8,相对性原理和参考系
自从相对性原理被伽利略发现之后,科学的天空变得开阔起来,研究方法也变得简单了。但是,自发现至今有几百年的时间过去了,我们对相对性原理背后的原因仍是研究得不多,知之甚少,知其然,而不知其所以然,致使我们在一些科学研究中仍时时感到困惑和茫然。
宇宙中有无穷多的天体,宇宙中的天体划分了层次,如星系、恒星、行星和卫星,至于星系上面有多少个层次,我们现在还不得而知,但肯定是有的。所有的天体都在运动。但是天体的运动不是杂乱无章的,运动是有规律的,恒星围绕星系中心运动,行星围绕恒星运动,卫星围绕行星运动,井然有序。维系天体上下级关系而不致系统分崩离析的力量是万有引力。但是,举例来说,太阳为什么没有把地球吸引过去呢?因为地球围绕太阳的运动产生了一种离心力,该离心力与地球受到太阳的引力相抗衡,并且基本相等。这就是说,地球虽然时刻要受到太阳引力作用,但是由于其围绕太阳运动造就了与太阳引力基本相等的离心力,致使地球受到的合力基本为0,也就是说地球相对太阳的重力为0,这也是我们通常所说的“失重”状态。
引力无处不存在,所有天体都在围绕上一级天体在运转,并在上一级天体的带领下围绕上上一级天体在运转,如此类推上去。由此可知,所有天体的运行轨迹都是曲线,所谓的匀速运动、直线运动和匀速直线运动实际上是不存在的,只是存在于人脑的理想情况,是一种在精度允许范围内的近似的描述。举例来说,火车在水平笔直的路轨上运动,我们往往把它描述为直线运动,实际上它是沿着地面围绕地心做的曲线运动。
运动是相对的,要涉及到参考系的问题,同一物体相对于不同参考系其运动速度是不同的。以地球为参考系,月亮的运动速度为1023m/s。若以太阳作为参考系,则月亮的运动不是这个速度了,因为月亮在地球的带领下围绕太阳运动,所以月亮在太阳参考系中的速度应在地球的公转速度(30km/s)附近波动。
运动速度又是绝对的,这包含着两层意思。第一层意思是指速度标准的绝对性,在任何参考团中,相同的速度意味着在相同的时间内走过了相同的距离,这是基于时间和长度的绝对性而来的。第二层意思是说世界是有序的,分层次的,低级层次的天体围绕上级层次的天体运动,如地球围绕太阳运动,月亮围绕地球运动。由于低一级层次天体在继承了上级天体运动速度的基础上,又复合了自身绕上一级天体的公转速度,所以下级天体运动速度比上级运动速度快,如地球要比太阳的运动速度快,月亮要比地球运动速度快。有人会反驳说:地球的公转速度达30km/s,而月亮的公转速度只有1km/s多点,怎么说月亮比地球的速度快呢?殊不知,这是局部的相对速度,从更大范围看,月亮也是以30km/s的速度跟着地球绕太阳转,另外又加上了一个围绕地球转的速度,理所当然月亮比地球的速度快。天体发射的光的速度跟天体自身的速度反方向变化,下级天体比上级天体发射的光的速度要慢些,如地球的光速比太阳的光速慢,月亮的光速又比地球的光速慢。世界是复杂的,譬如说银河系,虽然整个银河系都在围绕其中心运动,但中心不是一个普通概念上的中心体,所以星系内部光速的变化情况可能更为复杂,有待进一步研究。
牛顿的绝对时空是对的,速度的相对性和绝对性同时存在。如果泛泛地说物体在宇宙中的运动速度是多少,则这个速度超脱于具体参考系的局限,或者说该速度是相对于绝对时空而言的。天体散发的引力场在空间是连续的,因此空间中运动的物体所受的力的变化也是连续的,速度的变化也是连续的。每个天体都有一个以脱离速度为标志的势力范围,如果在天体上发射的速度超过了这个标志线(V= ,M:天体质量,r:天体半径),则原天体就管教不住了,就要交由上一级天体来约束和管理。如地球的脱离速度为11.2km/s,超过这个速度,物体就挣脱了地球的引力而成为绕太阳运转的行星。在接近光速火箭内发出的光,相对火箭还是光速,这句话不错,顾名思义,光的速度自然是光速.但是虽名称同为光速,可实际的光速值可以天隔地远。有的,如类星体发射的光速可以是地面光速的几倍,有的,如刚才所说的接近光速的火箭发出的光,其相对火箭的速度恐怕可以不到10km/s.
物理定律在一切参考系中都具有相同的形式,这就是相对性原理.相对性原理背后的道理是什么呢?我们以具体事例来阐述.我们在考察地球系统内的物体的运动和受力等问题时,完全不用考虑太阳、银河系对物体的作用和影响,而只须考虑系统内部的情况即可。为什么呢?我们知道,改变物体运动状态是有力作用的缘故。太阳对物体的确时刻有引力的作用,但是物体随地球公转,产生的离心力基本恰好与太阳的引力相抵消,这等于我们不用考虑太阳的引力作用,当然也不用考虑公转速度带来的影响,一切都抹平了。同理可知,银河系的引力也同样被太阳带领其家族绕银河系中心公转速度产生的离心力给抹平了。上一代的债权债务由上一代都结算清楚了,下一代完全不用担心。也就像图画簿,揭开了新的一页,一切可以从头开始。由于系统外的物体对系统内的物体作用力为0,所有的惯性参考系都处于同一起跑线上,自然它们的运动学规律形式上也是一样的了.
天体绕中心体运动产生的离心力并不总是与中心体对其的引力恰好相等的,因为天体运行的轨道不是正圆,而是椭圆,再加上引力的传播不是瞬时的,而是以有限的速度传播的,这些因素导致了引力与离心力的微小差异,所以宇宙中所有的参考系都不是精确的惯性系,这也导致了天体在绕中心体运行中的进动现象。
例:若月亮位于太阳与地球之间,离地球38万km,求月亮分别相对于地球和太阳的运动速度.
解:设月亮相对于地球的速度为 ,相对于太阳的速度为 ,太阳的质量为 ,地球的质量为 ,月亮的质量为m,日地距离为1.5×10 m,则月亮到太阳的距离为:
1.5×10 -3.8×10 =1.4962×10 m
列方程: ,
根据数学知识知,等号两边同时加或减一个相同的数,不影响整个方程的解.这就是说,引力与离心力可以相等,也可以不相等.大量的天文观察事实和计算表明,在各个参考系中,引力和离心力是相等的,即方程两边都等于0,可以分别计算.
代入数据计算得:
如果单纯从引力方面考虑,月亮则在日地之间离地球26万km处取得引力的平衡,离地球更远一点的话,则要被太阳吸引过去.之所以月亮在离开地球38万km而仍然甘心做地球的卫星,没有被太阳吸引过去做它的行星,正是因为月亮相对地球和太阳有不同的运动速度,产生了不同离心力的缘故。
9,光速是不变的吗?
