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我将《系统相对论探讨》中有关基本观念的前两节内容放在博客上，以表示对北戴河会议的支持。现搬来供大家商讨 一、相对论的困惑 一个多世纪以来，许许多多的哲学家、数学家、物理学家为了弄清引力、电场和磁场以及光线传播的物理机制，进行了不懈的努力。著名的“迈克耳孙－莫雷”实验否定了绝对以太的存在。在此基础上，爱因斯坦建立了相对论。他认为时间和空间会随运动速度的变化而变化；自然界运动速度的极限就是光速C（精确测量为299796±4公里/秒）；无论光源相对于观察者如何运动，光速都是不变的；能量与质量可以相互转化。自相对论问世以来，物理学好像迷失了方向，争论不休，徘徊不前，甚至将神话搬入理论研究，几乎将理论物理研究引向歧途。相对论的结论存在两大矛盾，并且洛仑兹变换的前提条件存在两大错误。 1、爱因斯坦的探索 1905年6月，A. Einstein在瑞士伯尔尼专利局业余完成了一篇题为《论动体的电动力学》的论文，并于当年9月在德国的《物理学杂志》全文发表。论文是这样开头的：大家知道，Maxwell电动力学应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称，而这种不对称似乎不是现象所固有的。比如设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用。在这里，可观察到的现象只同导体和磁体的相对运动有关，可是按照通常的看法，这两个物体之中，究竟是这个在运动，还是那个在运动，却是截然不同的两回事。如果是磁体在运动，导体静止着，那么在磁体附近就会出现一个具有一定能量的电场，它在导体各部分所在的地方产生一股电流。但是如果磁体是静止的，而导体在运动，那么磁体附近就没有电场，可是在导体中却有一电动势，这种电动势本身虽然并不相当于能量，但是它却会引起电流，这种电流的大小和路线都同前一情况中由电力所产生的一样。诸如此类的例子，以及企图证实地球相对于“光媒质”运动的实验的失败，引起了这样一种猜想：绝对静止的概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性，倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用。我们要把这个猜想( 它的内容以后就称之为“相对性原理”)提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着，这速度同发射体的运动状态无关。由这两条公设，根据静体的 Maxwell理论，就足以得到一个简单而又不自相矛盾的动体电动力学。 可以看出，爱因斯坦的思维极其活跃，完全冲出了传统物理学的束缚，他根据当时的一些物理学实验，提出了自己的观点，向传统理论挑战。可以说，他是当时最杰出的理论物理学家。他的质疑权威理论，勇敢探索真理的精神，将永远是物理学工作者的楷模。爱因斯坦根据“一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用符合相对性原理”的实验，以及麦克耳孙－莫雷证实“传播光的媒质——以太并不存在”的实验，提出了“相对性原理”和“光速不变原理”两条假设，对洛仑兹变换赋予新的物理意义。 然而，由于受科技发展水平的制约，当时的物理学实验并不是很完备的。爱因斯坦并未对“运动的电荷产生磁场”的实验进行深入的研究。