场方程奇异解，爱因斯坦甚至认为自己的GR还不是一个完备的理论，需要代之以非奇异的统一场论[24]。温伯格在《最初三分钟》里说[25]：“宇宙从来就没有真正达到过无穷大密度状态。”霍金在《时间简史》[26]中认为：“数学不能真正处理无穷大的数。奇点处，理论本身失效。”这些观点和认识正是伟大物理学家们内心之物理可观测性信念的自然流露。

爱因斯坦SR存在“洛伦兹奇点”：观测速度v达到光速c时，洛伦兹因子无穷大：(c)=1/(1c2/c2) =。因此，洛伦兹奇点处（v=c），光子相对论性质量m无穷大：m=(c)mo=，除非其静质量mo为零。依PPO，m<，故mo=m1(c)=0；此时，m在SR中不确定，需借助非SR体系的普朗克方程E=h计算：m=h/c2。或许，mo=m1(c)=0并不真地意味着光子无静质量；而只意味着，用霍金的话说[26]，爱因斯坦SR在洛伦兹奇点处失效。

PPO意义下的局域性

局域性，在爱因斯坦理论中扮演着重要角色。爱因斯坦的局域性观念与其ILS假设联系在一起。爱因斯坦相信：宇宙不存在超距作用，并且，基于ILS，无论物质或信息，其运动速度都不能超越光速。1935年，基于爱因斯坦的局域性观念，爱因斯坦等人构思了一个著名的思想实验，史称“EPR佯谬”[27]，质疑量子力学的完备性。然而，越来越多的EPR实验呈现出量子纠缠现象[28-30]。

那么，宇宙真地存在“鬼魅般超距作用”吗？

物理世界的局域性是客观的和自然的。实际上，局域性原理只是PPO的一个逻辑推论。

局域性原理（The Principle of Locality）：宇宙不存在超距作用——任意物质运动的速度都是有限的；无论信息还是物质，跨越空间都需要时间。

然而，PPO意义上的局域性原理，与爱因斯坦的局域性观念不同。根据PPO，物理世界的局域性是客观的和自然的；然而，PPO意义上的局域性原理，并不意味着光速是宇宙终极速度或不可超越，而只意味着，宇宙不存在速度无限的物质运动。

观测局域性与观测极限

PPO意义上的局域性原理意味着，任意观测媒介传递观测信息的速度都是有限的，这导致了观测上的局域性问题，同时，为我们的观测设置了上限。

观测局域性原理

基于WPD，任意M都是物质波，其传递信息的过程必定是一定形式的物质运动。作为局域性原理的一个推论，如下观测局域性原理成立。

观测局域性原理（The Principle of Observational Locality, POL）：任意观测媒介（M）的速度（）都是有限的，被观测对象（）之时空信息（STI）跨越空间需要时间。

简而言之，所谓观测局域性，即<。

观测局域性原理（POL）意味着，观测上的非即时性和观测局域性是相对的：不同速度的M导致观测上不同程度的非即时性或不同程度的观测局域性。为了突破特定M之观测局域性，我们的观测需要较之特定M更快的观测媒介。

观测极限假设

凭借经验和直觉上的感悟，我们可以设想并理解这样的判断：观测者对之运动速度的观测必定制约于M传递信息的速度。限于观测局域性或观测信息之非即时性，蝙蝠不能指望依赖超声波侦测超音速物质运动；而人类也不能指望依赖眼睛观察超光速物质运动。根据观测局域性原理（POL）以及观测信息之非即时性，这里提出“观测极限假设”。

观测极限假设（The Hypothesis of Observational Limit, HOL）：观测媒介（M）速度（），即M传递被观测对象（）之时空信息（STI）的速度，是观测者（O）所能观测到的物质运动速度（u）的上限，即：u。

HOL意味着：M的速度为O的观测设置了上限。

HOL给予我们如下推断：

光速极限只是光担当M时的观测现象；

O不能以光为M探测超光速物质运动。

观测媒介之速度不变性

人们以为，ILS源于物理上的局域性，由时空物理性质决定；因而，ILS是客观自然现象。正如Landau和Lifshitz所述[31]：“由于相互作用的局域性，宇宙存在理论上的最大速度，并且，这一速度必定是不变的。”然而，依POL和HOL，ILS源于光作为M的观测局域性（=c<）。事实上，迈克尔逊-莫雷实验并非真地意味着光速不变，而是向我们阐明一个极为重要的物理观测现象：任意观测媒介传递观测信息的速度均具有观测上的不变性。