说光速不变起码要有两方面的证明:一是速度叠加,一是位能转化。以前做的光速叠加实验,光速测量精度不够,不能算是合格的实验,而位能转化实验根本就没有做。可以说,爱因斯坦的相对论是建立在没有得到证实基础上的空中楼阁。
在光速变不变的问题上,最著名的实验恐怕要数迈克尔逊---莫雷的实验了。相对论者也每每拿这个实验说事,实际上,迈莫实验根本不能用来说明光速是否可变。迈莫实验全部在地球上做的,地球好比伽利略做理想实验中的那条船,干涉条纹移动为“0”是必然的实验结果,这用伽利略相对性原理很容易说明。要观察到地球公转速度引起的干涉条纹移动现象,实际上不可能做到,但可以做理想实验:因为地球公转30km/s的速度是相对太阳参考系而言的,要观察到因地球公转引起的干涉条件纹的移动现象,必须在实验中体现这个速度。要体现该速度,那么置于地球运动方向上的那个臂上的反光镜应相对太阳静止,而以30km/s的速度与地球作相向运动,这时该反光镜相当于一个新光源。这样做才彰显了地球的公转速度,因而可以观察到干涉条纹移动。而原来的迈莫实验,虽然说是考虑地球的公转速度,但实际上,实验根本不涉及公转问题,起码在实验中没有体现出来,因而也就无所谓地球公转速度引起的干涉条纹移动现象,所以迈莫实验从根本上说来是一个无效的实验。迈莫实验并非没有发生一点干涉条纹移动现象,当然不是公转速度引起的,而是地球的引力和自转速度所引起的。在此,我有一个意外的天大发现,迈莫实验原来是一个地地道道的证实相对论错误的实验。根据爱因斯坦相对论“尺缩”效应原理,竖直的臂长不产生尺缩效应,而放置方向与地球运动方向相同的臂长将会产生尺缩效应,显然在此效应下的迈莫实验应该有干涉条纹移动现象的发生。此现象应该发生而未发生,说明了什么呢?说明运动并未产生“尺缩”效应,因而迈莫实验倒是恰恰证明了相对论是错误的。有人要讥笑我不懂相对论了,他们说“尺缩”效应要涉及到两个不同的参考系,观察者与被观察物体分别处于两个作相对运动的参考系中,这样观察者才能观察到另一个参考系中的被观察物体的”尺缩“效应,如果观察者与被观物体是处在同一参考系中,则是观察不到”尺缩“效应的。我的确不懂相对论,但还有起码的逻辑思维能力,为了清楚直观地阐述,下面以相对论的观点假拟一个实验,并进行正常的逻辑推理,用反证法凸现出相对论所谓的“尺缩”效应的荒谬。
地面上停着一列火车,车上有两根长度绝对一样的圆口钢管,一根顺着火车头尾方向水平放置,另一根竖立。火车开动后,地面的观察者会发现水平放置的钢管长度变短了,竖立的钢管长度未变,只是变瘪了。车上的观察者应该能感觉到竖立的钢管比水平的钢管要长些,当他用尺子测量的时候,却发现两根管的长度是一样的,两根管子排在一起横着量竖着量都一样。以相对论的观点看,这是不奇怪的,因为尺子也在变,在两个方向上的标准变得不一样了。假若车上的观察者有一根不变的尺子,尺子不会随着车子的速度的快慢而伸缩,标准是地面尺子的标准。当他用这根特别的尺子去量的时候,他会发现竖立的钢管与水平放置的钢管的长度是不一样的,测量的结果与地面观察者测量的结果是一样的。当然他不会有这样的尺子,好在伟大的爱因斯坦给了另一类可代换的尺子----光速不变的尺子。车上的观察者用这把新尺子就可使两根钢管因摆放状态不同致使长度不同的现象给揭露出来。观察者在车上做迈莫实验,他应该能观察到干涉条纹移动现象,只要光速不变原理和”尺缩“效应都成立。类比可知,在地面上做迈莫实验同样可观察到干涉条纹的移动。利用“尺缩”效应还可做很多有趣的实验,譬如说,车上有个圆环,当环面竖立与车前进方向垂直的时候,圆环是圆形后,立着转过90度,圆环变成椭圆了,就像川剧中的“变脸”。可是用尺子去量,椭圆的半径都一样长,又说明它是一个圆,也好比闻起来臭吃起来香的臭豆腐干,看着是个椭圆,量起来就是个圆。
相对论的两个参考系的条件并非必要,目的应是取“静系”的标准,如果能把静系的标准移植到动系中去,则可省去“静系”。所以,在一个系内做迈莫实验,应该可观察到干涉条纹移动现象。观察不到,只有一种解释,相对论不正确。
说光速不变之说毫无事实依据也不实事求是,很多人,包括不少著名的科学家都作过光速测定实验。他们进行了不同光源速率下的光速测量,结果不管光源的速率如何,所有测量的光速越来越趋于同一个数值,光速似乎与光源的速率无关。这就证明光速不变了吗?我认为理由不充分,它只能说明有关于光的速度变换不能再用伽利略速度变换。光速变不变是一回事,变多少?怎么变是另一回事。即使变得非常微小,只要是变了,就不能说光速不变。好比说给孩子量身高,今天量100cm,明天还是100cm,,连续10天都是100cm,便说这孩子不再长高了,这话能令人信服吗?
光速测量技术在改进中不断提高,现在确认达到米级的水平,这么快的速度能达到这个程度是很了不起的进步,但是要用这个精度来判断光速变不变仍是不够的。无数的实验充分证明了有关光速的变换不是伽利略变换,但没有一个实验能确实证明光速是不变的。本人研究后认为,涉及光速的速度叠加,是以能量守恒为基础的速度变换,公式为:
V:光源速度;C :以光源自身为参考系测出的光速;C :在地面参考系测出的光速。
举例来说,地面上有一快速列车,速度达到6000m/s,车内有一车灯,在车内测得的灯光速度为299792458m/s,问在地面上测得该车灯光速是多少?将数据代入公式得C =299792458.06m/s。从本例可以看出,光源的速度(6000m/s)这么快,可是复加在光速上,只能使光速增加那么一点点(0.06m/s).以前所作实验,有谁使用的光源有这么快的?一般使用的光源速度要低得多,再加上精度的制约,所测光速”不变”,得出光速与光源的速度无关的结论也就毫不奇怪了.
以上我们简单讨论了光速的叠加,现在我们讨论光的动能与位能的转化.光作为一个物体,一定是有质量的,光子在引力场中一定要受到引力的作用,一定有相对的位能,也一定像其它物体一样可以进行动能与位能的转化。当位能转化为动能的时候,光子的速度应该增加,当动能转化为位能的时候,光子的速度应该减小。由于光的速度太大,如果没有足够大的位能转化,转化后光子速度的增减是显现不出来的。这也是我们直到目前为止,尚没有因为位能的变化而测到光速变化的原因。光在引力场中,也可能保持光速不变,这倒不是光子的质量为0,质量是绝对不可以为0的,而是因为受到速度效应因子的影响,光子受到的引力可以为0。我们在前面给出的引力速度效应因子为γ=1+ ,对与引力场方向一致的光子来说,γ=2,“1”后面之所以是“+”号,主要是为了迎合光线经过大质量天体时光线偏折角计算需要,实际上我不能肯定一定就是“+”号,因为光线经过太阳的偏折角本身都没有十分的确定。也有可能是“—”号,如果是“—”号,则对光子来说,γ=0,光受到的引力为0,加速度为0,自然光速不变了。不管怎么样,光速变也好,不变也好, 结论应是在实验测量之后,而不应是在实验测量之前。
怎样才能弄清在引力场中光速是否发生变化呢?这就要到引力场中引力加速度相差尽可能大的两个可去测量的地方去测量光速,然后比较之,如利用空间探测器在离太阳不同距离的空间测量光速.根据经典机械能守恒公式: 计算可知,距日心5×10 m与1.5×10 m的空间的光速差约为6m/s.若算上引力速度效应的修正,则上述光速差约为12m/s.这么大的速度差应是完全可以测量出来的.
如果目前到遥远的太空测量光速尚有困难的话,那么也可以在地球上做这项工作。地球在近日点与太阳的距离(1.471×10 m)跟远日点与太阳的距离(1.521×10 m)相差有500万公里,若以未用速度效应因子进行修正的经典机械能守恒公式计算,两点的位能差可转化为0.1m/s的光速差,即近日点的光速比远日点的光速快0.1m/s, 若以修正后的机械能守恒公式计算,则近日点的光速比远日点的光速快0.2m/s.目前光速的测量正是在这个精度上止步不前,无论怎样进行精确的测量,光速值始终不能统一,我猜想其中的原因可能不光是测量技术和人为误差,另外一个很重要的原因是在轨道不同的地方光速本来就不同.所以在不同的时间中测量的光速应该是不同的,不过相差的范围不应超过0.2m/s.
