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《经典相对论》节选(作者马国梁)
[楼主] 作者:知识老人  发表时间:2002/12/21 11:27
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第二章、现有实验所给予我们的启示
(一)空间是物质的。即现实的宇宙真空都是充满物质的。科学研究已经证明:的确不存在十 九世纪所描述的那种“以太”,但是由此就断定空间中一无所有也是不能令人信服的。爱因 斯坦在后来的广义相对论中又给与空间以物质的性质。与此同时,其他科学家也纷纷发表自 己的看法:狭义相对论的先驱者之一——洛仑兹即对“空虚空间”持怀疑态度;狄拉克在发 展相对论量子力学的过程中引入了“新以太”的概念;李政道在研究“不寻常核态”的工作 中发现真空中存在着真空物质。总之,现代科学已经充分证明:“真空并不是一无所有的虚 空,而是指没有实物粒子(如电子、质子、中子等)的一种总能量处于最低状态的场,即基态 的量子场。真空具有真空涨落、真空极化、真空相变、真空对称自发破缺等特性。真空正是 这些性质的载体,这说明真空是物质的一种形态。”( 见《自然辩证法 概论》高等教育出版社  1991年5月修订版第23页.)在一定条件下,可以从真空中 产生基本粒子。但是现在我们 还完全没有研究出真空物质的结构,也没有完全弄清它与引力场、电磁场、强力场、弱力场 及实粒子的关系,对它的研究还有待于继续深入。
我们所在的空间在相当广大的范围内是连续统一的。现在借助于现代化的天文观测手段,我 们已经观测到二百亿光年远的宇宙深处,但是还没有发现空间的边缘。很可能,宇宙空间在 各个方向上都是无限延伸的。
由于空间的物质性所以给实物质的运动提供了充分的条件。由于物质的间隔,使物体在空间 中有了确切的位置;由于物质被物体从中穿越,使物体有了确切的运动,并可描述出它的运 动轨迹和运动量的多少;在物质的环境中,还使物体的惯性得到了表现;使物体的运动产生 出一定的效应,如运动物体上的时空变化。由于空间的物质性还使微小粒子在运动时产生的 波动和其它运动行为得到了合理解释。也正是由于空间的物质性才使空间中有可能被激发生 成 引力场、电磁场等及它们的场波,并使物体通过这些场产生相互作用。离开了物质的空间, 恐怕许多物质现象都将化为乌有。
当然真空物质的密度肯定很小,如果都转变成实物质的话大约在10 ^ (—26)千克 / 米^3  数 量级, 且空间各处的真空物质未必分布均匀。但局部的“空虚空间”恐怕也很难存在,任何实物质 都不能阻止真空物质的渗透、扩散。
真空场的运动形式除内部固有的运动之外还有伴随经典场的波动和受实物质运动影响而产 生的扰动。
(二)物体的运动具有绝对性。现代科学研究已经表明,场和粒子是物质存在的两种基本形式,再 加上中间的物质形式,这样物质的构成层次则成为
基态量子场 (真空物质) → 经典力场 ( 引力场等 ) →  光 子类 → 实粒子 ( 轻子、 介子、重子)
所有实物质都是以单个粒子或由粒子组合成的物质系统(团体)分布在空间中的,被空间容纳 并在其中悬浮。各级物质系统的层次由低到高分别是
基本粒子 ( 电子、核子)  → 原子 →  一般物体 ( 卫星等 ) → 行星系统 ( 地球等) → 恒星系 统 (太阳系等)  → 恒星集团系统 (银河系等) → 总星系
中间每一个物质系统都是上级物质系统的一部分,都有若干个同级系统,都还可以分解成若 干子系统。基本粒子的分解情况现在还不甚清楚;比银河系更高的物质系统也还远未弄清。 很可能这级物质系统将是人类认识的极限,我们很难再超越它。
既然空间是物质的,那么每个粒子、每个物质系统在其中的运动也就是它们相对真空物质 的 运动,也就有了绝对性可言,成为绝对运动。物质系统的运动情况可用它的质量集中点(质 心)来代表。