基于POL和HOL，可以证明如下逻辑结论。

M速度不变性（IMS）：令O和O为被观测对象（）之任意的两个惯性观测系，Σ在O和O中分别以速度u和u运动，M为传递Σ之时空信息（STI）的观测媒介，则M传递Σ之STI的速度（）是不变的，即η相对于O和O是相同的。

证明：

令O相对于O以速度v运动，定义速度叠加运算‘’：u=uv；u=u(v)。

不失一般性，令uu。根据POL，<；根据HOL，uη。因此，当u=η时，成立：u=ηv=η。于是，依叠加运算，成立：η=η(v)。则当u=η时，成立：u=η(v)=η。

可见，在POL和HOL前提之下，IMS成立。	□

IMS意味着，M传递观测信息的速度具有某种不变性；然而，这种不变性并非真实的自然现象，只是一种观测效应——观测起来如此而已。

IMS概括了光速不变性。然而，在IMS下，ILS的成立是有条件的。

光速不变性（ILS）：在以光为观测媒介（M）的观测中，光速（c）相对于所有观测者都是相同的或不变的。

现在，ILS不再是一个假设，而是IMS的一个推论；换言之，ILS只是IMS的一个特例，仅当光担任M时成立。迈克尔逊-莫雷实验中，光，既是被观测对象（），同时，又是传递观测信息的观测媒介（M）；因而，此时的光速在观测上是不变的。实际上，仅当光担任M为观测者传递观测信息时，其速度在不同观测者看来才是相同的或不变的。迈克尔逊-莫雷实验中的光速不变现象只是一种观测效应，并不意味着光速是宇宙终极速度或真地不可超越。迈克尔逊-莫雷实验为IMS提供了一个实证范例，同时，也从一个侧面印证了HOL作为原理或公理的合理性。

广义洛伦兹变换

洛伦兹变换是以光为观测媒介（M）的时空变换模型，其中，M的速度（）即光速（c）。然而，观测中，M并非只能是光，并非必定是c。现在，光速不变性（ILS）已被泛化为M速度不变性（IMS），基于IMS，洛伦兹变换可自然地推广至任意M或任意。

ILS与洛伦兹变换

人们已经意识到，相对论性并不取决于光的物理性质；人们认为，相对论性源于物理世界的局域性和时空的对称性[32]。因此，无需ILS，仅从局域性和对称性出发，也能导出洛伦兹变换和爱因斯坦SR[33,34]。在群论中，基于时空的对称性和均匀性，洛伦兹变换被泛化为洛伦兹群[35]乃至庞加莱群[36]。

利用群论可导出泛化洛伦兹因子：=1/(1+v2)，其中，的角色和物理意义在群论之公理意义下并不十分明确；可能的情形有三种：

第一，>0，与物理现实不符；

第二，=0，=1，代表伽利略变换；

第三，<0，>1，反映物质运动之相对论性。

鉴于物理世界的局域性，人们认为，时空中必定存在某个确定的值：=1/2<0，其中，应该是一个宇宙常数，代表宇宙终极速度，需要通过实验来标定；鉴于ILS，人们相信：=c。正如Landau和Lifshitz所言[31]：“结果证明，这一速度恰好就是真空中的光速。”尽管人们已经有了相对论性无需依赖光之物理性质的认识，最终，却依然采信了ILS，回到光速不变或不可超越的观念上。

Landau和Lifshitz已经意识到洛伦兹因子=1/(1 v2/c2)中的c乃信息传递速度（The Speed of Information Transmission）[31]。然而，人们似乎并未认真考虑，在物理学的理论或模型中，信息是否能由不同于光的M传递，或信息的传递速度能否不同于光速。

IMS与广义洛伦兹变换

直接以观测媒介（M）速度（）替代洛伦兹变换和爱因斯坦SR中的光速（c），便可得到广义洛伦兹变换和泛化的SR。然而，为了更好地理解其中参数的物理意义，这里因循爱因斯坦SR的逻辑线路，以IMS替代ILS，演义“广义洛伦兹变换”。

图 2	被观测对象及其惯性参考系O和O — (a) 静止于固有惯性系Oo之原点；t=t=0时，O和O及Oo之原点及对应坐标轴重合；(b) t0和t0时，在O中沿X轴以速度u运动，在O中沿X轴以速度u运动；O在O中沿X轴以速度v相对于O运动。

Fig. 2	Observed object and its inertial frames O and O (a) is at rest at the origin of its intrinsic inertial frame Oo; the corresponding axes and origins of O, O and Oo coincide at t=t=0; (b) If t0 and t0, moves at the speed u along X in O and at the speed u along X in O; O moves at the speed v along X relative to O.