有人说光速不变是有理论根据的,他们所谓的理论根据是指麦克斯韦光速计算公式:C = ,C :真空中的光速; :真空介电常数; :真空磁导率.那么,请问: 和 是怎么来的,它们都是不变的吗?又何以证明它们是不变的呢?实际上它们与真空中的光速属于同一性质的问题,变与不变都未得到证实,都有待于实验的确证,总不能用本身没有证实的东西来证实另一个待证实的东西吧!麦克斯韦理论并未说 和 是不变的。我认为 和 也是可变的,它们都是表示空间性质的物理量。假如真空真的什么也没有,那又何来的性质? 和 又是如何决定和产生的?在地球大气层外的广阔空间,我们把它称为真空,真空真的什么也没有吗?处处都一样吗?显然不符合事实,起码有引力场,引力强度处处不同。可以想象,如果真空什么也没有,则 和 要么是无穷大,真空中的光速为0; 和 要么无穷小,真空中的光速无穷大。这两种情形都没有发生,只能说明“真空”不空。真空不空,意味着常数不常。一切皆运动,一切皆变化,宇宙充满了辩证法,物理常数不常,此时是一个数,彼时变成了另一个数,此地是一个数,彼地变成了另一个数。不过,变化是有规律的,不是乱变,是在一定范围内变,在一定精度范围内,“常数”还是可看作常数的。真空中的光速可以根据真空介电常数(ε。)和真空磁导率(μ。)导出。既然真中的光速因引力强度不同而不同,则真空介电常数(ε。)和真空磁导率(μ。)也必将因引力强度不同而不同。
要确定光速不变,必须得到全方位的实验证实。时间与空间的组合有四种形式:同时同地、同时异地、同地异时、异地异时。爱因斯坦的光速不变理论除了在“同时同地”方面尚有些“根据”外,对于其它三种情况毫不根据可言。所谓的变与不变,是相对而言的,是比较来说的,没有比较,就不存在变与不变的问题。同时同地测量光速,实际上是一次实验,不存在比较的问题,也就不存在变与不变的问题。所谓的光速不变可以解读为光速的各向同性。总而言之,光速不变无论是从理论上,还是从实验事实上都是未得到证实的假说,并且这个假说很不合理,存在很多难以克服的矛盾和问题。
没有一个实验确切验证光速不变,倒是有不少实验旁证了光速可变。光从低处射向高处,由于增加了位能,根据能量守恒原理,动能应该减小,也就是光的速度减小,反之,则速度增加,这是顺理成章的事情。本来在引力强度不是很大,距离不是很大的情况下,光速的变化是无法验证出来的,但由于穆斯堡尔效应的发现和成功应用,使这种验证成为现实。计算光从地面射到22.6m高处,光速的变化率:
根据机械能守恒公式:
设C 为地面光速,299792458m/s; C :22.6m处的光速;G:引力常数6.67×10 ;M:地球质量5.97×10 kg :地球半径6371000m; :地心到离地面22.6m处的距离6371022.6m
光速变化率为:k=1- ,通过数学运算,代入数据,解之得k=2.46×10
把光速看作可变,用经典理论解释简单明了,相关计算也很简单,中学生都能解.只因爱因斯坦经典理论说了几句话,按着经典理论公式计算得到了正确的结果,原本与相对论格格不入的现象,却成了对相对论的验证,不知天理何在?真叫人郁闷.
引力加速度对光速的影响显得尤为重要,我研究后得出的结论是引力加速度对光速的作用是决定性的。引力加速度大的地方当光速大,引力加速度小的地方光速小,地面的引力加速度比日面的小,故地面的光速比太阳的光速小。经计算,太阳表面的光速要比地表的光速快633m/s。半径小、质量大、密度大的中子星的光速更快。宇宙空间无处不存在引力场,引力加速度无处不在变化,故光速处处时时都在发生着变化。时间和位置,只要是其中有一个发生了变化,光速必发生变化。时间相同,位置不同的,显然两位置在同一时间上的引力加速度不同,即使从某一参考系看来,引力加速度相同,但从另一参考系看来,引力加速度也是不同的,例如说,地球赤道海平面上不同的两个地点,以地球作为参考系,这两个地点的引力加速度是相同的,但以太阳为参考系,引力加速度却又是不同的,尽管差别非常微小,但毕竟有差别,这引力的微小差别,导致了光速的微小差别。有时,某一位置的引力加速度,从几个起决定作用的参考系看来是相同的,但从更多更大的参考系看,引力加速度又是不同的,如前例,若太阳在那一点上的引力加速度也相同,那银河系在那一位置上产生的引力加速度可能不同......时间不同,位置相同的,情形也是如此。实际上,从运动的观点看,不存在位置的绝对相同。总而言之,光速是可变的。
点光源在任何位置上发射的光线是各向同性的,频率、波长和光速都一样,但发射之后,不同方向的光线受到的作用是不同的,因此变化是各不相同的。宇宙中引力的变化是有统一规律的,与引力相关联的频率的变化也是统一性的,因此来自不同光源的光线频率,不管初始频率的差异有多大,但到达同一地点时,所有光线的频率都趋于一样了。而天体的自转速度没有统一规律,具有高度的“自主性”和不确定性。如地球早期的自转速度比现在快得多,而同时自身的质量和环境并未发生多大变化。光线的发射波长与天体的自转速度相关联,而光线的波长在传播中又不受引力的影响,所以不同来源的光线发射的波长不同,则到达同一地点的波长也是不同的。波长不同,导致光速不同。同类天体的自转速度一般差异不是很大,因此波长造成的光速差异也不会很大,这可能也是我们测到的来自不同天体的光速好象没有什么变化的原因。
相对论光速不变理论并没有无懈可击的实验证实,也没有缜密的科学的数理推导,只是一个似是而非的假设。自从光速被国际计量大会规定为一个具体数值后,光速测量工作及其技术改进几乎陷于停顿,再无所进展。这一规定实质上就是确立光速不变,这个决定是非常荒唐的,因为没有任何的确切的事实根据,完全是凭感觉作出的。当然,随着测量技术的改进与提高,光速值似乎愈来愈趋于一个确定的数,但那时的光速测量技术精度不是很高,略显粗糙,并没有充足的理由就此推理出光速不变.即使在速度叠加方面光速是不变的,但也不能无厘头地做出在动能与势能的相互转化中光速也是不变的,因为这方面的光速测量实验根本就没做,如此归纳出的结论显然是以偏概全,并不可靠.
主流物理学宣扬相对论得到了许多的实验验证,其中夏皮罗雷达回波延实验作为相对论第四个实验验证,下面我们看看该实验是如何验证的。
夏皮罗雷达回波延实验表面看起来原理很简单,可我最不理解最怀疑的就是这个实验。所谓延迟,就是在时间方面相比较来说的,这个比较实验下的两次实验的距离是怎样能做到精确的相等?若距离不同,时间的比较还有意义吗?我实在想不出有什么好办法能使光线在经过太阳旁边和远离太阳这两种情况下传播的距离做到精确相等。再者,即使两次实验的距离能做到精确相等,那也不能说明问题。如果按光速可变理论,光传播相同距离所用的时间也是不同的,怎么就肯定时间的延迟一定是相对论效应呢?我想这个比较实验应该这样做:首先要充分保证光线经过太阳旁边和远离太阳的两次实验的传播距离精确相等。接下来有两项工作,一项是时间测量,即精确测量对比实验在两种情况下光线传播实际花费的时间。第二项工作是时间计算,计算有两个方面:一方面是按光速不变,时空弯曲的相对论方法计算,另一个方面是按光速可变的经典理论方法计算。再将两个理论计算值与实际测量值分别相对照,相吻合的是正确的理论,不吻合的是错误的理论;如果两个都吻合,则说明相对论没有必要,因为它比经典理论复杂得多;如果两个理论值与实测值都不吻合,则说明两个理论都不是精确的理论。
实验只有这样做才能服人心,结论才有说服力,才显得无懈可击。一个单方面的实验,尚且不论实验方法正确与否,怎能遽下结论就说相对论正确呢?我查找了有关这个实验的许多资料,却没有一个资料详细介绍实验情况和具体做法的,都只是信誓旦旦而泛泛地说实验以最高精度验证了相对论。不知其实验方法,自然挑不出其毛病。我想绝大部分宣扬此实验验证了相对论正确的维相者们,对此实验情况的了解也和我差不多吧!他们随声附和,凭什么就说该“实验”是对相对论的验证呢?
夏皮罗等人进行的对水星雷达回波延迟实验,说最大延迟时间为240微秒,折算成距离为72km,单边36km。水星近日点与太阳的距离为4590万km,远日点与太阳的距离为6970万km,差值为2380万km,水星的公转周期88天,半周期44天,计算可知,水星与太阳的径向距离平均每秒变化6km,即水星与太阳的距离后1秒比前1秒增加或减少6km。也就是说,如果两次实验的时间相隔6秒钟,就可能因距离的变化造成回波延迟240微秒。更何况雷达波经过太阳旁边和远离太阳的两次实验相隔很多天,根本无法做到两次的距离精确相等。因此我断定夏皮罗的雷达回波延迟实验是一个假实验。
光速可变,光速不是一个确定的数值,超光速的说法也是不科学的,它实际上带有光速不变的残留。但光速有没有极限呢?这个问题目前只能这样回答:如果黑洞确实存在的话,光速则应是有极限的。
相对光源的光速的大小与原子钟振动频率成正比例关系,关系式为:
,因 ,故有:
、 :原子钟振动频率; 、 :光源所在参考系的光速; 、 :光源速度。
若以某特定原子在某一参考系的振动频率规定为统一的单位时间标准,则经过简单的推理可知,各个参考系算出的光速具有不变性。由此看来,即使按前文所讲的验证光速是否可变的实验方法,到宇宙空间两个存在巨大引力差异的地方测量光速,也不能测出光速的变化,因为相对光源的光速与频率作了同步的变化。要测出光速变化,须要采取对钟等辅助措施。这个问题我们在前面“时间”章节中已作过讨论,错误的根源是把振动的次数作为了时间的标准,而不是把振动次数背后的时间作标准,相对论光速不变原理就是犯了这个形而上学的错误.