大家知道，当观察者与电荷均相对于地球保持静止时，观察着测量不到电荷的磁场，而当电荷与观察者一起相对于地球等速运动时（观察者与电荷保持相对静止），观察者能够测量到电荷产生的磁场。如果当时有人做过这样的实验的话，爱因斯坦是绝对不会提出“相对性原理”这一假设的。 ２、相对论的“尺缩”、“钟慢”结论的矛盾 相对论根据“光速不变原理”和“自然定律普适性的相对性原理”两条假设，彻底否定了牛顿的“绝对时间”和“绝对空间”的基本观念，得出了自相矛盾的“尺缩、钟慢”结论。 在解释运动的杆会缩短时出现的矛盾：坐标系A相对于另一个坐标系B以接近于光速作匀速直线运动时，坐标系A中的物体（以及尺子）在运动方向上的尺度会缩短，这种缩短用坐标系A中的尺子是测量不出来的，只能用坐标系B中的尺子来测量。相对论既然否定了绝对空间，那么这两个相对匀速直线运动的坐标系属于惯性系，没有一个会比另一个更优越，它们是平等的。因此，同理可得，坐标系B中的物体（以及尺子）在相对于坐标系A运动的方向上的尺度也会同样缩短，这种缩短只能用坐标系A中的尺子来测量。既然两坐标系中的尺子具有相同的缩短，那么，无论用哪个坐标系中的尺子去测量另一个坐标系中的物体（即使采用爱因斯坦想象的测量方法），都不会发现物体有压缩现象，既使引入第三把尺子，结果也一样，也就是说物体的尺度根本不会因运动而缩短。 在解释运动的钟会变慢时出现的矛盾：坐标系A相对于另一个坐标系B高速运动时，坐标系A的钟相对于坐标系B的钟就会变慢。根据假设，相对性原理适合于这两个惯性坐标系，它们是平等的，在这同时，坐标系B相对于坐标系A也在做高速运动，坐标系B的钟相对于坐标系A的钟也会同样变慢，爱因斯坦没有提出切实可行的测量方法，那么，究竟是哪个坐标系的钟变慢了呢？ 关于动钟变慢问题，相对论的结论是 t＇ = ( t－ v x／ｃ２）／（１－v２／ｃ２）１／２ 因为x＝ vｔ, 所以ｔ－v x／ｃ２＝ｔ（ １－v２／ｃ２）, 得出ｔ＇＝ｔ（１－v２／ｃ２）１／２ 按照相对论支持者的观点，认为动钟变慢，那么动钟变慢效应是相对的，即相对运动的观测者都认为对方的时钟慢于自己的时钟。 由于两个坐标系是平等的，因而“钟慢、尺缩”的结论不能被观测到，也不能用实践来证实。我们认为，实践是检验真理的唯一标准，不能被实践证实的，则必然存在谬误。因此，根本不会发生“钟慢、尺缩”效应。这就是相对论结论的第一大矛盾。 ３、在多坐标系中，洛仑兹变换的结果不一致 设有三个坐标系Ｓ、Ｓ＇和Ｓ＂，各对应轴互相平行，彼此沿着X轴作匀速直线运动，坐标系Ｓ＇相对于Ｓ的速度为v, 坐标系Ｓ＂相对于Ｓ＇的速度为u 当直接从Ｓ、变换到Ｓ＂时 x＂＝［x－（v＋u）ｔ］／［１－（v＋u）２／ｃ２］１／２……………(１) 当从Ｓ经Ｓ＇间接变换到Ｓ＂时 x＂＝（x＇－uｔ＇）／（１－u２／ｃ２）１／２ ＝［x（１＋u v／ｃ２）－（v＋u）ｔ］／［（１－u２／ｃ２）（１－v２／ｃ２）］１／２………………………………(２) 显然，式（１）不等于式（２），这说明洛仑兹变换在数理逻辑上难以自恰，这就是相对论结论的第二大矛盾。 ４、光速不变假设的问题 如果用三维坐标系推导洛仑兹变换，当光源位于Ｓ坐标系原点Ｏ时，在Ｓ坐标系中形成了球面光波。然而，在沿Ｘ轴运动的Ｓ＇坐标系中，虽然在Ｓ＇运动的方向上测量不出光速的变化，但可以很直观地看到，在垂直于Ｓ＇运动的方向上的光束（也就是沿着Ｙ轴和Ｚ轴的方向运动的光束）不会跟随Ｓ＇一起运动，因而必定不能形成球面光波，因此，不能满足 Ｘ＇Ｘ＇＋Ｙ＇Ｙ＇＋Ｚ＇Ｚ＇＝ＣＣＴ＇Ｔ＇ 故不可能推导出洛仑兹变换。光速不变假设是相对论前提条件的一大错误。 