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对相对性原则的进一步思考 一、光的参考原则 袁树广 说起光的参考原则，我们能够想到的应该有两个：一、光媒质以太，二、爱因斯坦的光速不变原理（也可以笼统地说是爱因斯坦的相对论）。这似乎也是目前物理学中仅有的两个光的参考原则。光媒质以太是在爱因斯坦相对论之前出现的，要谈论光的参考原则就应该先谈论光媒质以太。对于光媒质以太我并不是很清楚，不过我查了一些资料并简单的整理了一下，我便给出了下面的概述。 自从19世纪初光的波动说复活，光媒质以太就成了物理学家关注的焦点之一。当然，现代的人们对于以太似乎没有那么关注了。在当时，菲涅耳和斯托克斯对于以太有着不同的看法。菲涅耳认为：地球是由多孔的物质组成的，以太在其中运动几乎不会受到阻碍；地球表面的空气的折射率接近于1 ，说明地球表面的空气不能或是只能极轻微地影响以太的运动状态，我们可以把地球表面的以太看成是静止的。斯托克斯认为菲涅耳以一切物体对于以太来讲都是透明的为基础建立起来的理论是不能被容许的。他认为：在地球表面以太与地球的运动速度相同，地球可以完全地拽引以太；在远离地球表面足够高的地方，可以认为以太是静止的。事实上，人们普遍接受的是菲涅耳的以太观点，因为菲涅耳的静止以太说能够很好的解释光行差现象。 按照静止以太说的观点，由于地球的公转速度为30千米每秒，地球的表面应该存在"以太风"。为此，迈克尔孙和莫雷在后来做了在物理学史上具有重要意义的迈克尔孙-莫雷实验。根据理论计算，实验中干涉条纹的移动量应该是0.37，而实际的测量值还不足0.01。迈克尔孙和莫雷认为：地球和以太之间存在着相对运动的话，这个相对速度可能不足地球公转速度的六十分之一，肯定不足四十分之一。他们在实验报告中说："似乎有理由确信，即使在地球和以太之间存在着相对运动，它必定是很小的，小到足以完全驳倒菲涅耳的光行差解释。"事实上当时的人们并没有认为该实验是具有判决性的，迈克尔孙本人也不认为自己的实验结果有什么重要的意义。应该肯定的是这一实验结果引发了物理学界新的思考，而物理学界对于以太的处理方式似乎可以说是不了了之。 爱因斯坦在给达文波特的信中说："在我本人的思想发展中，迈克尔孙的结果并没有引起很大的反响。" 爱因斯坦认为：真空中光的传播定律必须由一个能与相对性原理一致的较为复杂的原则取代；这是因为相对性原理自然而简单并且在人们的思想中具有很大的说服力；但是，理论物理学的发展说明了我们不该遵循这一途径。他认为新的理论应该与电动力学的理论协调起来。于是，他较深入的分析了时间和空间的物理概念，让人们看到相对性原理和光的传播定律（真空中光速恒定定律）没有丝毫的抵触之处。这样他完成了他的狭义相对论，光也就有了新的参考原则。对于爱因斯坦的光的参考原则我就不做分析了，我的看法早在前面的分析中说明了。 爱因斯坦在他的《狭义与广义相对论浅说》中说："在物理学中几乎没有比真空中光的传播定律更简单的定律了。学校里的每个儿童都知道，或者相信他知道，光在真空中沿直线以速度c=300，000千米每秒传播。无论如何我们非常精确地知道，这个速度对于所有各色光线都是一样的。因为如果不是这样，则当一颗恒星为其邻近的黑暗星体所掩食时，其各色光线的最小发射值就不会同时被看到。荷兰天文学家德西特根据对双星的观察，也以相似的理由指出，光的传播速度不能依赖于发光物体的运动速度。"按照麦克斯韦的理论，电磁波是横波，在真空中的传播速度是c=1/()，这是一个常数。在数值上，这个速度c的大小与已测得的光速的大小吻合得相当好。麦克斯韦得出的结论是：光是一种电磁波，c也就是光在真空中的传播速度。这也是现代物理学界普遍接受的结论。由此看来，光速在真空中应该是非常稳定的，而且光在真空中的传播速度应该相对于空间中某些物质具有的某些属性是恒定的。 谈论到了这里还要进一步讨论这个问题的话，得出的进一步的结论的可靠性将会大减，所以我本不应该继续讨论这个问题了。