场和粒子可以相互转化,是不可分割的统一体。物质的空间和实物质也是不可分割的统一体 。因此就总体上说,真空物质与实物质是不应有相对运动的,也就是说所有的实物质作为整 体在空间中是没有绝对运动的。所有的绝对运动都是局部物质的绝对运动。它们向空间中各 个方向运动的动量都是相等的,其矢量总和应为零。因为不管实物质的总量及其分布规模是 有限的还是无限的,动量守恒定律总是成立的,动量绝不会无中生有。但对其中的任何一部 分实物质来说,它的绝对运动都很难恰巧为零。所有的实物体,可以说都在空间中永恒的运 动着。
除绝对运动外,还有物体间的相对运动。相对运动大小等于两物体的绝对运动之差。例 b 物 体相对 a 物体的运动等于 b 物体的绝对运动减去 a 物体的绝对运动,即:
            Vba = Vb — Va
而 b 物体的绝对运动则等于 a 物体的绝对运动再加上 b 物体相对 a 物体的运动。可依次类推。当 有一个运动链时,末端物体的绝对运动等于初端物体的绝对运动再加上中间各物体间的相对 运动。
系统内一物体的绝对运动等于高一级物质系统质心的绝对运动加上本系统质心相对上级质 心的运动再加上物体相对本系统质心的运动。如地面物体的绝对运动即等于日心的绝对运动 加上地心相对日心的运动再加上物体相对地心的运动。
但仅靠物体间的相对运动是不可能算出物体的绝对运动来的,内运动不能反映对外运动。如 测绝对运动需根据它的绝对运动效应或空间中场物质的波动与物体运动的合成情况推知。 
种种迹象表明,我们所在的物质系统的绝对运动大约在每秒数百千米的数量级内。
(三)参照系的选择方法。参照系是指我们所特别规定的某物质系统,是我们研究其它物质系 统的运动情况的参考基准。在真空物质上建立参照系虽然非常公正,但是因为它的“空虚” 特性使我们用起来非常不便,故必须放弃此法;在无限的实物质的质心上建立参照系也非常 公正,可我们不知道该质心究竟在哪儿,故该法也不现实。剩下的只有在有限的物质系统上 了,可所有的物质系统都在不停的做绝对运动,所以真正理想的绝对静参照系我们是找不到 的。
那么做绝对匀速运动的惯性系呢?根据牛顿第一定律似有可能:当物体不受外力或受平衡 外力作用时 ,原来运动的物体将永远保持原有的运动状态,以大小不变的速度和方向沿直线运动下去。 可是实际上宇宙中的物体没有一个不受力的,即使受力平衡也只是暂时性的。所有的物体都 在宇宙空间中做着各自不同的曲线运动。所以真正理想的运动惯性系我们也是找不到的。
但我们可以找到近似理想的参照系。现代科学研究结果表明,物质系统的级别越高,它 做绝对曲线运动的情况就越简单,速度变化就越慢。如地心的绝对运动除绕日心转(公转 周 期是1年)外还有随日心在银河系内的公转(公转周期是2亿年),随银河心在太空中的运动(运 动情况不详);太阳中心除绕银河心公转外还要随银河心在太空中运动;而银河心则只有在 太空中运动一项了。由此可知,物质系统的级别越高,就越接近匀速直线运动,就越适合作 运动的惯性系。如一般情况下地球是一个良好的惯性系,如将太阳作为惯性系精度就更高些 ,而银河系的情况则将会更好。
当物体的加速度一定时,如果研究所需的时间段越小,那么物体的速度变化就越少,它与惯 性系就越接近。如在地面上研究单摆的振动,如在几分钟之内是可以将地面作为惯性系的, 但经过几小时就不行。
由于任何物体都有惯性质量,所以任何物体的运动速度都不会发生突变,都只能是连续的渐 变 过程。就是说任何物体都有一定程度的惯性运动。不管加速度是多少,只要时间足够短,就 可将该物体当作惯性系。但此时须给被研究的物体附加一惯性力。只有当物体只在万有引力 作用下做变速运动时,才可不用附加惯性力。因为按照广义相对论原理,只有此时惯性力才 能被万有引力恰好抵消。
当在惯性系中研究各物体的运动时,参照物体不得与被研究的物体有相互作用。如果这种作 用不可避免,那么必须将它对参照物的扰动尽量减小。根据牛顿第二定律,当作用力一定时 ,加速度与质量成反比,所以这就要求参照物体的质量必须远大于被研究物体的质量。如研 究一般物体的运动将地面作为惯性系即符合这一要求。两质量不相上下的物体就不宜将其中 任何一个作为惯性系,此时可取它们共同的质心作惯性系,因为内力作用并不改变质心的运 动状态。当然此时也可以高级物质系统作为惯性系来研究低级物质系统及其内部物体的运动 。