相对论性似乎意味着，时间与空间相互依存，不可分割。于是，时间（Time）与空间（Space）统一起来，便形成了“时空”（Spacetime）的概念。不同观测系即不同时空；图2中的O和O就是两个不同的惯性时空，其时空变换可记作：OO和OO。

时空变换需要满足特定观测条件和特定逻辑前提。

时空变换的观测条件：O和O必须采用相同的观测媒介（M）。

特别注意，在洛伦兹变换和爱因斯坦理论中隐含着一项重要假设：O和O以光为M。

广义洛伦兹变换的逻辑前提：

IMS原理（替代爱因斯坦ILS假设）；

相对论性原理。

实际上，爱因斯坦SR还有一项前提：简单性原理[37,38]。依简单性原理，可假定OO具有简单的线性变换形式：x=x+bt。物理世界基本的时空关系要求：x=0时x=vt，因此，b=v。于是，OO变换可进一步简化为：x=(x+vt)。根据相对性原理，OO变换应为：x=(xvt)。联立OO和OO可得：t=(t+(12)x/v)和t=(t(12)x/v)。于是，根据在O和O中的速度定义，成立：

(1)

根据IMS，若u=，则u=，将其带入式(1)，求解可得广义洛伦兹因子：

(2)

其中，具有明确的物理意义：即M传递之STI的速度。与群论泛化洛伦兹因子=1/(1+v2)之情形不同，取决于M，而M并非一定是光；不是一个确定的宇宙常数，并非一定为c。

现在，我们有广义洛伦兹变换：

(3)

广义洛伦兹变换与洛伦兹变换具有完全相同的形式，因而，爱因斯坦SR中所有运动学和动力学关系可逻辑地推广至泛化的SR体系。令人感兴趣的是，爱因斯坦公式E=mc2将改写为E=m2。或许，这将给予我们对爱因斯坦著名的质能公式新的认识。

统一伽利略变换和洛伦兹变换

光在洛伦兹变换和爱因斯坦理论中担当着观测媒介（M）的角色，为观测者传递观测信息。然而，依广义洛伦兹变换，光并非唯一的M。理论上，任意物质波或物质运动形式，包括声波、电子流、脉冲磁场、引力波，甚至被观测对象自身，均可为M。

在广义洛伦兹变换中，不同的M意味着不同的观测体系，导致不同的时空理论：伽利略变换和牛顿理论是理想化观测体系（）的产物，其中，被设想为无穷大；洛伦兹变换和爱因斯坦理论是光学观测体系（=c）的产物，其中，M即光，即c。蝙蝠回声定位体系的M为超声波，343 ms1。如果引力波速度超越光速，引力波天文学将观测到更为客观或更为即时的天象。或许，人类未来的技术进步能突破光之观测局域性。

广义洛伦兹变换（GLT）概括并统一了伽利略变换（GT）和洛伦兹变换（LT）。在玻尔对应原理下[39,40]，GLT与GT和LT严格对应：时，GLT即GT；c时，GLT即LT。这种对应关系反映了GLT与GT和LT的一致性以及GLT逻辑上的合理性。然而，特别值得注意，洛伦兹变换与伽利略变换并不严格对应，仅当v<<c时，LT近似于GT。

讨论：相对论性的本质

或许，M速度不变性（IMS）以及广义洛伦兹变换（GLT）能为我们揭示相对论性的根源和本质。

爱因斯坦认为：时空和物质运动本质上是相对论性的，因而，相对论性效应（包括ILS）是客观自然现象或物理现实。爱因斯坦SR中，动体（）的相对论性可由洛伦兹因子(v)=1/(1v2/c2)度量，取决于之观测速度。如图3a所示，v越高，则(v)越大，之相对论性度越高，或者说，其相对论性越显著。

然而，根据GLT，的相对论性应由广义洛伦兹因子(v,)=1/(1v2/2)度量，取决于观测媒介（M）的速度。如图3b-c所示，对于特定速度v，越高，则(v,)越小，呈现的相对论性度越低。特别地，若或没有观测局域性，则(v,)1，之观测上的相对论性效应将会从我们的观测中完全消失。