为了避免上述问题，狭义相对论提出了一个假设：当两坐标系的原点重合时，从重合的原点处，瞬间发出一个闪光。然而，由于光源发光需要时间，且两坐标系存在相对运动，因此，当两坐标系的原点重合时，没有停留时间，即原点Ｏ＇通过原点Ｏ的时间间隔为０，因此，在间隔为０的时间内不可能发出闪光。 如果用一维空间坐标系推导洛仑兹变换，也是荒谬的，推导过程如下： 对于Ｓ坐标系的原点O来说，在坐标系Ｓ中观察，无论ｔ如何变化，xｏ≡0；在坐标系Ｓ＇中观察，两坐标系沿X轴的相对运动速度为v ，原点O在任意时刻ｔ＇（以O与Ｏ＇重合时作为计时起点）的坐标是 xｏ＇≡－ vｔ＇，亦即xｏ＇＋vｔ＇≡０ 可以看出，数值xｏ和xｏ＇＋vｔ＇无论ｔ和ｔ＇如何变化，均恒等于零。 如果在任何时刻xｏ和xｏ＇＋vｔ＇都有一个比例关系，设这个比例常数为k,那么 xｏ＝k ( xｏ＇＋vｔ＇）………………………………………………(3) 用同样的方法对Ｏ＇这点来讨论，可以得到 xｏ＇＇＝k＇(xｏ＇－ vｔ）………………………………………………(4) 根据狭义相对论的相对性原理，Ｓ和Ｓ＇是等价的，上面的两个等式的形式就应该相同，所以两式中的比例常数应该相等，即有 k＝k＇…………………………………………(5) 这样 xｏ＇＇＝k (xｏ＇－ vｔ）……………………………………(6) 为了获得确定的变换法则，必须求出常数k。根据光速不变原理，假设光信号在O与Ｏ＇重合的瞬时（t＝ｔ＇＝０）就由重合点沿OX轴前进，那么在任一瞬时t（由坐标系Ｓ＇量度则是ｔ＇），光信号到达点的坐标对两个坐标系来说，分别是 x ＝ c t，x＇ ＝ cｔ＇ ………………………………………(7) 将xｏ（Ｓ系原点O的Ｘ轴坐标）和xｏ＇（Ｓ＇系原点O＇变换到Ｓ系的Ｘ轴坐标）替换为光信号的坐标x；将坐标xｏ＇（Ｓ系原点O变换到Ｓ＇系的ｘ轴坐标）和xｏ＇＇（Ｓ＇系原点的ｘ轴坐标）替换为光信号的坐标x＇，把式（3）和式（6）相乘，再把式（7）代入，得 x x＇＝ k k (x －v t) (x＇ ＋ vｔ＇) c c tｔ＇＝ k k t ｔ＇(c－v) (c＋v) 可得 ｋ＝１／［１－（v２／ｃ２）］１／２ 从而求得 x＇ ＝（x－ vｔ）／［１－（v／ｃ）２］１／２ t＇ ＝ (t－v x／ｃ２）／［１－（v／ｃ）２］１／２ x ＝（x＇＋vｔ＇）／［１－（v／ｃ）２］１／２ t ＝ (t＇＋ v x＇／ｃ２）／［１－（v／ｃ）２］１／２ 大家知道，在恒等于零的两项之间加入比例系数，那么，这一系数的取值应该是任意的，如果得出不为任意值，而是确定值的结果，则一定是演算过程出了问题。 爱因斯坦在洛仑兹变换中，将两坐标系原点的坐标强行替换为光信号的坐标显然是不合理的。 ５、相对性原理的问题 实验证明：当电荷与观察者一起等速运动（保持相对静止）时，观察者能够测量到电荷产生的磁场，而当观察者快速从静止（相对于地球）的电荷附近通过时，测量不到电荷的磁场。只有当电荷相对于地球快速运动时，才能产生磁场。牛顿用水桶实验证明了相对性原理不是普遍适用的，然而，爱因斯坦对此却置若罔闻。近年来的许多实验证实，相对性原理在电磁场和电磁波以及微观领域失效。这样，“自然定律普适性”的假设不成立，这就是相对论前提条件的另一大错误。只要我们进行认真地分析研究，便可以非常清楚地看到爱因斯坦所提出的关于洛仑兹变换的两条假设均不成立。 综上所述，相对论是荒谬的，它只是由于当时物理实验手段和人们的认知水平所限，在物理学陷入迷茫之中，难以找到出路之时，理论物理学的天空出现的一朵乌云，是一种数学游戏，根本不具有任何物理意义。 