2. 现有实验所给予的启示 回顾近百年来物理学的发展历程，的确没有更多更有力的实验事实使相对论发生危机。然而如果大家改变旧有的思想观念，重新审视迄今为止所有的实验事实，通过比较分析，那么还是能够得到许多有益的启示，进而解决相对论中所存在的问题。这些启示分别如下所述. 2.1 空间是物质的。现代科学已经充分证明：在现实的空间中，即使是理想的真空也"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。"[1] 真空也是电磁场、引力场、电磁波等现象的载体。 2.2物体的运动具有绝对性。物体的运动具有相对性，同时也有绝对性。物体相对真空场的运动即是绝对运动。绝对运动是使物体上的时空发生变化的前提，而真空场的作用则是局部时空发生变化的原因。 2.3 惯性系的选择方法。现代科学观测的结果证明，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，因此就越适合作惯性系。例如用太阳作惯性系的精度很高，而如果用银河系作为惯性系则精度更高。在实验中还发现，参照物相对被研究物体的质量越大、尺度越大，就越适合作为惯性系。至于绝对静参照系则应是广大的真空背景物质，而实物的静参照系却是找不到的，因为所有物体都在永不停息的做绝对运动。但其绝对运动速度可通过某些物理现象的各向异性推算出来。 2.4 时空具有绝对性和相对性。现代天文观测结果已经证明：宇宙空间至少在上百亿光年远的半径范围内是连续统一的，宇宙的演化至少可以上溯到上百亿年的时间，这就是绝对的无限的时空。而通常所测量的物体长度、持续时间则都是局部时空的反映，都是相对的有限的。它完全可以随时间、随地点、随运动状态而变化。狭义相对论只研究在做惯性运动物体上的时空性质。而研究在不同空间区域内和在加速运动物体上的时空性质则是广义相对论的任务。 2.5 光的属性是客观存在的。光是一种物质现象，它不能脱离物质而存在。光的载体物质是电场和磁场，本质是电磁波。光在空间中的传播速度是由真空场的性质决定的，与光源的运动情况无关。而观测者对光速的测量结果则与观测者的绝对运动情况有关。因此测量到超光速的情况完全有可能发生。 2.6 "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不变"，而应改为："在任意惯性系中，光在各个方向的闭合回路上，做往返运动的平均速度总是一个恒定值。"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；还有，当采用闭合光路时，用各种方法所测得的光速基本上为一恒定值[2] ，这也证明了新定义的"光速不变原理"。 以上事实揭示了人们过去在认识上的许多误区，并为新理论的建立奠定了基础。 3. 新的时空变换方法 3.1 时空收缩率。迈克尔逊-莫雷实验结果是一个无法逾越的事实。虽然从那以来，对它的解释多种多样，但经过细细考究后还是认为只有"时空收缩"的假说最为合理可信。这种解释不光简单，且有一定的物理基础。在动惯性系中，从原点o′发出的光在被反射后又回到原点o′。因为光在空间中总是以恒定的速度c传播，所以在静观测者看来，不管光的传播路径怎样，其平均速度总是一个恒定值；但在运动的观测者测来，由于物体运动的影响，所以如果单按经典速度合成方法，其结果则不再等于光速c .可是由于经过时空收缩的修正，结果使最终测出的平均光速恰好等于光速c .可以推出，在动惯性系中的时钟运行速率和物体在运动方向上的长度收缩率均为SQRT（1-uu/cc）.这个收缩是在做绝对运动的物体上所真实发生的。由于时空收缩的共同性，所以在同一参照系中的观测者不论参照系是运动还是静止，对内部测量的结果都是不变的。 3.2 时空坐标的变换方法。根据时空收缩率可以推出在动、静坐标系之间对同一点时空坐标的变换公式。分别如下所列： x＇= (x-ut) / SQRT(1-uu/cc) y＇= y z＇= z t＇= t SQRT(1-uu/cc) 这个变换以前也曾被洛仑兹等人多次提出过[3] ，它应是在绝对时空之上建立新相对论的的基础。