10,速度变换
速度把长度和时间联系在了一起,本来在经典理论中,长度是不变的,时间也是不变的,两者通过简单的速度公式就能进行由此及彼的计算,可以说根本就不存在所谓的时空变换这个概念的。然而,爱因斯坦一个光速不变的假说,把一个有条有理的时空搞得纷纭复杂,智商160的人都不能理解。我认为通过合适的速度变换,并解决好在伽利略速度变换中出现的问题,完全可以把相对论变幻莫测没有必要的变幻时空给废除掉,重新迎来一个澄清明朗的时空。下面作这方面的尝试。
火车的速度为V ,人在车上沿走廊走动的速度为V ,则人相对于地面的速度为V=V ,这是经典理论速度合成的基本常识。我们知道,地球是一个大球体,物体在地面运动可近似看作是圆周运动。物体作圆周运动就要产生离心力,不管运动速度大小怎样,只要有运动,都有或多或少相应大小的离心力产生。离心力计算公式为:F= ,方向向上。物体还要受到地球引力的作用,引力计算公式为:F= ,方向向下。两力作用在同一条直线上,方向相反,可以相互抵消。物体速度大,产生的离心力就大,抵消的引力多一点,物体所受合力就小一点。反之,物体受到的合力就大一点。当离心力达到与引力相等时,物体处于失重状态,对地面的压力为0。这时的速度为V= =7909m/s.这是物体尚能保持在地面上的最后也是最高的速度。在达到这个速度之前,物体保持在地面上,速度的叠加适用矢量合成法则。速度合成的一般计算公式为:
V= ,方向为:tgβ= ,
式中α为速度V 和V 之间的夹角,β是速度和V与速度V 之间的夹角。当两个速度方向一致时,合速度为:V=V +V .
值得注意的是,地球在自转,有一个自转速度,赤道的自转速度为:V= ≈464m/s,方向向东.在计算合速度时,要注意是相对于什么参考系的,若以地心为参考系,则要加上地球的自转速度.
例1:在赤道附近,火车行驶的速度(V )为100m/s,人向车头跑动的速度(V )为10m/s,求火车向东、向西、向北行驶时,人相对地面的行进速度(V)与方位角(β)。
a, 火车向东行驶:V=464+100+10=574m/s,方向:东。
b, 火车向西行驶:V=464-100-10=354m/s;方向:东
c, 火车向北行驶:
V= =476.8m/s
方向:tgβ= = , β=13.3 ,东偏北13.3
当物体在地面的合速度(相对地心)超过7909m/s时,物体就要脱离地面升到空中,动能开始转化为位能.物体的合成速度再用上述经典速度合成公式计算显然已经不适合了.物理公式是客观现实的反映,脱离现实的纯数学公式是没有意义的,这反映了经典速度变换公式有其应用上的局域性。
物体受到力的作用可行动受到限制,我们称这种状态为不自由态,如地面上的物体受到地球的引力作用,它应该向地心运动,可是它又受到地面的支承作用而无法运动,处在这种状态下的物体,动能与位能不能自由地转化,故其多个速度的合成用经典速度合成公式计算;物体的行动不受到限制的状态为自由态,虽然物体也受到力的作用,但可在力的作用下自由运动,动能与位能可无阻碍地进行转化。独立的物体(包括行星卫星等单个天体)都是自由态物体,如人造卫星,只要受到的合力不为0,它就可沿力的方向上下左右前后任意运动。对于处在自由态物体的速度变换,只涉及动能与位能转化的,用机械能转化和守恒公式(变形)进行计算:V ,可以说,这也是一种速度变换公式。两物体碰撞,速度的改变可根据动量守恒定律公式进行计算。
关于有光参与的合成速度的计算,实验证明经典的计算方法和公式已经失效,而相对论速度变换有很多问题。本人根据守恒原理,推出了一个全新的光速叠加公式:
C ,
C :相对光源的光速;V:光源速度;C :C 与V合成后的光速,即光相对于V所在参考系的光速。
公式的推导思路:假如有列速度为V火车,车体上每个粒子(包括发射前存在于车灯上的假想光子)相对地面的动能为 ,在车上测得车灯的光速为C ,光相对火车参考系的动能为 ,设地面上测得的车灯的光速为C ,光相对地面参考系的动能为 ,本人认为任何参考系中的能量是等价的,根据能量守恒原理得: + = ,→ C
以上说的是光速的合成情况,但是光源发射的光速大小是如何决定的呢?我认为,光速的大小是光源所处位置的重力加速度决定的,重力加速度大,光源发射的光速就快,反之就慢。重力加速度又是由当光源所在天体的引力和光源绕天体中心的运动速度共同决定的。光源受到的引力大,发射的光速就快,而光源运动产生的离心力与引力是相互抵消的,所以光源绕天体中心运动得越快,抵消的引力就越多,发射出的光速就越慢。显然天体在无自转、光源的运动速度为0的情况下,发射的光速是最大的,以 表示,光源绕天体中心运动速度用V表示,光源绕天体中心运动速度为V时发射的光速用 表示,三者之间有如下关系:
例2,假如在近日点时,在赤道附近精确测得光速为299792458m/s,若赤道附近有一列火车以100m/s的速度由西向东行驶,问在车厢内和地面上该车车灯的光速各是多少?
解(1),先求地球在没有自转、光源运动速度为0时发射的光速
=299792458m/s, V=464m/s,将数据代入公式 得
=299792458.000359m/s.
(2),计算车灯在地面上的光速:
=299792458.000359m/s.V=464+100=564m/s,代入公式 中,计算得:
车灯在地面上的光速为: =299792457.999829m/s
(3),计算车厢内的车灯光速:
= =299792457.999829m/s V=100m/s (注意V不是564m/s),根据公式C 计算得:
车厢内的车灯光速为: =299792457.999812m/s
例3,若光源的速度(包含了地球自转速度)达到7909m/s,问在地面上测得的光速又是多少?
解: =299792458.000359m/s.,V=7909m/s, 代入公式 ,得:
此种情形下地面上的光速为: =299792457.896033m/s
这表明在近日点时,地面的光速在299792458.000359m/s至299792457.896033m/s之间,最快可达299792458.000359m/s,此速度是光源在两极点处及在赤道附近以464m/s向西运动所发射的光速.最慢是光源相对地心的运动速度达到环绕速度(7909m/s)所发射的光速.这种情形下地面的光速仍有299792457.896033m/s.在这两个极端速度之间,光源相对地心绕行运动速度越快,发射的光速就越慢;光源速度越慢,光速就越快.
与光源发射的光速有一个相似性的问题,地球的公转为什么可以拖曳以太?而自转不能拖曳?本人经过反复的思考,认为这是因为公转造就的离心力与太阳的引力达成了平衡,物体所受的合力为0,而相对地球的引力来说,地球自转造就的离心力不足以抵消物体所受的引力,不过随着物体运动速度的增大,造就的离心力也随之逐步增大,抵消的引力也就更多点,当速度达到7909m/s时,造就的离心力抵消了所受到的全部引力.
C = +C 仅仅适用于有光生成下的速度变换,对没有光生成的一般速度的合成则仍适用伽利略变换:V=V +V 。这是不是违反了统一律呢?没有,因为这两类速度的合成机理是完全不同的。没有光生成的速度合成,分离的两部分只有量上的差异,没有质的方面的不同,分离出来的子体对剩余的母体不造成质方面的影响。如在运动的火车(设速度为V )上,有一个苹果,这个苹果随火车以V 的速度运动,假如该苹果以速度V 向前抛出车外,则苹果相对地面的速度V是:V=V +V 。因为苹果在抛出前后并未有质的变化,也未对火车造成实质性的影响;有光生成的情形就不同了,光在母体中原本是不存在的,是发射之时临时生成的,它的生成对母体是有实质性影响的,不是从母体中无区别地分离出一部分,而是从母体中抽取凝结的精华,光的生成发射对母体(光源)造成能量降低等等一系列的变化,这种变化不仅是量上的,而且是质上的。我们知道,光子是电子从高能量轨道跃迁到低能量轨道时生成的,它不是从电子中“切”下的一块,而是从整个电子中抽取出的一定分额的能量。电子自身的运动速度远没有光速那么快,它却能生出宇宙中最快速度的“儿子”,这就是宇宙奇妙之处,可惜其中奥秘我们了解甚少。
有光生成的速度合成与变换要用新的速度变换公式(之一):C = +C 。
1,同一引力层面上光源不同速度(V)下发射的光速( )公式:
=V + (层面1,如地面. :光源相对绕行天体中心的运行速度为0时发射的光速)
+ (层面2,如高空.:光源静止时发射的光速。 :光源在空中以速度 运动时发射的光速)
2,从一引力层层面到另一引力层面,动能位能相互转化下的速度变换公式:
- .