二、基本观念 １、传统时空观念 经典力学认为存在着绝对空间和绝对时间。Newton在《自然哲学的数学原理》中说：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关。始终保持着相似和不变”“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本性来说均匀地流逝，而与任何外在的情况无关”。 Newton还指出：“相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。我们的感官通过绝对空间对其它物体的位置而确定它，并且通常把它当作不动的空间看待。如相对地球而言的地下、大气或天体等空间都是这样来确定的” ；“相对的、表观的和通常的时间，是期间的一种可感觉的、外部的，或者是精确的，或者是变化着的量度。人们通常就用这种量度，如小时、日、月、年，代表真正的时间。”这就是Newton的相对时空观。Newton的绝对时空概念，是Newton对时空的一种数学抽象。Newton的相对时空概念，是整个Newton力学体系中的不可分割的组成部分。 在Newton力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体有关的，运动状态及其改变的参考物体就是原参考物体。Newton设计了一个著名的水桶实验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动。 Einstein提出狭义相对论的相对性原理，要求在不同惯性参照系中力学规律及其他物理规律具有同样形式。在狭义相对论中，不同惯性系的空间和时间之间遵从洛伦兹变换。根据这种变换，同时性不再是绝对的，相对于某一参照系为同时发生的两个事件，相对于另一参照系可能并不同时发生。在狭义相对论中，长度和时间间隔也变成相对量，运动的尺相对于静止的尺变短，运动的钟相对于静止的钟变慢，光速在狭义相对论中是绝对量，相对于任何惯性参照系光速都是c。经典力学和狭义相对论都认为一个惯性参照系可以适用于整个宇宙，或至少一个大的范围。相对于某一个惯性参照系，宇宙中任何范围中的物体运动都遵从惯性定律。 在广义相对论中，空间、时间与物体的运动状态存在着密切的联系，时间、空间是相对的。广义相对论把引力效应理解为：宇宙中物质和能量的分布引起space-time的弯曲和畸变，能量总是正的，它赋予space-time以曲率，space-time中的物体或光线企图沿着直线运动，曲率使轨道向对方弯折，它们的运动像是受到引力场的作用。广义相对论认为: 一个物体使自已周围space-time弯曲, 另一物体在弯曲space-time中沿短程线运动, 这就是引力的本质。 Einstein的相对space-time观与Newton 的绝对space-time观分别从各自的角度，采用不同的眼光或方法看待我们的物质世界，都有一定的局限性。 ２、物质的质量、能量与时空观 对于相对论的是是非非，人们争论了一百年，尽管结论已经明确地摆在我们面前，但是，我们怀着对一代科学巨匠的崇敬心情，以及我们自身存在的排异心理和保守思想，仍然不愿放弃相对论。然而，科学的发展史表明，没有任何理论可以登峰造极，旧的理论必将被适应当代科学发展水平的新理论所取代。在相对论遭遇重重困难，举步维艰之时，如果我们回过头来，从最基本的物理观念入手，理顺我们的思路，树立客观的、科学的物质观和时空观，有可能找到真正的出路。 