同时性的相对性[41-43]以及时涨尺缩现象[44,45]，是爱因斯坦SR中最为经典的相对论性效应。其实，它们都只是观测效应，乃观测局域性（<）所致。

爱因斯坦SR显示，时空之同时性是相对的：不同观测系中的同时性是不同的。O中同时（|tBtA|=0）的事件A和B，在O中会不同时：|tBtA|=|xBxA||v|/c2 0。同样地，GLT中时空的同时性也是相对的。依式(3)，若v<<，则：

(4)

然而，式(4)显示，相对的同时性乃观测局域性所致：越高，同时性之相对性越小。若，则tB=tA时tB=tA：时空之同时性不再是相对的，O和O将具有相同的或绝对的同时性。

爱因斯坦SR中，洛伦兹变换导致时空呈现时涨尺缩现象：若A和B为O同一空间位置（xB=xA）两个事件，时间间隔t=|tBtA|，则A和B在O中时间间隔t=t>t；若O测定距离L=|xBxA|，则相应地，O测定距离L=|xBxA|=1L<L。同样地，GLT中的时空也会时涨尺缩。依式(3)，若v<<，则：

(5)

(6)

然而，式(5)-(6)显示，时空变换之时涨尺缩现象仍然只是M之观测局域性所产生的效应：越高，时空之时涨尺缩越小。若，则t=t且L=L，时空将不再呈现时涨尺缩现象。

图 3	观测上的相对论性度 (a) 洛伦兹变换之相对论性度(v)：之观测速度v越高，其相对论性越显著；(b)-(c) 广义洛伦兹变换之相对论性度(v,)：M传递信息的速度越高，之观测上的相对论性度越低。

Fig. 3	Observational relativistic degree (a) The relativistic degree (v) in the Lorentz transformation：the higher the speed v of , the more significant the relativistic effects are. (b)-(c) The relativistic degree (v,) in the general Lorentz transformation: the higher the speed of M, the lower the relativistic degree of is.

实际上，根据广义洛伦兹变换（GLT），所有相对论性现象都只是观测效应。如图3c所示，对于同一观测者O，同一动体在不同M的观测体系中，将会呈现出不同程度的相对论性。可见，时空或物质运动所呈现的相对论性效应并非真实客观的自然现象：其本质是观测效应；其根源是观测局域性（<）。

结论

基于观测局域性原理（POL）和观测极限假设（HOL），本文得出的基本结论是：光速并非真的不变；光速不变性（ILS）只是一种观测效应，仅当光作为观测媒介（M）时成立。实际上，物理世界并不真的存在速度不变或相对于所有观测者速度相同的物质运动。我们没有理由认为，光是唯一的M；也没有理由认为，M的速度（）必定是光速（c）。以POL和HOL为逻辑前提，本文从理论上推导出M速度不变性（IMS），概括了ILS。IMS显示，任意物质波或物质运动，只要其担任M，其速度在观测上就是不变的。

基于IMS，本文从理论上推导出广义洛伦兹变换（GLT），概括统一了伽利略变换（GT）和洛伦兹变换（LT）。玻尔对应原理下，GLT与GT和LT严格对应。GLT显示：LT和爱因斯坦理论是光学观测体系的产物；GT和牛顿理论是理想化观测体系的产物。理想化观测条件（）下，没有观测局域性，没有相对论性效应，时空将呈现其客观真实的自然面貌。可见，真实的客观世界应该是伽利略-牛顿时空[46]：空间与时间相互独立；速度叠加符合伽利略法则，物质运动遵循牛顿定律；时间不会膨胀，空间不会收缩；同时性是绝对的。

或许，现在是人类现在需要反思自己的自然观或时空观的时候了。

当然，根据物理观测原理（PPO）或POL，物理世界不存在信息传播速度无穷大的理想化观测体系；相对论性效应会永远地存在于我们的观测中。在此意义上，观测局域性是不可逾越的。然而，这并不意味着光之观测局域性不可逾越。或许，人类未来的技术进步会发现更快的物质运动或超光速的观测媒介，令我们观测到更为真实的客观世界。

本文中，HOL只是一个启发式或启发式判断。然而，需要说明的是，在观测相对论[47]中，HOL以及IMS都是源于时空和物质基本物理性质的逻辑结论。

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