下面将分别讨论它在各个领域内的应用。 4. 运动变换方法及光速的计算 4.1在动、静坐标系之间对同一动点的速度变换公式分别如下所列： vx′=（vx-u）/（1-uu/cc） vy′= vy / SQRT（1-uu/cc） vz′= vz / SQRT（1-uu/cc） 由此变换的结果，使两坐标系做相对运动的速度在彼此看来都不再相等。如在静坐标系中看，动坐标系的运动速度是u ；而在动坐标系中看，静坐标系的运动速度则成了 vx′=（-u）/（1-uu/cc）＜（-u） 还有，使用此法进行速度合成使我们有可能观测到超光速现象。例如在空间中当两电子都以0.5c的速度相向运动时，在它们彼此看来的相对速度是 vx′= [(-0.5c)-0.5c] /（1-0.5×0.5）= -1.33c 但这只是在时空变化影响下进行测量的结果，并非它们在空间中实际运动的速度。 4.2 光速的计算方法。在动惯性系中，各个方向的单程光速为 c＇=（c - u cosβ）/（1 - uu/cc ） 式中β为光速方向与惯性系运动方向的夹角. 4.2.1当 u << c 时 c＇= c - u cosβ 属经典速度合成． 4.2.2当 β= 0 时 c＇= c c /（c + u）＜ c 得偏小光速． 当 u → c 时 c＇= c / 2 即当"以光速追光"时得半光速 ． 4.2.3当 β= 180°时 c＇= c c /（c - u）＞ c 得超光速． 由上还可以证明：在惯性系中，测量任意闭合回路的平均光速都是一个恒定值。即从惯性系中的一点发出的光，不管其路径怎样曲折，只要它最终又回到出发点，那么其平均速度即恒等于c. 前面测往返闭合回路的平均光速只是其中的情况之一。 4.3加速度的变换方法。在动、静坐标系之间对同一动点的加速度变换公式分别如下所列： ax＇= ax /（1-uu /cc）＾（3/2） ay＇= ay /（1-uu /cc） az＇= az /（1-uu /cc） 5. 新相对论力学 5.1 质量总是一个恒定量. 即m′＝ m 因为物体所含物质的多少不随运动状态而变化。同一物体，其惯性大小也是一个恒定量。 5.2 力的变换方法。由于力是一个状态量，而反映其大小的效应又多种多样，所以对于力，在动静坐标系之间不存在统一的变换公式。但如果在动坐标系内力的定义为F′= ma′，那么在动、静坐标系之间力的变换公式即是 Fx＇= Fx /（1-uu/cc）＾（3/2） Fy＇= Fy /（1-uu/cc） Fz＇= Fz /（1-uu/cc） 5.3物体的极限运动速度。在动坐标系内使一个质点受到一个恒力作用，那么在静观测者看来，随着质点运动速度的增加，其受力还是要越来越小的。这是因为动质点的受力最终都是由其附近的物质施加的，随着运动速度的逐渐增大，它们间的相互作用过程减慢、作用距离缩短。 研究质点运动速度的变化规律须要考虑力的速度特性。力的速度特性不同，速度的变化规律也就有所不同。力的速度特性究竟如何，应根据实验结果来确定。可是根据目前已有的实验事实，还未能完全弄清力的速度规律。假如在动坐标系中，力真能够保持其不变性，那么在静坐标系中看来，力的大小将是 F= F′(1-vv/cc)^3/2 由牛顿第二定律得 m dv/dt = F′(1-vv/cc)^3/2 m dv/ (1-vv/cc)^3/2 = F′dt 两边都从0开始积分得v = F′t c / SQRT(mc mc + F′t F′t ) . 由此可以看出 当 F′t << mc时 v = F′t / m 速度的变化遵从经典力学的规律。 而当 t→∞时 则v → c 这就说明了在静止的观测者看来，为什么当质点质量不变时，无论怎样用力，其结果都只能使它无限接近光速，但却永远不能达到或超过光速。而不必再象以前那样用惯性质量的无限增大来说明。光速是物体在绝对静坐标系中运动的极限速度。但在动坐标系内，由于时空变化的影响，使我们有可能观察到超光速现象。 |