有人将物质的质量分为惯性质量和引力质量，然后再设法证明这两种质量相等，爱因斯坦称“这是偶然相等”。其实这仅仅是物质在两种力学系统中的人为描述，而物质的质量是唯一的，两种质量相等是必然的，这是由其所包含的微观粒子（如中子、质子、电子以及更基本的粒子）的数量来确定的。同时，任何物质都具有能量，我们可以从其内部核子的结构和运动状态、微观粒子的活跃状态（温度）、分子结构、它相对于参照系统的运动状态（速度）和它相对于其它物体的位置关系（相对距离）等来确定其具有的能量（核能、热能、化学能、动能、势能等）。 我们应该认同经典物理学的观点，物质是自然界客观存在的具有一定质量和能量的实体，质量是表征物质在宇宙中客观存在数量多少的物理量；能量是描述物质状态的物理量，质量和能量是物质的基本属性，能量和质量不能相互转化，但能量可以借助于物质媒介实现传递和转移。 如果我们用一根横坐标轴和一根纵坐标轴分别表示时间和距离，就可以描述沿直线运动的物体的位置随时间的变化规律，这样建立起来的坐标系所表征的是一维的时空关系，我们绝对不能将它称为二维空间。如果我们用三根相互垂直的坐标轴建立一个坐标系，其中一根轴表示时间，另外两根表示空间尺度，就可以用它来描述平面上的物体的位置随时间的变化规律，这样的坐标系所表征的是二维的时空关系，我们绝对不能将它称为三维空间。如果我们用三根相互垂直的坐标轴分别表示三个不同维度的空间尺度，则这种坐标系所表征的就是三维空间，我们仍然可以用时间轴与三维空间轴建立起三维时空关系，用以描述空间物体的位置随时间的变化规律，但是，这样的时间轴只能是曲线，而不能是直线，这是因为在我们的宇宙空间中不可能找到四根相互垂直的轴。同时，时间轴的刻度是不均匀的，甚至是突变的，这是由于物体运动速度的不同以及停顿造成的。如果在三维时空关系中，时间轴变成了直线，则说明被描述的物体在三维空间中是沿着直线运动的，这只是一种特殊情况。我们没有理由将三维时空关系说成四维空间。我们通常所说的N维空间，只是指数学逻辑上的维度，并非指客观世界实在的空间维度。 我们可以认为，在我们的宇宙中，时间的进程到处都一样，并且是单向的，它是我们认识自然、改造自然的数学工具，是最基本的抽象概念。在认识大自然的进程中，人类最初采用日、月、地球之间的相对运动规律来衡量时间。仅以年月日来衡量时间，这种时间单位显然是太大了，后来有的人将一日分为12个时辰，也有人借助于钟表，将一天分为24个小时，又将每小时分为60分钟，每分钟分为60秒钟。可以看出，时间是借助于物质之间的相对运动来进行衡量的，时间的衡量带有人为的因素，但时间作为抽象的数学概念，是客观的，时间既不能创生也不会消失，始终朝着一个方向稳步前进，时间的间隔不随物质的运动状态的变化而改变。随着科学技术的不断发展，时间标准的精度越来越高。 人们掌握了时间这一数学利器，就可以对自然界发生的各种物理现象和物质运动变化规律以及物质之间相互作用进行描述。例如，我们可以用物体移动的距离除以它移动该距离所用的时间得到描述物体运动状态的物理量——速度。我们认为，时间和空间是第一位的，是从大自然中抽象出来的数学观念。速度是第二位的，是对具体的物体或物质质点运动状态的描述。物体移动的距离便是相对空间，速度是绝对时间与相对空间的导出单位。钟表的快慢可能与引力、温度及运动的加速度等因素有关，但时间与这些因素无关。时间的快慢与坐标系或参照系的运动无关。尺子的长度可能与它受到的拉力和运动的加速度以及环境温度等因素有关，但空间与这些因素无关。宇宙空间是三维的，空间的尺度是绝对的，它与观察者和被观察者的运动无关。 