可是，我知道没有多少物理学的基础理论工作人员能够绝对肯定的说自己的研究结果不是物理学史上的一个过程，所以我觉得我在这里对光的参考原则做进一步的假设也不是不可以的事情。下面是我对光的参考原则的进一步的分析。 麦克斯韦的理论告诉我们光速在真空中或是介质中具有相应的恒定性。这是说光在真空中或是在介质中都是以一个确定不变的速度传播，这个速度的数值会随着介质的变化而变化。由前面我对爱因斯坦相对论的分析得到的冲突可以看出，光速恒定对于任意的物体来讲是无效的。而一些观测到的数据（如迈克尔孙-莫雷实验）告诉我们，光速恒定对于任意的物体来讲又具有一定的有效性。这看起来似乎有冲突在里面，这倒不是十分重要的事情；重要的是新的光的参考原则要解决这些问题，当然其中也包括这个看似冲突的冲突。 要想解决上面的问题，我不认为这是一件简单的事情。在探求新的光的参考原则之前，我们不妨看一看宏观物体的参考原则。在宏观上，我们说一个物体A相对于另一个物体B在以速度v运动时，我们的立足点是物体A是静止的，我们要进一步说明的是物体B的运动状态，我们也可以反过来以物体B的运动状态为立足点。这是一条简单合理的参考原则，我们在没有比较充分的理由说明它不合理之前，我们是不应该提出一个与这一原则有冲突的光的参考原则的。在我看来，爱因斯坦相对论的提出表现出了与这句话中的观点的不一致。在上面，我们除了可以看出新的光的参考原则不应该和宏观上的参考原则冲突之外，我不知道大家有没有发现别的什么。在我看来：无论是以物体A还是以物体B为立足点，立足点都是物体的一种运动状态；被描述的物体不管它的运动速度如何，我们要描述的也是它的运动状态。这样看来，我们是在以物体的运动状态为标准来描述物体的运动状态的。我们为什么不对光也这么做呢？这样做的话，光的参考原则就与宏观上的参考原则具有完全相同的形式，它们之间也就不会有冲突了。 我们知道光是一种电磁波，电磁波的本质就是电磁场，那么我们可以假设光速相对于电磁场是恒定的。这样光的参考基础就有了，这个参考原则承认了光速的恒定性。由于参考基础是单一的电磁场，那么光速恒定对于任意的物体来讲就是无效的了。光速恒定对于任意的物体来讲具有一定的有效性，则说明电磁场与物体之间还有一定的关系，而不是说这个问题无法解决。由此看来，这样的一种选择是具有一定的可行性的。所以，我认为光的参考基准应该是电磁场。
二、电磁波的波速、场速分离 袁树广 我在前一篇论述中认为光的参考基准是电磁场，光速相对于电磁场是恒定的，在论述中我没有说明光波自身的电磁场的速度与光波前行的速度之间的关系。如果我们默认两者之间的关系是静止的，那么新的光的参考原则同爱因斯坦的相对论一样存在着参考上的互选逻辑困境。我们先看一下这个困境。 我们可以通过现代的光学技术让两条独立的光线合为一条光线，我们知道新的光线对于我们来讲还是以光速传播。两条光线我们可以分别称其为A和B，合为一条光线后，如果我们认为光波自身的电磁场的速度与光波前行的速度是相同的，这将带来一个奇怪的效果。我在前面的一篇论述中认为光的参考基准是电磁场，光线A和光线B本身都具有电磁场，当它们邻近时将互相的参考，而且光波的速度相对于电磁场是恒定的，问题就出现了。光线A相对于光线B具有的电磁场具有一定的速度，光线B与光线B具有的电磁场的关系是静止关系；光线B相对于光线A具有的电磁场具有一定的速度，光线A与光线A具有的电磁场的关系是静止关系。进一步的思考我们会发现这明显是一件不合常理的事情，也是我在这里说的确定趋向性原则不能接受的问题。显然，我需要在这里对这样的问题做一个比较合理的解释；否则，我将不能说我在前一篇论述中给出的光的参考原则是比较合理的。 问题出在哪里呢？我们通常认为的电磁波的电磁场与电磁波是同速的观点在这里是不是合理的呢？前面我认为光速相对于电磁场是恒定的，这个恒定的效果会不会对于光波本身的电磁场也是如此呢？真实的结果如何，我并不清楚；不过我知道，如果我们这样认为，前面的问题就可以解决。 