近斯齐绩又谈到了参考系变换问题,我想查过去的一个老贴,总则是查不到,好在当时有人将我的贴子转动了“现代物理争鸣[http://club.xilu.com/newphysics] ” ,现将其内容转过来,供齐绩等参考! =============== 讨论相对论问题,本人比较注重逻辑与实验。在我看来,要揭示相对论的矛盾,关键靠逻辑分析,但挑战相对论的根本却在于实验。从数学方面来批驳相对论,我做得不多。一是国内已有许多人在这方面开展工作;二是我认为单纯从数学方面来驳斥相对论,不是根本。因为在物理中,纯粹的数学公式无所谓对错,只要符合数理逻辑都是对的,关键要看能否和物理实际结合。“地心说”并不是因为数学公式错了,才被“日心说”取代,牛顿力学也并不是因为数学公式推导有问题才出现相对论。三是讨论数学公式不方便,在网上输入数学公式太麻烦,写到书中会影响读者面(我的《论物理现象的本质——物质作用论挑战相对论》一书尽量少地用了公式)。 但近期讨论洛仑兹变换的人比较多,我也把自己的观点亮出来,供大家讨论。我认为,伽利略变换是一种“普适的”变换公式,而洛仑兹变换是“仅”对光成立的特殊变换式。 一、普适变换公式 根据相对性原理,正反变换应具有相同的数学形式,设它们具有如下一般形式:x=k(x’+vt’) (1-1) t=k(t’+ax’) (1-2) x’=k(x-vt) (2-1) t’=k(t-ax) (2-2) 为了确定系数k和a,将(2-2)中的t代入(2-1)式,并将(2-1)式化成与(1-1)式相同的形式有: x=(x’+vt’)/k(1-av) (3) (3)式与(1-1)式是同一变换,对比系数应有: k=1/k(1-av) 即:kk=1/(1-av) (4) 这就是系数k和a满足的一般形式。由于只一个方程两个未知数,无法唯一地确定k和a。原则上,k可以取任意数值(a相应变化)。因此,单纯从数学上讲,可以有无穷多种变换公式,并且都是自恰的。下面我们将讨论,伽利略变换是具有真实物理意义的“普适”变换公式,而洛仑兹变换是“仅”对光成立的特殊变换式。 二、伽利略变换 前面,我们一直未点明,系数k和a究竟是常数还是变量,现在讨论一下。研究参考系变换公式的目的,在于揭示时空变换的普遍规律。既然是规律,其中的变换系数,一般情况下应该是常数,与具体参考系的选择无关。因为只有这样,才能体现出世界的和谐与美。而这一点,也正是物理理论所追求的。 如果k和a为常数,要使(4)式对于任意的速度V都成立,必须有: a=0 (否则,k就要与v相关,不再为常数) 由此得: k=1 (k=-1已舍去) 将a=0与k=1代入(1-1)、(1-2)、(2-1)、(2-2)式,得到普适变换公式: x=x’+vt’ (5-1) t=t’ (5-2) x’=x-vt (6-1) t’=t (6-2) 实质上,这就是伽利略变换。由此可知,伽利略变换是一种“普适的”变换公式。这里,我们没有引入任何假设,只是认为系数为常数,便直接推出了伽利略变换。从(5-2) 可以看出,“时间不变”不再是一种先验观点(相对论的支持者们经常批评这一点),而是导出结论。整个推导过程简洁、明了。 三、洛仑兹变换 如果k和a不为常数,通过(4)式就不能唯一地确定它们。要确定,必须额外增加约束条件。比如,我们令x=ct,x’=ct’,并与(1-1)、(2-1)式联立,则有: x=k(x’+vt’) (7-1) x=ct (7-2) x’=k(x-vt) (8-1) x’=ct’ (8-2) 将(7-2)与(8-2)式分别代入(7-1)与(8-1),再相乘,即解得: k=1/squr(1-vv/cc) (9) (其中spur代表开方) 再将(9)式代入(4)式,即可求得: a=v/cc (10) 将(9)式与(10)式代入(1-1)、(1-2)、(2-1)、(2-2)式中,即得: x=(x’+vt’)/squr(1-vv/cc) (11-1) t=(t’+vx’/cc)/squr(1-vv/cc) (11-2) x’=(x-vt)/squr(1-vv/cc) (12-1) t’=(t-vx/cc)/squr(1-vv/cc) (12-2) 大家仔细看看,这就是洛仑兹变换,整个推导过程非常简单,甚至没有提到“光速不变”,只是“强行”地令x=ct,x’=ct’,通过增加这一约束条件便直接得出了洛仑兹变换。 必须指出的是,既然上述变换公式是通过增加约束条件得到的,其适用范围就“必须限定”在这个约束条件范围内,如果x,t,x’,t’不满足x=ct,x’=ct’的关系,就不能代入上述变换式进行变换。另外,提请大家注意的是,上述推导过程中,并没有肯定C是光速常数。C作为任意值,它既可以是光速常数,也可以比光速常数小,甚至是光速常数的几倍。大家知道,相对论推导洛仑兹变换的方法有好多种,但万变不离其中,都要根据光速不变原理用到x=ct,x’=ct’的公式。很明显,这就是增加了约束条件。在洛仑兹变换的推导过程中,x,t,x’,t’实质上是指空间坐标和时间坐标,既然推导过程运用到了x=ct,x’=ct’,意味着在x,t,x’,t’之间“强行建立”了一种联系,成了运用公式的一个约束条件。可是,空间和时间是任意的,谁能说空间和时间有一种固定的对应关系(比如,你现在所处的时空,你能告诉我们它们之间的对应关系吗?)?谁能说它们“一定满足”x=ct或x’=ct’的关系?既然时间、空间不满足x=ct,x’=ct’的关系,就不能代入洛仑兹变换式中进行变换。唯一能够满足这一点,就是以光速运动的事物。所以,洛仑兹变换“仅”是对光成立的特殊变换式。换句话说,洛仑兹变换不是真正意义上的变换公式,它仅适用于光速事件。这就是洛仑兹变换的最大症结。 通过上面的分析,相信大家已看清了参考系变换的实质,唯有伽利略变换是真正具有物理意义的普适变换公式,而洛仑兹变换仅是一种针对光速的特殊变换,绝大多数情况下都不能用。 希望此帖能给大家带来一些启发。一是希望能对沈建其先生有所触动,二是希望能解开刘久明,王建华等人关于K=K’还是K=1/K’的疑惑。(我认为,应该是前者。后者只是推导过程要用到的关系式。要知道,如果K不等K’,意味着,正逆变换不一样。这就出现了问题:如果任意给定一参考系,您是选用正变换呢还是选择逆变换呢?) 黄德民2003。6。24 |