爱因斯坦用理想实验来证明事件同时性的相对性，但是，只要我们进行认真分析，就会发现，他的理想实验仅仅是将事件的观测效应与事件本身相混淆，认为观测到的现象就是真实的客观事件本身。我们也可以做一个理想实验，完全能够证明事件同时性的客观性或绝对性。用同样长的导线和同一个开关同时控制两盏灯A和B，并且假设这两盏灯以相同的速度沿同一直线同时朝相反方向远离开关，当我们合上开关时，两盏灯同时点亮，构成同时发生的两事件Ａ和Ｂ。由于诸多观察者的运动状态不同，以及他们与事件Ａ和Ｂ的相对位置不同，有的观察者认为事件Ａ先于事件Ｂ，也有的观察者认为事件Ｂ先于事件Ａ。但我们可以肯定事件Ａ和事件Ｂ是同时发生的，与观察者的运动状态及他们的相对位置毫无关系（然而，相对论却错误地认为事件Ａ和事件Ｂ发生的先后顺序要依观察者的运动状态而定）。如果我们用放在一起的两个开关分别控制两盏灯，并且先开Ａ灯，后开Ｂ灯，则事件Ａ必然先于事件Ｂ发生，即使观察者的运动速度达到了光速，也绝对不会改变事件Ａ和事件Ｂ发生的时间顺序！ ３、最基本的物理概念——力 除了物质观、能量观、时空观等观念外，物理学还离不开最基本的物理概念——力。那么，什么是力呢？牛顿认为，力是物体之间的相互作用。那么，什么是相互作用呢？牛顿认为，只要在两个相互接触的物体上产生两个大小相等，方向相反的力，则可确定两个物体存在相互作用。如果物体不受力的作用，将会处于匀速直线运动状态或静止状态。很多人认为这样的定义存在逻辑问题，而且不受力作用的匀速直线运动状态或静止状态相对于何物呢？牛顿认为是相对于绝对的宇宙空间。然而，绝对的宇宙空间在哪里呢？牛顿用水桶实验找到的绝对空间似乎在地球中心或太阳系中心，或者是更远处的一个中心。但这种中心论从来没有得到科学家们的认可。 我们认为，要给力下一个严格的定义需要考虑两个方面，即宏观方面与微观方面。从宏观方面来说，力是物体所受到的外界影响，这种外界影响会改变该物体的运动状态、赋予该物体某种运动趋势或阻碍该物体的运动趋势。上述运动状态和运动趋势应该是相对于物质体系质量中心而言的。如地球系、太阳系、银河系等。从微观方面来说，力是物质粒子借助于更微小的粒子，进行能量传递和动量转移的碰撞过程。 当我们用手指去推一个物体时，我们会感受到物体给我们的反作用力，那么，这个反作用力是物体直接作用于我们的手指上的吗？或者说，我们的手指接触到物体本身了吗？答案是否定的，组成我们手指的物质粒子与组成物体的粒子不可能直接接触，因为我们的手指不可能有足够巨大的能量，手指与物体的粒子之间存在巨大的空间，这一空间充满了场（我们暂时称作场，以后我们进一步分析这种场的物理属性），我们的手指与物体的作用是通过这种场来实现的。当手指推物体时，粒子间的场在一定程度上被压缩，推力越大，场压缩的程度也越大。物体的物质粒子之间，也是借助于这种场传递着手指对物体的压力。那么，场的实质是什么呢？下面我们进一步探讨这一问题。 wangyanqiang 发表于：2007-8-31 21:31:39 [编辑] [精华] [删除] [回复] -------------------------------------------------------------------------------- |
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支持！很有研究： 如不异议，您已经进入以李子丰教授为会长的中国挑战相对论物理学会行列。 ※※※※※※ 世界科学院，高科技开发中心，欢迎各界朋友： |