认为光波相对于本身的电磁场具有一个恒定的速度，并且认为光波相对于其处在的空间位点上的电磁场具有同样的速度，也就说明光波本身具有的电磁场相对于光波处在的空间位点上的电磁场是静止的。 引入这样的观点的话，前面的问题自然就解决了。光线A相对于光线B具有的电磁场具有一定的速度，光线B相对于光线A 具有的电磁场具有一定的速度，光线A具有的电磁场相对于光线B具有的电磁场是静止的，自然就没有参考上的逻辑困境了。 有朋友可能会问："光线具有的电磁场怎么能够相对于我们是静止的呢？" 光线相对于我们处在的环境是以光速运行的，按照我前面的观点，这束光线具有的电磁场相对于我们就是静止的了。电磁波伴随的电磁场怎么会是静止的呢？我和我的朋友谈论这个问题时，我做了一个比喻，可能这个比喻并不是很合适。先让我们来看一看这个比喻。 我认为为了形象，我可以拿水波做一个比喻。我们将一个石子抛入水中后，水波开始在水面上传播，水波具有一个波速，这就好像电磁波相对于电磁场具有一个恒定的速度一样。这时我们做一个比较理想化的考虑，由于这里水的平动很小，我们可以认为水是随着水波做上下的波动，水本身不具有平动的速度，这就好像光波具有的电磁场相对于光波处在的空间位点上的电磁场是静止的一样。电磁场会随着光波的变化在空间的位点上表现出强弱的变化，而它本身相对于光波所在空间位点上的电磁场是静止的。 我对于这个参考上的互选逻辑困境的解释就是这样了，对于我的解释的合理性我无法给出一个准确的概念，我只能说我在尽可能合理的解释这一问题。
三、相对性原则 袁树广 伽利略曾说过："只要船是做匀速直线运动，那么在这里所发生的一切现象，你都观察不出有丝毫的变化，你也不能根据任何现象来判断船究竟是在运动还是在静止。"现代的人们往往用这样的话来代替伽利略的这句话：对于一个相对于惯性参考系做匀速直线运动的参考系，它内部所发生的一切力学过程，都不受参考系本身做匀速直线运动的影响。这被人们称作伽利略相对性原理。爱因斯坦则通过光速不变原理、狭义相对性原理和等效原理、广义相对性原理将物理学中的这一原则表述成他的狭义与广义相对论（光速不变原理：光在真空中的传播速度相对于任意物体恒为光速c。等效原理：加速度造成的"重量感"与真正的重力效应一样。狭义相对性原理：物理定律在一切惯性系中所取的形式是一样的。广义相对性原理：任何物理定律在任何参考系中都取相同的形式）。对于这两种对于相对性原则的看法，我想，我在这里应该说的，我在前面我已经说过了，在下面我想说的是我个人对于这一原则的看法。 这里，我将在很大的程度上以确定趋向性原则为基础谈论一些我对于物理学中的这一重要原则的看法。在谈论我对于相对性原则的看法之前，我认为我有必要谈论一个趋势，我认为这个趋势是如此的重要，以至于不谈论它，我将在这里无法继续谈论我对于相对性原则的看法。 我认为我可以说，描述系统中不同物体之间的距离的变化是物理学中十分重要的任务之一。从确定趋向性原则的角度来看，在一个系统的条件完全一定的情况下，系统中物体之间的距离的变化趋势就是给定的了，也可以说是唯一的。我们想要通过物理学来描述这唯一的变化趋势，我们是需要一个立足点的，这个立足点事实上就是我们常说的参考系，我在这里也常用参考标准来称呼它。在我看来：就目前的情况来讲，我们还没有比较充足的理由说明某些物体可以作为参考标准而另一些物体不可以作为参考标准；我们选取了一些物体作为描述系统物理属性的基准，我们又没有发现某些物体具有独特的物理属性和我们选取的参考标准具有的物理属性完全不同使得其不能作为参考标准。由此，我认为，原则上讲，我们还没有充分的理由说明某些物体不可以作为描述系统中物体的物理属性的参考标准，也就是说我们可以选取系统中的任意一个物体作为参考标准对系统中其他的物体具有的物理属性进行描述。说我们可以选取系统中的任意一个物体作为参考标准对系统中其他的物体具有的物理属性进行描述，也就说明其中的任意一个描述的结果都是合理有效的。