11楼:
请注意:是用测量得到的正、反向相等的单向光速c(正向)=c(反向),不是用光速不变原理的假设。因此紧接(一,解决了单向光速测量的世纪难题)之后
二,用多普勒效应直接测量罗仑兹变换来确证相对论
当某光波长λ被定义为长度单位,上述由A、B两点间距离I测量单向波长(λ=I/N)就变成为由长度单位λ测量A、B两点间距离(I=Nλ)。设想A和B两点用刚性杆连接,又变成了测量杆的长度。上述测量中A、B两点以及刚性杆相对光源是静止的。
由于多普勒效应,杆相对光源运动时测量得出的杆的长度L将不同于静止时的长度I,也就是说,杆的长度L会随着杆相对光源之间的运动速度v变化。令β=v /c,c是测量得到的正、反向相等的单向光速。杆沿着光波传播方向运动时,测得的A、B两点之间的光波长数目增多,相应运动杆相对静止杆有一级多普勒效应的长度伸长: L=I(1+β);杆沿着光波传播的反方向运动时,测得的A、B两点之间的光波长数目减少,相应于运动杆相对静止杆有一级多普勒效应的长度收缩: L’=I(1-β)。由L L’=I(1+β)I(1-β)= I 2 (1-β2)两边开方可得到沿两个相反方向的两次长度测量结果的方根平均值为:L=I γ,γ=(1-β2)1/2。这正是运动杆的斐兹杰惹-洛伦兹收缩公式。γ为相对论的尺缩或钟慢因子,I为相对光源静止时测得的长度,对应于相对论的本征长度。
同样,用光波定义的时间单位τ测量钟的周期P时,是计数钟的一个周期中所通过的光波长λ的数目M,即,P=Mτ。钟相对光源静止时,在钟1个周期P内(1秒钟)光通过的光程为光速值c,通过的波长的数目为M=c /λ,测得静止钟的周期为 P=Mτ=(c /λ)τ。
钟沿着以光源为原点的径向以速度v相对光源运动时,钟相对光源的距离在1秒钟内被拉长了v,光波通过钟的光程变为 c+v。1秒钟内光源发出的波长的数目仍为 c /λ,通过钟的光波长数目N=M c/ (c+v)=M/(1+β),相应于运动钟相对静止钟具有一级多普勒效应的周期缩短(走快):T = P/(1+β) 。钟沿着以光源为原点的径向的反方向以速度v相对光源运动时,钟相对光源的距离在1秒钟内被缩短了v,光波通过钟的光程变为c-v。1秒钟内光源发出的波长的数目仍为 c /λ,通过钟的光波长数目N=M c/ (c-v)=M/(1-β),相应于运动钟相对于静止钟具有一级多普勒效应的周期加长(走慢): T’= P/(1-β)由 T T’= P 2/(1+β)(1-β)=P2/(1-β2)两边开方可得到沿两个相反方向的两次周期测量结果的方根平均值为: T= P/γ,这正是运动过程的时间膨胀公式,通常称为“钟慢效应”,γ为前述的相对论的尺缩或钟慢因子(也称为时间膨胀因子)。P为钟相对光源静止时测得的钟的周期,对应于相对论的本征周期。
由此可见:相对论的 “尺缩”或“钟慢”原来多普勒效应测量值的计算结果,具体说,是杆或钟以光波的波长或周期为单位,沿着两个相反的方向的两次测量值的乘积的平方根。注意! 因为取了正、反向两次测量值的乘积求平方根,罗仑兹变换的“尺缩”与“钟慢”就没有了方向性的限定。单方向测量的尺“缩”L< I和钟“慢”T>P只在指向光源运动时成立,顺着光传播方向运动则是尺“胀”和钟“快”,而且是一级效应的“胀与缩”和“快与慢”。由正、反向测量值的乘积求平方根使一级效应的“胀与缩”相消、“快与慢”相抵,只剩下无方向性的二级效应的 “尺缩”与“钟慢”, 这正是相对论的罗仑兹变換。
为得到尺缩(或钟慢)因子γ直接检验罗仑兹变换,只要杆(或钟)相对光源正、反向运动时各测量一次。可以让光源对实验室静止,测量装置(包括计数器、杆或钟)对实验室作正、反向运动;也可以让测量装置对实验室静止,光源对实验室作正、反向运动。
自然界本来只存在相对运动的一级多普勒效应,但由于相对论的单向光速c不能测量,于是就把彼此靠近时钟快与彼此远离时钟慢的测量值相乘,结果β(=v/c)的一级效应 (1+β)与(1-β) 正负相抵消掉了,导致钟的快慢随(v/c)的平方而变化。实际的运动不可能同时既相互靠近又相互远离,因此,尺缩或钟慢因子γ不是真实的存在,只是数据处理的结果。
在双生子佯僇中,双生子乘火箭彼此远离与相互靠近是先后发生的事,先彼此看到对方的钟变慢而更“年轻”,后彼此看到对方的钟变快而更“年老”,火箭停下来后两人的钟又相同了,谁也既不更“年轻”也不更“年老”。由于不能同时既彼此远离又彼此靠近,双生子佯僇根本就不存在。
半衰期是大量粒子的统计测量结果,可以用此粒子正方向运动与彼粒子反方向运动的测量结果来相乘抵消掉一次项,用剩下统计意义的二次项——相对论的钟慢能正确解释运动μ介子的半衰期(“寿命”)延长,因为半衰期是统计意义的。
在世界的各个地方天天都在进行着各种不同的实验检验着多普勒效应,多普勒效应又是v/c的一级效应其检验精度很高,可以说多普勒效应己经被实验充分地证实了。从相对论的罗仑兹变換是多普勒效应沿两个相反方向的两次测量结果的均方根平均值,相对论也就被实验高精度地证实了。因为多普勒效应的测量是完全经典的,它没有涉及到任何有关相对论的东西,从而相对论的罗仑兹变換是在伽利略坐标系的框架上被精确地证实。当相对论完全建立在测量结果的前提之上,作为前提的测量也只能在伽利略坐标系中,因为相对论建立起来之前,不存在罗仑兹坐标系。用伽利略坐标系中正反向两次测量结果的均方根平均值可取代罗仑兹变換,在通常的火箭、飞船和高能粒子运动等实际问题中,没有必要另建一个罗仑兹变換坐标系来把简单的问题搞复杂。
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