同理,还要求被研究物体的转动惯量必须远小于参照物体的转动惯量。所以被研究物体离开 参照物体质心的距离,被研究物体的大小及运动范围都必须在较小的限度内。
关于绝对静参照系可这样来近似确定:A、当在绝对运动速度很低的惯性系中研究高速运动( 接 近光速)的物体时,可将该惯性系近似当作绝对静参照系;B、当在惯性系中研究做闭合 曲线 运动的物体时也可将该惯性系近似当作绝对静参照系;C、当在惯性系中只研究各物体的相 对运动时,自然可将该惯性系当作静参照系。如研究物体中分子的热运动就可选物体的质心 作静参照系,研究原子中电子的运动可以原子核作为静参照系。
研究表明,有许多物理现象、规律在不同的惯性系中都具有相同的表现形式,与惯性系的绝 对运动无关,但并非所有的现象、规律都如此。原“狭义相对性原理”的论断言过其实,故 它不应再作为一条规律。
事实上,我们已在不自觉的使用着高级惯性系。如我们将在地球周围能够观测到的部分恒星 组成天球作为静参照系(天文惯性参照系)来研究太阳系内各星球的自转、公转及相对运动 。还发现高速转动体的轴线在空间中的朝向具有绝对不变性,总是做平动运动,并将之运用 于导航技术。如地轴总是指 向北极星,还有研制成的陀螺仪等。
应用上述原理,我们可以很容易的解决牛顿水桶的问题,这个问题在历史上曾有过争执。在 铅垂线下端悬挂一装满水的桶。现在桶周围的物质空间与宇宙万物是同属一体的。水面凹不 凹与桶的转不转没有多少关系,关键是看水体与宇宙万物有无相对转动。A、当两者相对静 止时水面不凹陷;B、当两者相对转动时则水面凹陷。此时可看作是水体转动,宇宙万物静 止;也可看作是水体静止,宇宙万物转动——但这种情况不存在。因为宇宙万物的转动惯量 远大于水体的转动惯量,在力矩的相互作用下转动起来的只能是水。故水面的凹陷与否的确 反映了水体在空间中的绝对运动情况。
由上述分析可知,参照系的选择并不是随意的。应根据研究需要按照一定的原则来选取。即 应用方便,又要精确可靠。
P.G.柏格曼在《相对论引论》一书中曾指出:“我们对惯性系的最终定义实际上可能是:惯 性系是相对于整个宇宙物质具有零加速度的参照系。”( 人民教育出版社1961年12月 第1版第166页脚注. )这与我们上述的指导思想是一致的。
(四)时空性质与物质运动的关系。空间与物质不可分割并不单纯在于所有的物质都占用空间 或现实的空间内都充有多种形态的物质,还在于我们是通过物质认识它的,特别是通过实物 质。不论是它的存在、它的意义还是它的性质,都是通过它和物质的关系来表现的。空间是 由于物质而存在就象是山洞是由于山而存在一样。试想如果没有山,那么同样一方空间如何 再成为洞?时间与物质运动不可分割的情形与上类似。在连续的时间中有与真空区域相类似 的静止时段。如果能够超越这个时段那么就可认为是通过了时间隧道。
研究发现,物质系统的级别越高,物质密度就越小,作用力就越小,演化过程就越慢。从这 点看,很难再有总星系以上的物质系统。而在级别很低的微观领域,则物质密度很大, 作用力很强,运行过程很快。
时空的性质是由物质来决定的。在整个宇宙中,作为无限的时空当然是统一的、不变的、永 恒的。但是作为局部的有限的时空则是可以变化的。例如在某一区域内当所有的实物体都按 一定的比例缩小时,就可以认为是该处的空间缩小了;当所有的运动过程都按一定的比例 变慢时,那么就可认为是该处的时间运行速率变慢了。
以研究在不同情况下时空的性质及变化规律为课题而产生了不同的学科理论。其中研究在不 同区域内由不同的物质分布所确定的时空性质和在加速运动的物体上的时空性质是广义相对 论的任务;而研究在匀速运动的物体上时空的性质则是狭义相对论的任务。在静止和低速运 动情况下时空具有简单的不变性,且为经典物理学所采用。