3,综合速度变换公式(以上公式的几种组合):
a,V + -
b, -
c,V + -
下面运用速度变换公式进行光速在几种情形下的计算:
首先设近日点、远日点的日地距离分别为R 、R
地面点、太空点离地心的距离分别为r。、r
以太阳为参考系的近日点R 、远日点R 与以地面为参考系的地面点r。、太空点r有四种组合形式:
a,近日点地面点R r。,光速以C。表示。
b,近日点太空点R r,光速以C r表示。
c,远日点地面点R r。,光速以C r。表示。
d,远日点太空点R r,光速以C r表示。
C。为近日点地面点的实测值,取299792458m/s,其它点的光速以此作基准,按能量守恒推算而得。
(1),计算远日点地面点的光速C r。
根据能量守恒定律可得:(C r。) =C - +
M:太阳质量;R :近日点日地距离; R :远日点日地距离;G:引力常数
把相关数据代入计算可得C r。≈C -0.1 (m/s)
(2) 计算近日点太空点的光速C r
C - =(C ) -
m:地球质量;r :地球半径; r:太空点到地心的距离
若r取26400km,即光子离地面20000km处,代入相关数据,可得:
C =C -0.158 (m/s)
(3),计算远日点太空点的光速C
(C ) - (C ) -
将(C ) =C - 代入上式得
(C ) = C - - + ,
R 取1.4710×10 m, R 取1.5210×10 m,r 取6.40×10 m,
在地球位于近日点时,离地面20000km太空点(r=26400km)上,计算得光子的速度为C =C -0.2569(m/s).即地球位于近日点时,地面上的光速比地球位于远日点时离地面20000km处的太空点的光速快0.2569m/s,这个速度差利用空间探测器和现在的光速测量技术完全可以测量出来。
在比较和计算两物体的相对运动速度时,由于两物体的运动是各自独立的,彼此的速度并不受到对方的影响,不存在速度叠加,故两物体间相对速度的计算应该用经典理论下的矢量和法则.两个物体最高分离速度可以达到2C。
任何物体都必须遵守物质和能量守恒定律,概莫能外,光子同样也不能例外。在宇宙中任何位置上,同一个光子所具有的能量都是相等的,不同位置,光子的速度可以不同(动能不同),位能可以不同,但动能和位能的和必须相等。动能和位能相互转化,此消彼长,此消多少,彼长多少。我们在考察分析光子的能量守恒问题时,要注意几个问题:1,点上的光速是各向同性的;2,光子在某点上的位能是宇宙中所有天体(有形和无形)在该点处位能的代数和
11,钟慢效应
钟慢现象的确存在,这是不可否则认的事实。但钟慢不等于时慢,时间不会膨胀,也不会收缩。钟快钟慢是相对而言的,宇宙中既有钟慢现象,也有钟快现象,高空的钟比地面的钟慢,日面上的钟却比地面的钟快。对原子钟来说,原子的振动频率与其内在的光速(相对于光源的光速)相关联,内在光速快,振动频率也快,表现为钟快,内在光速慢,振动频率也慢,表现为钟慢。物体的内在光速的大小由其所处的引力强度(引力加速度)及物体的运动速度共同决定。这个问题,我们在上面“时间”章节中进行过讨论,此处不再赘述。下面只进行相关的计算,在计算中领略钟慢效应现象的实质。
例1,飞机搭载原子钟进行环球航行的实验是一个非常有名的实验,一直作为相对论引力延缓时间的实验验证。实验是这样的:把四个在地面上调整同步的铯原子钟分别放在两架飞机上,两架飞机都在赤道面附近高速飞行,一架向东,一架向西,在飞机绕地球一周回到原地后,结果向东飞行的飞机上的钟比静止在地面上的钟慢59纳秒,而向西飞行的飞机上的钟却比地面静止的钟快273纳秒((1纳秒=10 秒),据说去掉引力场产生的(广义相对论)效应后,在实验误差允许范围内,实验结果与狭义相对论钟慢效应预言值完全符合。
该实验的资料不完整,飞机的飞行高度是多少?飞行的速度是多少?飞行的过程怎样?都没有详细的说明。特别是飞行结果,哪个方向的钟快?哪个慢?快多少?慢多少?从查找到的资料看,没有一个统一,至于计算方法和计算结果的来历,更是讳莫如深,或是含糊其辞。不过最后的结论是明确和一致的:实验结果与相对论钟慢效应预言值完全符合。
下面按经典理论原理,以光速可变的观点来计算该实验的钟慢效应值:
设飞机的飞行高度为10000米,速度为250m/s,赤道地面的光速值为299792458m/s,
⑴计算地球不自转情形下赤道地面的光速为:
根据公式 得 ,将 =299792458m/s,V=464m/s代入计算得:
=299792458.000359m/s
⑵计算10000m高空处光源静止的光速
根据机械能转化守恒原理得 - = - ,
其中: =299792458.000359m/s m:地球质量,m=5.9742×10 kg; =6378000m; =( )=6388000m
代入计算得: C =299792458.000033m/s
⑶计算空中物体静止时发射的光速C 与飞机飞行速度合成后的光速,
a,向东飞行:飞机向东飞行的速度为V =464+250=714m/s
根据同一层面上的光速合成公式,得:C ,代入数据,解之得:
C =299792457.999183m/s
b,向西飞行:飞机向西飞行的速度为V =464-250=214m/s
飞机发射的光速为C =C ,代入数据解之得:
C =299792457.999956m/s
(4)计算相对光源的光速:
a,地面上相对光源的光速C :C
b,空中相对光源的光速C :
(a)飞机向东飞行相对光源的光速C :
299792457.999078m/s
(b),飞机向西飞行相对光源的光速 ;
C
=299792457.999852m/s
(5)计算钟慢的时间:
表观时间的长短与原子钟振动的次数成正比,而振动的次数又与该处内在光速成正比,这样时间的变化率可转嫁为内在光速的变化率,设时间的变化率为k,则
K= .
a,飞机向东飞行,机内原子钟时间变化率为:
k=
飞行以250m/s的速度沿赤道绕地球飞行一周,总计“钟慢”为:
1.878×10 ×3600× =301.5×10 (秒)
此种情形,飞机上的原子钟比地面的钟慢301.5×10 (秒).
b, 飞机向西飞行,机内原子钟时间变化率为:
k=
飞行以250m/s的速度沿赤道绕地球飞行一周,总计“钟慢”为:
-7.038×10 ×3600× =-113.0×10 (秒)
此种情形,飞机上的原子钟比地面的快113×10 (秒)
例2,GPS星地对钟的计算:GPS卫星上的原卫钟要与地面上的原卫钟同步,如果不能做到同步,没有一个共同的起始计算标准,就无法计算信号传播的时间长短,GPS就不能应用.要对钟,就要知道星地两处原卫钟的计时标准和两处之间信号传播的时间变化规律.
卫星不同于地、月、日等大质量天体,它的质量太小,自身不形成对光线速度造成影响的引力场,它所发射的光线的速度就是所处点的最高速度(如果卫星高速自转,在卫星外空间所测得的光速也不再增加,但相对于卫星的光速减小。)
GPS卫星离地面的高度为20200km,根据这个高度可计算得V = =3873m/s.我们先
不考虑平动速度,先考虑位能的转化,即一个光子从静止的地球垂直发射到高空20200km
处的光速为:
根据机械能转化守恒公式得:C ,
C :地球停止自转后发射的光速,在上面我们推出了它的计算公式:C
C :地面现在的光速,299792458m/s,V:地球赤道现在的自转速度,464m/s.