原因是简单的：如果其中存在着不合理的描述，这就意味着有物体不能成为参考标准；既然一个物体可以成为描述系统中物体具有的物理属性的参考标准，那么通过它描述的结果就必须是合理的。由于系统中物体之间的距离的变化趋势是唯一的，我们又可以任意的选取系统中的物体作为参考标准对系统的物理属性进行描述而且这种描述是合理的，那么我们所得到的所有的关于系统中物体之间的距离的变化趋势的描述结果都是一样的。 在我看来，这是一个很重要的结果，它将告诉我相对性原则中的互选原则是什么样的。我们在对一个系统中的物体具有的物理属性进行描述时，我们的立足点往往不是一成不变的，我们需要解决由一个立足点转移到另一个立足点时物理量发生的变化的问题。由于，选作立足点的两个物体之间的距离的变化趋势是唯一的，它不会因为立足点的变化而有所变化，立足点转移后的距离的变化趋势是不变的。当一个物体成为立足点时，这个参考物体就是静止的了；这时，这个物体所具有的改变距离的能力将被视为前一个参考物体现在具有的改变距离的能力。这就是说，当我们描述系统物理属性的立足点由一个参考物体转移到另一个参考物体时，新的参考物体本来具有的与距离变化有关的物理量将会被看成是完全等价反向转移到了前一个参考物体上。对于两个惯性系来讲，选取的参考标准由其中的一个物体换成另一个物体时，新的参考标准本来具有的速度值将是前一个参考标准现在具有的速度值，不同的是两个速度的方向是完全相反的。对于具有非惯性系的情况，发生变化的就不仅仅是速度了，物体的加速度也会发生同样的变化。这就是说，在有非惯性系的条件下，选取的参考标准由其中的一个系统换成另一个系统时，新的参考标准本来具有的速度值和加速度值将会是前一个参考标准现在具有的速度值和加速度值，两个速度和加速度是同值反向的。这就是我认为的相对性原则下的惯性系条件下和非惯性系条件下的互选原则。这一原则是对于系统中的任意的两个物体都成立的，这也表明我们物理学中通常说的经典的速度的合成与分解的原则在这里是合理的。 由于系统中作为参考标准的物体可以任意的选定，对于一个物体来讲它就不存在什么绝对静止的状态了。我们自然就可以认为一个物体没有加速度的状态是同一个状态了。我们称，处于静止状态的系统和处于匀速直线运动状态的系统为惯性系，它们自然就是等价的了；我们也就可以说，完全相同的发展趋势在这样的几个系统中发生，它们发展的结果是不会有任何的区别的。这就说明惯性系是等价的了。其实，我认为这样的说法还有点麻烦，我觉得下面的说法更简单。由于我们选取的描述系统属性的参考标准都源自我们的系统，系统的全部的条件已经是给定的了，系统的发展趋势就不会发生变化了，我们选取某个物体作为描述系统属性的参考标准不会影响到系统的发展趋势的，我们选取任意一个物体作为参考标准对系统的发展趋势的描述都是合理等效的。这就是说，系统的发展趋势不会因为我们选取的参考标准不同而发生变化，在这一点上任意的参考系都是等效的。 我以上所说的内容再加上我前面说的光的参考原则就是我个人对于相对性原则的看法了。我对这一原则的说明到这里了，我不再分析一些具体的例子了。
四、相对性与惯性--动场问题 笔者：袁树广 前面我谈论了物理学内容中的一个十分重要的组成部分--相对性，在我看来相对性与物理学内容中重要的惯性有着密切的关系，下面就简单的谈一谈这个关系。 在谈论两者之间的关系之前，我们应该先了解相对性及惯性是怎样的，前面我已经对相对性做了一定的介绍了，下面就来谈谈我对于惯性的看法。在分析物理学的问题时，我们往往想知道一个物体在各种复杂的条件下的发展趋势如何，这样了解一个物体在没有外界作用的情况下其本身的固有属性给物体带来的发展趋势就是一个重要的基础了。对于一个物体来讲，我们可以把它所处的状态分为两种：一是静止状态和匀速直线运动状态，也可说是非加速状态；另一类是有加速度的状态。这样，物体具有的固有属性所能够给物体带来的发展趋势也就在前面的两类之中了，一种是维持物体处在非加速状态的能力，另一种则是改变物体处在非加速状态的能力。