在历史上,H.A.洛仑兹曾经创立过一种理论,它是相对论的前躯,代替把相对性原理推广到 电动力学。“他假定存在一种特殊的参考系,对它来说,以太是静止的。为了说明迈克尔逊 —莫雷的实验结果,他假定以太可以影响在其中运动的钟和直尺。根据这个假设,钟在运动 时变慢,尺沿运动方向收缩。”( P.G.柏格曼著周奇、郝苹译《相对论引论》人民教 育 出版社1961年12月第1版第47页“问题4”. )并推出了时间和长度的收缩因子皆为SQRT ( 1 — u u / c c )。可惜他没有将此理论发展下去,提出相应的时空坐标变换式以及 为验证它所需的实验设计。在当时的实验无法证明以太存在的情况下,洛仑兹最终放弃了该 研究方向,另改它途。后来由于爱因斯坦坚持否定以太的存在,从而使洛仑兹的上述研究结 果失去了最后的存在基础,终于被人们遗忘。现行的狭义相对论虽然也承认了运动直尺的收 缩效应和运动时钟的变慢效应,可是它一方面认为这种变化不是物体本身的变化,是物体做 相对运动时彼此测量的结果;另一方面又认为是物体运动时时空变化的反映。两者自相矛盾 。
其实洛仑兹的早期思想并非全无可取之处。我们抛开他的关于以太的错误观念,就可以建 立 一个正确的理论。不妨这样认为:空间是物质的,绝对静参照系和物体的绝对运动都是客观 存在的。所有物体的时空特性都不是一成不变的,它可以随着物体的绝对运动而发生相应的 变化。“直尺缩短、时钟变慢”即是时空变化的反映。现在关于运动时钟的变慢效应已经通 过多种实验充分证实,而关于运动直尺的收缩效应也已被公认其合理性。
(五)光的客观属性。光是一种物质现象,它不可能脱离物质而存在。光的载体物质是电场和 磁场,本质是电磁波。当然我们现在还没有弄清电磁场与真空物质的关系,它究竟是真空物 质的一部分还是另外独立的一部分不得而知;也还远未弄清光的粒子性的产生机制。但研究 表明,光在空间中的传播具有客观独立性,与光源和观测者及其它受体的状态无关。不管它 们怎样运动,光一旦离开光源,它即以离开时的光源位置为中心,以辐射状向四面八方传播 开来。其传播速度是由空间的性质决定的,在各个方向上都以恒定的速度直线传播。早期的 恒星光行差实验可以证明这一点。观测表明,从遥远的恒星上发来的星光,当由于地球的绕 日公转使运动方向与星光方向的夹角发生变化时,望远镜镜筒的方位角也必须随之发生相应 的变化才能始终观测到星光。并根据地球的运动速度和方位角变化情况粗算出光的 传播速度为30.1 万千米/秒。那么不难想象:当地球的运动方向与星光的传播方向 相反或相同时 , 我们所观测到的光速就一定会发生相应的增减变化。罗默的天文观测结果证实了这一点。在 低速运动的物体上观测光速,其结果是符合经典速度合成规律的。
(六)“光速不变原理”的修定方法。“光速不变原理”不应再指“惯性系中各个方向的单程 光速”,而应改指“各个方向往返闭合光路的平均速度”。具体为:“在任意惯性系内,光 在各个方向的闭合光路上,做往返运动的平均速度总是一恒定值。”这是一条经过反复实验 充分证明的规律。迈克尔逊—莫雷实验所直接证明的正是这一条。在相互垂直的两个方向上 , 当两臂长相等时,从中点分开的两束光在往返汇合后并没有发生预期的干涉现象,这说明两 束光的全程运动时间相同,两束光的总平均速度也相同;但这不能说明各个方向上的单程光 速也都相同。还有,当采用闭合光路时,用各种方法所测出的光速基本上为一恒定值,这也 证明了新定义的“光速不变原理”。
那么为什么会这样呢?这是因为光在空间中是以恒定的速度传播的,所以在静止的观测者看 来,不管光的传播路径怎样,其平均速度总是一恒定值;而在运动的物体上,由于运动的影 响,如果单纯按经典速度合成法,其结果则不再等于原光速,即使是闭合光路也不例外。但 是由时空的运动特性可知:在运动的物体上时空总是发生一定的变化的,通过这一修正,结 果在闭合光路中使测出的平均光速恰好等于原光速。这一因素巧妙的掩盖了物体运动对光速 测量所产生的影响,并诱使我们由此走向歧途。
综上所述,现有的实验事实确已充分揭示了我们过去认识上的许多错误,使大自然的本来面 目在我们的脑海中形成一个轮廓分明的图象。我们理应据此对原理论进行彻底的修正,以使 它更加准确地反映客观规律。具体内容分述如下.