卫星在轨道上不是静止不动的,而是围绕地球转动,则其上发射的光为:
C (C :卫星以V 运动时发射的光速)
将C 、C 和V = 代入公式:
C 中得:
C
r :地球半径,6371000m,r :卫星到地心的距离,6371000+20200000=26571000m, 299792458m/s,V=464m/s代入上式计算得:
C =299792457.816741m/s
接下来有好几种计算方案,本人思想倾向性认为原子钟的振动频率不是与所在位置的光速相关,而是与相对于该处光源的光速相关,相对光源的光速为:
与例1的计算类同,计算可得:
a,在地面上相对光源的光速
b,在20200km处空中卫星发射的光线相对卫星本身的光速C :
=299792457.791723
该问题的“时慢”效应,有两种不同的情形需要分别进行计算和处置:
a,第一种是地空两处原子钟快慢的不同所导致的时间变化率,我们知道原子钟时间的快慢与光源发射的光相对自身的光速变化相一致。
相对于光源的光速变化率为
k=
这个变化率也是地空两处原子钟走时比较的变化率,以地面的时间为准,太空卫星上的原子钟24h表观上减慢的时间为:6.9354×10 ×24×3600=59.9×10 秒,即59.9微秒.
b,第二种是光信号地空两处传播过程中,由于光速的变化造成的“时慢”现象.在此情形中,地空之间信息的传播速度是一个匀速变化的过程,平均速度是两处光速的算术平均值.传播所花费的时间是地空距离与平均速度的比值.时间变化率为两端光速变化率的一半,即:
光速的变化率为k= =
例3,GPS接受机发出一束信号到某一卫星,经过0.13476秒,GPS接受到从卫星上反射回来的该信号,问(1)卫星反射之时与GPS机的距离是多少?(2)与以地面固定的光速通过一个来回所花费的时间相比,“时慢”多少?
解:(1),信号在空中的传播速度是变化的,地面GPS处的速度最快,越高越慢,卫星处的速度最慢.根据例2的计算结果,卫星处的光速为C =299792457.816741m/s,平均速度为:
V= =299792457.908370m/s,
再根据公式S=vt计算得:
GPS与卫星的距离为:S=vt=299792457.908370×0.13476÷2=20200015.814m/s
(2),以地面的光速通过一个来回的时间为:t= =0.13475.999996(秒)
“时慢”为:0.13476-0.13475.999996=4×10 (秒).体现在距离上的差异为0.012米.
例4,粒子寿命的计算:
若在参照系中,π 介子处于静止,它们的平均寿命为t=2.56×10 s,设π 介子以0.9C速率运动,求从实验室参照系观察到该粒子的平均寿命.
解:此题多少有些问题,因为是在引力场中运动,必有速度的增减,题中“π 介子以0.9C速率运动”,暗含光速不变,这在客观世界中是不存在的。但又因介子的速度很快,在短时间内速度的变化量不大,固在实际计算中可近似看做匀速直线运动。
根据公式C 知,当π 处于静止时,即V=0,粒子内在的光速等于外在的光速.内在光速是一个虚拟的概念,用来说明物体内在粒子运动快慢的物理量.粒子的振动频率是粒子内在运动快慢的表现,内在光速快,振动频率就高;内在光速慢,振动频率就低,二者成正比例关系。粒子是宿命的,它一生振动的次数是规定好了的,振动得快,寿命就短,振动慢,寿命就长,自然界有许多类似的现象,如一些动物的成熟年龄与积温相关联.进一步推理可得出粒子的寿命与其内部的光速成反比.
当V=0.9C时,代入公式得C
列方程: ,解之得 t=5.87×10 s
此值与相对论的计算值基本一致,想来也不奇怪,因为把实际上的变速运动看做了匀速直线运动,未涉及位能转化为速度(动能)问题,作了近似的计算处理。
坐上高速宇宙飞船到宇宙空间去旅行,可以延年益寿,理论上有此一说,但实际上没有什么意义.速度低了,延年效果不明显,很多人已作过此类计算.要达到理想的高速,先且不说办不办得到,即使办得到,接下来的问题一大堆.人是有生命的有机体,各种分子键、离子键在生命活动中起着很重要的作用,它们是否能经得住那么高运动速度的作用呢?我看这个问题很悬,恐怕永远也解决不了。那些维系生命之键是很脆弱的,在那么高的速度下一定会断裂,大分子解体。生命都没有了,还谈什么延年益寿?再者,即使人可以存活下来,生理功能新陈代谢可要大为降低,恐怕连神经传导的速度都要减慢,更高速,人可能成为植物人,若以牺牲生命质量来换取寿命数量,怕也不见得合算。在接近光速时,人连同宇宙飞船都变成了一堆电子质子中子,消失在茫茫的宇宙中,那时,人真的可以得到“永生”了。
归纳一下,相对论所谓的“时慢”现象主要有两种表现形式,一种与物体处的重力相关,物体所受到的重力越大,其原子的振动频率就越快,此种情形是“时间变快”,相伴随的一个现象是物体发射的光速也变快;若物体所受到的重力越小,其原子的振动频率就越慢,此种情形是“时间变慢”,相伴随的是物体发射的光速也变慢。物体受到的重力的大小由两个因素决定,一是物体受到的引力的大小,另一是物体的运动速度。受到的引力大,原子振动频率就快,反之就慢;根据万有引力公式可知,受到引力的大小又由中心体的质量和与中心体质心的距离决定。物体的运动速度造就离心力,离心力与引力的作用相反。运动速度大,造就的离心力大,抵消的引力就多,物体内在的光速变慢,原子振动频率减慢,时间就变慢。另一种“时慢”是光在传来播过程中所表现出的延迟现象,如本节例2的计算。这种时慢纯粹是光速变化的结果,相对论认定光速不变,用距离除以这个不变的光速,得到一个虚拟的时间,再拿这个虚拟的时间与实际传播的时间相比较。本来光速可变的观点在经典物理学的范围内对“时慢”现象能够对作出清楚明了的解释,计算也很简单,可一个光速不变把一个简单的问题搞得异常复杂,什么时空弯曲,什么狭义相对论效应、广义相对论证效应,搞得人云里雾里的,简直要人性命,就像是地球中心论中的本轮均轮,我看完全没有必要,应予以废除。
12,频率、波长和波速的关系
在频率、波长和光速三个相关的物理量中,我们知道,光速等于波长乘以频率,公式为:C=λf。现在物理学知识还告诉我们:频率取决于光源,光速决定于介质的性质,波长决定于光速和频率。我对三者的关系问题进行了新的探讨,认为这些结论不尽正确,需要进行修正。
我认为光波的频率与波长是由特定的母体原子和环境因素共同决定的。是如何决定的呢?光源内在的决定因素在此不作讨论。从外部因素来说,光波的频率(注意:以后所讲的频率和波长等都是针对同一谱线的光波而言的)由光源所处的引力加速度的大小决定。引力加速度越大,发射的光的频率越大,反之越小。如在太阳表面发射的频率就要比在地球表面发射的同一光线的频率大些。在茫茫宇宙中,不受引力的地方是没有的,但引力加速度接近0的地方却是广泛存在的。在这些地方,发射的同一光线的频率当是最慢的。但由于我们不清楚光线频率在光源内部形成的机制,因此我们尚不知道光源在引力为0的情况下的基础频率是多少?我想这应该通过实验和解方程组的方法计算出来,并进而找出频率与引力加速度一般的函数关系表达式。
波长与光源运动产生的离心力相关联。至于波长与离心力的数学关系式,我们目前也尚未找到,只是模糊地意识到光源运动速度快,产生的离心力就大,波长就短,反之就长。当光源静止(天体自转速度为0,光源相对所在天体的运动速度为0)时,发射的同一光波波长最长;当光源运动快,由运动产生的离心力与引力相等时,重力加速度为0,光源发射的特定光波波长最短。天体绕轴自转,赤道的线速度最大,产生的离心力也最大,因此赤道上发射的光速应最慢,波长应最短,位于光谱线蓝端;同理可知,两极发射的光速最快,同条波长最长,位于光谱线红端。我想,光源的运动速度不仅包括外在的宏观物体的运动速度,也应包括内在微观粒子(分子、原子等)发射母体的运动速度。这也许就是光谱线有一定宽度的另一个原因。