如果是后者，物体只能选择众多改变能力中的一种。如果是这样的话，力对物体的作用效果将会出现困境。力不能够既给物体维持其距离变化能力的发展趋势，同时又给物体改变其距离变化能力的发展趋势。这是确定趋向性原则不能接受的事情。所以，认为物体具有维持非加速运动状态的能力就是比较合理的事情了。物体的这种维持其初始改变物体之间距离的能力的属性就是我们通常说的惯性。牛顿第二定律， ，谈的就是物体具有的惯性、作用在物体上的力和物体的加速度三者之间的关系。这个关系式被现代的人们认为是在宏观低速的情况下成立的公式。由于我在这里给出了我对光的参考原则的新的观点，我就有必要谈一下这个新的观点对于这样的公式的看法。 前面我认为，光速恒定的参考标准是电磁场，光具有的电磁场相对于外界的电磁场是静止的。这就意味着：在光的传播方向上光具有的惯性无法和牛顿第二定律吻合；而在光传播的其他方向上没有与电磁场有那样特殊的关系，这说明牛顿第二定律有可能对它成立。如果，电磁场是一个绝对静止的参考系，那么光在其传播方向上具有的惯性也就谈不上具有什么变化的问题了。可是，如果电磁场是一个绝对静止的参考系，光速恒定就不会对于任意的物体来讲具有一定的有效性了；而在前面的观点看来，要使得新的光的参考原则成立的话，我们应该使得光速恒定对于任意的物体来讲具有一定的有效性。这样，要使得光速恒定对于任意的物体来讲具有一定的有效性，电磁场就不应该是绝对静止的参考系。这就是说电磁场也是运动的，电磁场之间存在着相对运动，用我的话说，就是动场是存在的。要使得光速恒定对于任意的物体来讲具有一定的有效性，这个动场就应该相对于自身的载体是静止的。那么，我们能够找到这样的载体吗？明显的是，我们应该找到这个载体，否则这里的说法将不具有多大的说服力。 以现代的物理学中的观点为基础，我认为电子是可以作为这样的一个载体的。首先，电子带有负电，其具有静电场；其次，电子具有自旋磁距，电子具有磁场。由于电子是宏观物体的重要组成部分，根据这里的观点就可以对光在介质中传播速度低于真空的光速的现象做出比较形象的解释了（解释比较简单，这里就不谈了）。到此，这里提到的光的参考原则需要解决的基本问题已经初步解决了。 这些内容又和惯性有多大的关系呢？其他的我就不太清楚了，如果物质波是存在的话，物质波在其传播方向上会面对惯性增加的问题，这样一个有关质能关系的方程就应该还是存在的。至于这样的方程是什么，我就不清楚了，因为我觉得现在还有一些问题没有解决。好了，关于动场的问题我就简单的谈到这里了。
五、惯性定律与场的传播速度 袁树广 惯性定律与场的传播速度，这是我在这部分内容中要谈论的最后一个话题了。还记得前面我用水波来比喻电磁波的电磁场吗？这里要谈的内容和那里的内容有较大的关系。现代的物理学界的一个较为普遍的观点认为光速是一个极限速度，那么静场的传播速度真的是以光速为极限吗？我们先来看下面的一个例子。 牛顿定律告诉我们，具有质量的物体之间具有引力，具有质量的物体的周围存在着引力场。如果说这种引力场在空间中发生位置的变化需要一个有限的传播速度的话，我认为我们会发现一个与牛顿的惯性定律有冲突的现象。下面我来介绍一个这样的现象。 对于一个做匀速直线运动的物体来讲，它具有质量，它周围存在着引力场。这样的一个物体由一个位置运动到另一个位置的过程中，这个物体会因为它本身的引力场在空间中发生位置的变化需要传播时间而受到引力的作用，这是因为物体到达新位置时会接收到前面的某个位置处物体发出的引力场，这样物体将不再做匀速直线运动。这是一个与牛顿惯性定律有冲突的结论，因为牛顿惯性定律认为，一个物体在没有受到外力作用时会保持静止状态或匀速直线运动状态。 我个人认为，牛顿惯性定律不应该轻易的改变，因为我认为我们还没有做好充分的准备去改变它，由此，认为问题出在静场具有传播速度上是比较合理的事情了。和前面的观点类似，我认为静电场、静磁场、引力场是一样的，它们与载体物体同步，它们本身不具有传播速度。这样前面的冲突就消失了。 |