                         第三章、新的时空变换方法
(一)时空收缩率
我们先在绝对静参照系内建立一个三维直角坐标系。原点是o,三个坐标轴分别是x、y、z, 时间是t  ;然后再在一动参照系上也建立一个三维直角坐标系。原点是o′,三个坐标轴分 别是x′、y′、z′,时间是t′。当 t = t′= 0时两坐标系重合,之后动坐标系沿x 轴以速度u做匀速直线平动,成为一个理想的动惯性系。
现有一实验者在动坐标系内测光在某一方向上往返的平均速度。光线是从原点o′发出, 在到达镜面后被反射,然后又沿原路回到o′点,单程距离是    s′。
因为光在静坐标系中是以恒定的速度传播的,但与此同时,动坐标系也在其中运动着。考虑 到运动的影响,故光相对动坐标系已不是原光速了,且往返的速度也不相同。还有,在动坐 标系内看来是来回重合的光路改在静坐标系中看也已经不再是重合的了。
我们可以按照经典速度合成的方法推得光在动坐标系内往返的平均速度是                  c =(cc — uu)/ SQRT [ cc —(u cosα)^ 2 ]
很显然,这个速度一般并不等于原光速。但这是在静坐标系中测量的结果 。如让动坐标系内的人自己测来,则仍旧等于原光速。这是因为按我们前边的洛仑兹假设, 动坐标系上的一切物体包括直尺都在x方向缩短了,但在垂直方 向却不变。故原先如果是一个正圆球的话,那 么现在则成了一个在x方向扁的椭圆球了。
设在垂直方向上的单位长度为1,那么在x方向上由于收缩单位长度 变成 i。;而在与y 轴成α角的方向上单位长度则是 i  .
不仅只此,在动坐标系上,时钟因为变慢,所以同样一个单位时间,但在这里也变少了。即 △t′/△t =  j。<1
由于这两个原因,使  c  在动坐标系的人测来都变大了,结果等于原光速c.即
       c′=  c  / i j。= c
我们可以推得   i。= j。= SQRT(1 — uu/cc)
即在动坐标系上的空间真的在运动方向上发生了收缩,它上面的时钟也 真的变慢了,并且按照相同的比率。动坐标系的运动速度越大,它上面的时空变化就越显著 。
由上述还可以看出,动坐标系上的空间收缩和时钟变慢虽都与动坐标系的运动速度有关,但 却是独自进行的,互不影响。时间一维仍然是独立的。这给有关时空的计算提供了相当的方 便。
(二)坐标的变换方法
根据以上讨论,我们可得出在动、静坐标系之间对同一点的坐标变换公式。如下所列:
           x'= (x — u t ) / SQRT(1 — uu / cc )
            y'= y
            z'= z
            t'= t  SQRT( 1 — uu / cc )
可见,与伽利略变换比较接近,相比洛仑兹变换要简单一些。当动坐标系低速运动即 u<< c 时此变换即退变为伽利略变换。
事实上,原洛仑兹变换已经隐含了本变换的内容。其中的时间变换
           t′= ( t  — u x /c c )/  SQRT ( 1 — u u / c c )
当设 x = u t  时
        即得 t'= t  SQRT( 1 — uu / cc )