光速由频率和波长决定,自然而然,光速由决定频率和波长的因素共同综合决定。对于不同的天体来说,产生的引力加速度大的,发射的频率也大;对于确定的天体来说,在光线发射之前,由于引力加速度已经确定,频率也确定不变,波长随光源的运动速度的加快而变短,光速变慢;在发射之后,光子在引力场中运动,不同处的引力加速度是不同的。此种情形,波长不变,频率却要发生改变,光速随频率的变化而变化。光速的变化遵守机械能转向和守恒定律。
介质对光速有影响,至于介质通过什么样的途径影响光速,在此不作讨论。
当光线从一个天体发射,在空中沿引力线传播,再被另一个天体接受,在与接受天体接触之前,波长仍为光源发射之时的波长;当与接受天体接触之后,波长则要根据新天体的性质和状态重新确定。如太阳射向地球的氢红线,在与地球上的物体接触之前,波长仍是发射之时的波长,一旦与地球上的物体接触了,波长立即改变。这或许就是光谱红移现象背后身原因。
频率、波长与光速的关系之所以迟至今日尚不能彻底弄清楚,是因为这些量的测量都很精细,现在的测量技术没有全面突破。光速的直接测量精度很低,远远不能达到要求,高精度的光速测量值是分别精确测量频率与波长而得到的。由于穆斯堡尔效应的发现和成功的应用,使光线频率的测量达到了很高的精度,但光线波长的测量却远没有达到理想的精度。这就是说,三个量中只有一个量能够精确测量确定,其它两个量精度较差,这使得C、λ、f三者的变化关系不那么明确,过去各种认定的关系都带有主观性。光的频率的精确测量实验,业已充分证明光的频率的可变性。
C、λ、f三量关系有几种可能的情形,爱因斯坦根据并不可靠的实验,认定的情形是C不变,λ与f成反比函数关系变化。我认为这种观点是很荒谬的,因为它违反了能量守恒原理。即使光子如同相对论所说的没有静止质量,但也承认光子有运动质量。既然有质量,光子从地面运动到高空,势能增加了,动能怎么可能不减少呢?光速也怎能不变小呢?所有的物理公式应该是统一和协调的,光子的能量计算应该既可以用E=hf公式计算得到,又可以用E= 公式计算得到,上帝不会规定只能用这个公式而不能用另一个公式,既然频率变化了,光速又怎能保持不变呢?也许有人会问:那么为什么没有确切地测到光速的变化呢?我的回答是,这是由于在地球上所能测量到的光速差异非常小,再加上波长测量没有达到理想精度的缘故。光速可变,光速与频率成正向关系,还可以从下面的公式等价代换中得到旁证。
E= ,E=h ,两式作等量代换: =h ,从这个式中可以看出,C与 是有关系的。
波长是光的身份证,是标志光的种类的特征物理量,它是由光源的性质和状态决定的,它主要决定于生成之时,但在传播中也要受到自身横向速度的影响。
光的颜色是由光的频率决定的,不同色光的频率不同。波长与光的颜色没有必然的关系,不要把两者联系在一起.引力引起的谱线红移是光的频率变低,光速变慢,把它说成是波长变长是不确切的。
我们以前对波长、频率、光速三者关系的考察只停留在光生成后的阶段,而对光生成前的阶段很少予以考虑,或者说没有给予足够的注意,这样的研究方法是不全面的,致使我们对相关问题的研究始终不得要领。频率和波长在生成之时是如何决定的?与哪些因素有关?这些都是很重要的问题,可是我们都不清楚,搞清这些问题无疑是研究光学问题的重大突破。
光子发射后,主要是频率发生变化,频率变化带着光速变化。但光速的计算比频率的计算容易,因此一般通过光速来计算频率。设在天体表面发射的光速为C ,对应的频率为f ,位移一段距离(r →r)后,光速变为C,则C ,引力场中某处某光线的频率由该处的光速和该光线的波长计算出来。
f、λ、C动态关系示意表:
频率
(f) 波长
(λ) 光速
(C)
备注
发
射
时
引力加速度
(g) g ↑ ↑ ↑ ↑ g=
g ↓ ↓ ↓ ↓
光源速度
(V) V ↑ = ↓ ↓ V=
A为 和 间的夹角
V ↓ = ↑ ↑
传
播
中
引力加速度
(g) G ↑ ↑ = ↑ g=
g ↓ ↓ = ↓
光横向速度
( )
↑
↓ ↓ ↓
A为光速C与引力F间的夹角
↓
↑ ↑ ↑
↑:表示上升;↓:表示下降;=:表示不变
综合起来说,天体的质量越大,密度越大,转动得越慢,发射出的光速就越快,波长越长。速度合成遵守光速合成的矢量和法则:C 。光线发射后,波长基本上不再发生变化,代之变化的是频率。离天体越远,光速越低,频率越低,光速的计算根据能量转化和守恒定律进行。
如果上述观点正确,所谓的宇宙膨胀、宇宙大爆炸的论调理所当然成了无稽之谈了。怎样验证上述观点的正确与否呢?这涉及到光速与波长的精确测量。这要到存在巨大的引力势差的不同太空点处进行测量,然后比较之,找出规律。根据上述观点,在离太阳5000万km处与10亿km处的光速值是不同的,但两处的波长是样的,两处太阳的光谱线完全一样。
我们可根据宇宙光线的谱线红移,可以大概知道某光线来自何个天体,起码可以应用排除法排除掉来自一些天体的可能性。实验表明,太阳光也有红移,并且波长越长,红移越大。对这一现象并不难解释,所有的光线,不论其波长的长短,从太阳到地球减少的动能都是一样的,而频率大的光线其能量也大,那么减少同样的能量,频率就相对减少的比例就小一点。用波长来说,波长短的减得小点,也就是红移量小点;波长长的,由于其自身的能量小,要减少同样的能量,自身减小的比率就要多点,相对的红移就大点。对一些现象也能作出比较合理的解释,如对太阳光的观察中得到一个现象:红移从日面中心到边缘有变化,为什么会这样?一直没有得到合理的解释。我认为太阳射到地球的光线,只有日心到地球连线附近的太阳表面射向地球的光线才能直线到达地球,而其他部位射向地球的光线,因光线的运动方向与太阳的引力方向不在一条直线上,光线的运动轨迹不是直线,而是向内弯曲的弧线,这样有一个侧向力,使得连线周围一定角度内的光线向连线逐渐会拢。这就等于有了一个绕太阳运动的横向速度,我们知道横向速度会使光线的波长发生变化。虽然光线不等同于光源,但道理应该是一样的。
用上述观点对类星体巨大的谱线红移现象能够做出圆满的解释。距离和退行速度都不能构成光谱的巨大的红移。也许类星体并不那么遥远,它就在我们身边,或许它就是中子星,巨大的恒星,我们银河系中就有。只不过我们对身边的天体了解得比较清楚些,不致发生混淆和含糊而已。类星体的光变现象也可以得到比较合理的解释,可能是类星体轴向不稳定的缘故,或是类星体周围有绕行的尘云环。
假如在地面上测得某类星体的光谱线红移为Z=1,表明类星体表面的光波波长是地面上发射同条光波波长的2倍。计算可知,该类星体上的光速是地球光速的4倍。但该条光线到达地面时,光速逐步下降到原来的 ,与地面上发射的光速基本相同。波长在传播中基本保持不变,约为地面发射的该光线波长的2倍。频率减为原来的 ,为地球上发射该光线频率 。
下面通过对我们熟悉的日光中的氢红线进行相关计算,加深对上述观点的理解。
(a),设地面的光速为 =299792458m/s,根据速度效应因子修正后的机械能转化和守恒公式:
(γ:速度效应因子,对逆着引力运动的光而言γ=2)
代入数据,解之得:
太阳表面发射的光速为: = +1266=299793724m/s
光速变化率为:
(b),测得地面的氢红线的波长为 埃,太阳发射的氢红线波长比地球的长0.0130埃,太阳的氢红线的波长 .
