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关于朱永强实验的探讨性解释
朱永强在北京相对论研究联谊网发表了《和狭义相对论矛盾的实验》，实验的成功证明了能被惯性系观察想象为静止的空间不是均匀和各向同性的，但实验结果可以用广义相对论来解释。下面请允许我坦率地讲出我的看法。 1、准备知识（一） 按照现代场论，物理作用是以场量子为媒介，吸收或发射量子过程是定域的。系统用一个定域的哈密顿量描，其动力学规律是哈密顿量决定的微分方程，物理现象决定于此微分方程和边条件初条件。这就是近百年来物理学家普遍认为完备的定域描述。1959年所提出Aharonov-Bohm效应的证实，表明定域描述是不完备的。AB效应指出，电子在无电磁场而有电磁势的复连通区域中运动，电子并不受到力的作用，但电子波的衍射图样会发生移动，从而证明电磁势在量子力学是有意义的。 四十多年量子物理学发展表明，AB效应的涵义和意义，远远超过了原来的论述。在七十、八十年代，理论家建立规范场的积分形式和纤维丛理论，发展了经典场和量子场的整体描述。同一时代，人们陆续在非电磁范畴预言和证实一些与整体描述有关的几何的几何效应，加深了人们对AB效应的涵义和意义的理解。 J.E.Zimmerman和 J.E.Mercereau在1965年所进行的测量超导电子的康普顿波长实验，实际上是惯性场几何效应的有力证明。ZM实验可看成是非电子磁范畴的AB效应的第一实验证明。这是因为惯性场中的粒子的哈密顿与电磁场中荷电粒子哈密顿在形式上是等价的。此外，在引力场中运动的粒子也存在这种几何效应，根据等效原理不难理解这点。 不难证明，如果中性粒子在惯性场为零而势不为零的区域中运动，薛定谔方程同样有解。就是说，区域中观察者可以通过观察运动粒子波沿运动路径累积相位变化来测定该区域的势的大小。科学发展的今天，我们相信，量子力学的一些几何效应与广义相对论的一些效应仅是从不同的角度对同一事物的描述，即二者是同一回事。很明显，如果匀速运动的火车上存在“势”，而且这个势与火车相对地面的运动速度存在依赖关系，那么朱永强先生两个实验就可以用上述的方法解释。 2、准备知识（二） 我们知道，相对性更富有建设性的近代定义，是后来从现行的相对性理论中引伸出来的。正如我们看到的那样：牛顿力学具有所谓伽利略群的相对性，狭义相对论具有彭加勒群（或“广义”洛伦兹群）的相对性，广义相对论具有光滑的、一一对应的完全变换群的相对性。即使某理论仅在绝对欧几里得空间成立，但只要此空间在物理上是均匀的和各向同性的，它就具有转动和平动群的相对性。此外，在洛伦兹变换的推导里，除了相对性和光速不变原理外，我们还要引入“空间的欧几里得性和各向同性”这个附加假设。如果放松这个附加假设，洛伦兹变换不再普遍成立了，我们就要走向引力场的道路。 牛顿力学是以没有时空形象的质点为研究对象。爱因斯坦虽然沿用了质点的概念，但他又赋予质点丰富的时空形象，这个时空形象隐藏在洛伦兹变换的数学语言中，其结果就是相对论效应。下面不妨把这个时空形象就可以用通俗的物理语言来表述。 诚然，任意两个相互作匀速直线运动的参考系都可以把它们看成经历了这样的历史：即原先二者相对静止，后来经过加速运动而形成的。这样，物体在加速过程中借助外力做功从外界获得的能量将以场的形态存在物体上，并占一定的空间区域。现在把这种场称为运动场，用W表示；其势为运动势，用φ表示。相对性原理规定了物体从0→V过程中从外界获得的能量为一定为动能Ek，从而把φ定义如下： φ = -Ek/m0 就一个匀速直线运动的刚杆来说，如果把它抽象为只有长度而没有大小的线段，则该线段“沉浸”于场W=0但φ≠0的区域中，区域中的物质可能会造成了线段沿着场梯度方向收缩；同样，沉浸在其中的时钟也可能会变慢。借助等效原理（运动场区域与引力场中一个引力被“变换掉”的无限小区域等效）不难理解这点。然而，线段收缩意味着欧氏几何空间的破坏。容易证明，倘若我们认定能量具有质量，那么只有引入“同时性是相对的”这个修正项，才能保证空间欧氏几何学在力学规律继续有效。 上面，我们用运动场这个动力学因素来解释“尺缩”、“时慢”效应，而且，不必象Holst那样，为了满足因果性条件，去引证存在于宇宙中的所有物质。 狭义相对性原理（相对性原理和附加公设）指的是：如果以运动杆为参照系，则这个匣子（运动场）完全可以被移去，成为理想的真空。 广义相对性原理指的是：如果以运动杆为参照系，则这个匣子（运动场）不能完全移去，即匣子中的场梯度性质要保留，但有一个条件限制：场梯度性质仅是依赖于静系统，以便保证普遍的物理定律在非伽利略参考系统中也具有相同的形式。 这样，场梯度破坏了时空的均匀性，使得运动杆系统中的时间间隔和空间距离不能只用一个时钟和标准量杆去测定；还必须放弃欧氏几何学。按相对论的话说，当运动势φ作为一个物理量引入后，物理规律必须认为是其它物理量与运动势之间的关系，物理规律对于更广泛的变换群成立，而对于运动势作适当的变换（正负号选取）。 3、对实验一的初步解释 根据上面的论论可知，从地面（当是近似惯性系）上观察，加速运动火车上的运动场和势不为零；匀速运动火车上的场为零而势不为零。由匀速运动火车上看，火车的运动场W=0，运动标势φ=0、但运动场的梯度矢量不为零。梯度矢量破坏了空间的均匀性和欧几里得性，这样一来，从量子力学的角度讲，由于 “粉碎电磁波”这个粒子路径所处空间的非平庸拓朴，粒子波沿运动路径累积相位，即两相干粒子波在传播的整体上受到空间拓朴性质的影响。 从广义相对论角度上讲，我们可以把“粉碎电磁波”这个粒子看成是个飞行的时钟。考虑到“火车上的时间与地面时间之间关系”为“固有时间间隔与一系列地面用光信号校准的时钟所指示的时间间隔”，因此火车观察者必须采用同地对钟才能找到火车相对地面运动的判据。 譬如，有孪生三子。老三在S系（家中）静止，老大老二外出飞行旅游，途中，老二返回并与S系相对静止一段时间后再赶上老大，二两对比后将发现老大比老二更年轻些。几年后，老二老三回家，则有老大比老二年轻，老二比老三年轻。这个例子说，匀速运动的火车可用飞行时钟（路线要求闭合）实验来确定其相对地面的运动。 对实验2的解释： 特鲁顿—诺伯尔实验证明了这点：如果观察者与带电体相对静止，则不管系统作如何整体运动，带电体的磁场为零。按照广义相对论有：从相对地面运动的带电体上观察者来看，带电体的磁场为零，但磁矢势不为零。按照AB效应，则有：电子在无磁场而有磁矢势的复连通区域中运动，电子并不受到磁力的作用，但电子波的衍射图样会发生移动。也许可以沿着这个思路来解释朱永强先生的实验2。 展望： 以上仅是我个人的观点，有些地方带有猜测的成份，如有不妥，请批评！ ※※※※※※ 有所突破——《隐参量在物理学中的作用和地位》，诚请指点。http://wang.sellcn.com/com/wyg/ns_detail.php?id=28976&nowmenuid=83686&cpath=&catid=0 |