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 [2楼]  作者:王建华850  发表时间: 2002/12/21 16:01 

回复:沈老师,请您帮助说明一下马先生的坐标变换式与麦氏的电磁理论在理论上是矛盾的。因为我不懂电磁学。

   老人家,您好!我认为应该利用实验数据来验证我的新理论是否正确。

   马先生的坐标变换式,早在一百年前就能推导出来。洛仑滋、爱因斯坦都知道这个变换式在理论上是错误的。我也推导出了这个变换式。但是我通过理论分析后,发现它错误的,因此我把它抛弃了。

   爱因斯坦在16岁时就想过一个以光追光的问题。当惯性系以光速运动时,根据马先生的坐标变换式,绝对惯性系的时间T=0。这个结果与马先生的绝对空间概念是互相矛盾的。

   然而在我的新坐标变换式中,绝对惯性系的时间T等于惯性系以光速运动时的时间。即两个惯性系的时间是相等的。

   沈老师,请您在理论上看一下我的坐标变换式与麦氏的电磁理论是否相一致。又让您费心了,多谢您的帮助了。

王建华

 [3楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2002/12/22 17:22 

回复:当然矛盾。我已经向他指出过。
《经典相对论》节选(作者马国梁)
 [4楼]  作者:马国梁  发表时间: 2002/12/23 08:32 

是有矛盾。但必须修改的应是麦氏方程!

“当我们以光速追光时究竟会看到什么?”据说爱因斯坦在16岁时就曾考虑过这个问题。按照他后来提出的“光速不变原理”,所以他的结论应该是:仍看到一束以光速前进的光。对此我个人不以为然。现讨论如下.

在真空中有一束光,其传播方向与惯性系运动(x 轴)方向的夹角是β则

Vx = c cosβ Vy = c sinβ

按照我在《再论狭义相对论的基本原理》一书中所提出的运动速度变换公式得

Vx= c cosβ— u /1 uu / cc

Vy= c sinβ/ SQRT1 uu / cc    c = SQRTVxVx+ VyVy')

    =c u cosβ)/ 1 uu / cc

(不信您可以用分式自己再推导一遍。)

此即在动惯性系中,光在各个方向上的单程速度。可以看出,光速在各个方向上不再具有对称性。所以当我们在动惯性系中,观察点波源发出的电磁波时,看到的将不再是一圈圈的球面波,而是一圈圈的心脏面波。波面对称于 x 轴。且当 β= 0

  c = cc /c + u 为波速最小

β= 180°时

c = cc /c u 为波速最大

惯性系的绝对运动速度 u 越大,波面的“心脏形”就越显著。 u c

β≠0 c =c u cosβ)/ 1 uu / cc)→

而若 β= 0 c = cc /c + u )→ c / 2

这就是我们的结论。即:当我们以光速追光时,所看到的将是“以半光速前进的一束光”;而在其它方向则看到以无穷大光速传播的光——这并不奇怪,因为在以光速运动的参照系中,时空的收缩已到了零的极限。

另外,根据“光在运动物体上,各个方向上的单程速度不再对称”这个规律,还可推出物体在真空中的绝对运动速度。关键是必须先要精确测出光在各个方向上的单程速度。这一论断意义非常重大。有实验条件的人们,请注意这一功在当代、利在千秋的验证机会吧!

 

 [5楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2002/12/23 10:42 

回复:Maxwell理论在高速(电荷高速),微观(尺度在10^(-16)米)下都得到精确验证了的。
马先生的理论如果实验一下,在这些尺度下都会失效。

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