氢红线波长变化率为:
(c),计算氢红线频率的变化率 :
太阳发射的氢红线的频率为:
地球发射的氢红线的频率为:
氢红线频率变化率为:
通过计算,比较、分析和进行深入的思考,我们可以发掘出许多有益的新结论。
相对论对类星体巨大红移的解释是非常牵强的,像类星体那么大的质量以接近光速的速度运动,是难以想象的,我认为是根本不可能的。若天体发射光线的速度、频率和波长主要决定于天体的质量和密度,则不存在任何不可克服的矛盾,因为宇宙中天体的质量和密度的差异是很大的,完全可以合理解释波长的巨大差异。
新观点往往要经过反复锤打才能成型。关于光速、波长和频率三者的关系问题,目前真的是扯不清,理还乱,关键是不能对三者都能进行精确的测量。若都能进行精确的测量的话,很多问题就迎刃而解了。在精确测量技术未能获得突破之前,我们只能根据现有的资料对相关问题进行深度的思考,这难免会出现差错而需不断反复地进行修正。上面的谱线红移新解,观点绝对是新颖的,我认为不是毫无根据的胡思乱想。是否正确?我不能肯定,但毕竟开辟了进行深入研究的新思路。
以上所述是以天体静止(自转速度为0)时发射的光速最快,波长最长.在此基础上,随着自转速度的加快,光速变慢,波长变短。速度合成公式为: -V = 。实际上,这在目前还只是一种假设,真实的情形可能不是这样的。或许恰好相反,天体(光源)的自转速度为0时的光速最慢,波长最短,随着自转速度的加快,发射光速随之变快,波长变长.速度合成公式为: C +V =C .要确定何种情形是真实的,最后的裁判权还是在于精密可靠的实验。
13,光行差新解
类比雨行差似乎解释了光行差,其实不然,那样的话,视觉光线是发散的,不能成像,在天穹上形不成视觉小椭圆。车子在雨中沿圆形轨道行进,雨行差的方向始终一样,没有什么改变,车上的人不可能根据观察到的雨行差现象而产生圆的视觉效果。这里不想对旧解释作过多的责备,我对光行差提出了全新的解释。
我认为光行差名不符实,叫视差比较合理。视差不是由于相对运动造成的,而是由太阳的引力造成的,它的产生与光线经过大质量天体所产生的折射现象辕出一辙。恒星向四面八方发射光线,其中一部分向太阳系射来。从理论上讲,光线从发射之时起,就要受到太阳的引力作用。引力不但改变光速的大小,也改变与引力不在一条直线上的光线的运动方向。原本射向太阳系外围的星光,在太阳引力的作用下,不断向太阳靠拢,从外围向内围偏折。星光的运动轨迹不是直线,而是缓缓向太阳弯曲的曲线。曲线上每一点的离心力为 它应与太阳的引力达成平衡: ,这里要特别注意,r是曲率半径,R是星光与日心的距离,二者并不一致。在低速阶段,二者尚且可近似看作相等,速度越高,差别越大。如星光通过地球旁边时的曲率半径为: m,约为日地距离(R)的 倍。说句题外话,我感觉物体运动轨迹的曲率半径与光线经过大质量天体所发生的折射以及绕行天体的进动有很大关系,是值得深入研究的课题。
太阳对射向太阳系的星光的引力可分解为纵向分力和横向分力,纵向分力使星光沿轨迹的切线方向加速前进,横向分力迫使星光改变运动方向,朝太阳这边横向偏折,产生横向速度。随着星光的临近,横向分力越来越大,横向速度也越来越快。当星光偏移到地球时,通过黄道面指向太阳的星光横向速度将达到地球在该点的公转速度。
关于头顶遥远星光在地球处指向太阳的横向速度,还可从能量转化和守恒的角度进行考量而求得。以太阳为参考系,设星光在无限远处的势能为0,当星光运行到地球时,星光的势能减少到 (M:太阳的质量;m:星光的质量;r:日地距离),这减小的势能将转化为动能,由势能转化的速度为V= ,这是转化总速度,总速度又可分解为纵向速度和横向速度。纵向加速度和横向加速度占总加速度的分额此消彼涨,在靶星处,纵向加速度几乎占百分之百,横向加速度几乎为0;当星光运行到地球时,星光的运动方向与太阳的引力相垂直,此时纵向加速度减少到0,横向加速度的分额增加到百分之百。总起来说,纵向和横向此时增加的速度相等。即:
= 。 ( :横向速度 :纵向速度)
将M=1.989×10 kg,r=1.496×10 m,G=6.67259×10 ,代入计算得:
v =29.785km/s
我们讨论过,无论光线来自哪里?经过了怎样的加速和减速过程,来到同一个地方,基本上就与这个地方的光速相同,地面的光速值为299792458m/s.
设光子的横向速度(29785m/s)与斜向速度(即实际光速299792458m/s)的夹角为β,则
cosβ= β=89.9943 .
设光行差角为α,α=90-β=0.005692 =20.4928"
我觉得上述光行差角计算方法更为有理,计算也很简洁明了,无需过多地考虑纷纷挠挠的速度,只要知道了与太阳的距离,就能算出该天体的光行差角度值.还可推之,月亮的光行差角度值在 .2 之间,最大光行差角约21.2 ,此角值出现在月球位于日地连线延长线的外侧;最小约19.8 ,此角值出现在月球位于日地连线上。其他行星的光行差角值如同地球产生光行差的道理一样,是其公转速度与其表面上所测到的光速值(不一定是299792458m/s)的比值的反正弦.本观点还可很自然地解释其他光行差现象而没有任何障碍.
14,再解光线偏折角
理论必须经得住实践的检验,但前提是实践的标准必须是确定的事实,如果不是确证的事实,而拿来作检验真理的标准,则是对真理莫大的亵渎。我在前面搞出了一个引力速度效应因子γ=1+ ,提出这个因子是为了迎合光线偏折角是牛顿理论值的2倍的需要,但光线的实际偏折角值是不是真的是牛顿理论值的2倍,应该说还不是确认的事实。所以引力效应因子是否正确,对我这个提出者来说,也不能十分的肯定。在下面偏折角计算中,我仍用经典理论公式计算。
科学的发展为数学提供研究课题,数学的进步为科学的发展提供支持,二者相互促进。当光线偏折角问题提出后,我想一定有人尝试过用数学分析法计算偏折角,可惜没有人取得成功。我也进行了这方面的探索,多少有了一些思路,归结如下:
1,基本思路:根据光路可逆原理,把星光转化为地球射向星星的光,光子如其他一般物体一样受到太阳万有引力的作用,其运动轨迹是其本身的惯性与太阳引力共同作用的结果.首先计算出光线与太阳相切的坐标点,在此基础上再进行第二步计算----求偏折角
2,建立坐标系:以太阳中心为原点,水平方向为X轴,右方向为正方向,竖直方向为Y轴,上为正方向,以坐标原点为端点、以负Y轴为起始边逆时针旋转,角度设为θ;设光路中每一点处与坐标原点的距离为R,显然有 y=Rcosθ,x=Rsinθ,x
设在地球上发射光的开始时间为0,到达光路上某一点的时间为t,设地球位于负Y轴D点上,从地球上发出的射向太阳方向的光线在太阳引力的作用下向太阳偏转,光线的初始方向与Y轴的夹角是考察偏折角的一个关键,角度大了,光线不能与太阳表面相切,角度小了又被太阳吸引进入其内。光线中总有一束刚好与太阳表面相切,设切点为A,这束光线发射时的初始方向与Y轴的夹角设为β,连接AD,AD与Y轴的夹角设为α,(β-α)还不是偏折角。假设光线不受太阳引力作用而直线传播,这束光线与太阳的切点设为H,H点切线与A点切线的夹角(较小的角)是光线的偏折角,以p表示。几何解析可知:p=2(β-α)。各种标志符号如图所示。
3,列方程组:
x=ctsinβ- t ⑴
y=-1.5×10 +ctcosβ+ t ⑵
x y =R ⑶
= ⑷
y〃为相对x的二阶导数,y'为相对x的一阶导数,y'=Y'(t)/X'(t)
sinθ和cosθ可由x、y和R求出:sinθ= ,cos= ,(注意与一般形式有所不同,要根本实际情况灵活处理)
该方程组有4个独立的方程,5个未知数(x、y、β、t、R,θ可由x、y和R求出),但在切点处,R=r,因此方程组变成了4个未知数4个方程,是可以求出各个未知数的解的。
分别对⑴、⑵式进行微分积分,若对R微分积分,则R的下限为-1.5×10 ,上限为r;若对x微分积分,则x的下限为0,上限为x;若对y微分积分,则y的下限为-1.5×10 ,上限为y。然后以t为参数,分别对y、x求导,得出Y' = ,再根据公式Y = 求出y对x的二阶导数。
在求出切点的坐标(x,y)后,再求出通过该切点切线的斜率(即通过该切点光线的斜率),继而计算出光线的倾角α=arctgy ,最后求出光线经过太阳旁边的偏折角。p=2(β-α)。
地球与太阳的距离已经比较远了,再增加距离,光线偏折角的增加微乎其微,故星光经过太阳旁边射向地球发生的偏折角可近似看作是地球射向太阳的光线发生偏折角的2倍,公式为:P=4(β-α)。
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