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? 3. 经典电磁理论不存在相对性
你问世界上任何一个合格的物理学家，凭什么相信时空是相对的。他就一定会告诉你，电磁场运动方程在洛伦兹变换下是不变的。对于爱因斯坦时空相对性的论断，至今实际上没有任何实验证据。也就是说我们从来没有在两个相对运动的惯性参考系上，通过实际测量证明长度缩短，时间变慢是一种相对的效应。但电磁场运动方程的洛伦兹变换不变性是可以用你手边的笔和纸来算算，就可以立即验证的。电磁相互作用是我们目前研究得最透彻的理论，对它的实验检验已经达到常人难以想象的精确度。因此现有的电磁理论在原则不可能是错误的，你尽管可以认为它不是终极真理，相信还存在对它进行修正的余地。但这种余地是如此地小，以至于你很难通过这种修正来发现某些新的可观察的效应。然而物理学是讲究实证的，既然实验无法发现你认为存在的东西，你的修正实际上就无意义。你想通过未来的修正改变电磁场运动方程的相对性是不可能的，因为这必定会导致重大的可观察效应。如果存在这种效应，现在就可以观察到，不必等到未来。既然电磁场运动方程具有相对性，我们的基本时空框架就必然是相对的。 你相信这种逻辑吗？本人以前曾经相信，但自从摆弄过电磁推迟势后就不信了。单个带电粒子任意运动产生的电磁推迟势虽然脱胎于宏观电磁场运动方程，但可谓脱胎换骨，彻底改头换面了。你按经典推迟势推导出单个带电粒子的推迟电磁场，情况就变得异常复杂，与非推迟电磁场大相径庭。你再把单个带电粒子推迟电磁场代入宏观电磁场运动方程试试，就会发现它根本不满足原先的运动方程。渔夫从海里捡到一个魔瓶，打开瓶塞放出魔鬼后，魔鬼变得异常巨大，再也回不去了。 是什么原因呢？这得从头说起。我们知道，经典宏观电磁理论建立在库伦定律和安培-毕奥-萨瓦定律基础上。库伦定律表示的是两个静止带电粒子之间的静电相互作用力，其中即不包含速度，也不包含加速度。也就是说库伦定律只适用于描述静止电荷间的电相互作用力。对于存在速度和加速度，以任意方式运动的带电粒子，库伦定律是不适用的。同样安培-毕奥-萨瓦定律描述的是两个稳定电流元之间的磁相互作用力，其中不包含加速度。对于存在加速度，以任意方式运动的电流元，安培-毕奥-萨瓦定律也是不适用的。为了能够描述在非稳定条件下运动电荷电流产生的电磁场，我们在电磁场运动方程中引入电磁场对时间的偏导数项，但经典宏观电磁场运动方程中不显含加速度却是不争的事实。之所以称其为宏观电磁场，就是因为这种描述方式只对宏观意义上的电荷电流分布系统有效。其中包含了对微观过程的某种统计平均，抹掉了某些东西。 一旦将它恢复成单个带电粒子的推迟电磁场，就原形毕露，面目狰狞了。宏观电磁场好比大理石女神雕像，晶莹剔透，光彩照人，让你看了感到心身愉悦。单个微观带电粒子任意运动产生的推迟电磁场却好像一个老巫婆，全身长满疙瘩，挂满脓包，让你躲之不及。这种推迟电磁场包含速度和加速度的影响，其结果使推迟电磁场变得异常复杂，使人生畏，令人生厌。正是单个带电粒子推迟电磁场的这种特征，即破坏了时间反演对称性，导致热耗散，又破坏了时空相对性，导致牛顿绝对时空理论死灰复燃。这是一个冷面杀手，它不愿意满足宏观电磁场运动方程，你还能指望它遵守洛伦兹变换不变性吗？ 不信之后就得继续深究，结果你会发现，宏观电磁场运动方程的洛伦兹变换不变性是有条件的。这个条件就是，电磁场本身必须满足一种称为相对论变换的变换，只有在满足这种变换的条件下，电磁场运动方程才能对洛伦兹变换保持不变。这也许会让许多对相对论稍有了解，但没有将它作为专业来研究的人感到意外的，电磁场运动方程的相对论不变性居然是有条件的！于是就有了接下来的问题，作为一种人为引入的假设，这种相对论变换合理吗？真是天才的质疑，看来你快要挖到金山了。但请不要高兴的太早，世界上的相对论专家们难道都是吃素的，他们就没有想到这一点吗？ 事实是你想逮住的家伙太狡猾了，他四处逢源，八面讨好，把犯事的痕迹抹得干干净净。明明知道是个嫌犯，却拿不到证据，只好让他逍遥法外，已经一百年整。但你要有耐心，努力跟踪，结果有两件事终于让狐狸露出尾巴。首先是，电磁场相对论变换导致宏观电磁场运动方程解的唯一性破坏。也就是说电磁场变成有两种解，一种是相对论变换导致的解，另一种是直接求解运动方程都得到的解。这两种解是不一样的，理论的唯一性被破坏，这会让搞物理的人感到恐慌。就好像你遇到化身博士，白天是谦谦君子，晚上成了恶魔。当然你也可以把这比喻成一头夹在两堆草料中间的笨驴，不知道该先吃哪边为好，结果活活饿死。另一个问题就显得有些荒唐可笑。你观察一条静止导线上的电流，由于不存在剩余电荷，按经典电磁理论，空间只有磁场没有电场。当你运动时，按电磁场的相对论变换，空间会出现电场。问题在于当你在与电流垂直的方向向左运动时，电场是正的，而当你向右运动时，电场会变成负的，相当于运动方向的改变把正电荷变成负电荷。这无异于你向左边运动时看到一个男人，向右边运动时看到的却是一个女人，运动方向的改变把男人变成女人！你当然总有机会见到两性人，但我想你不可能用这种方法见到两性人。 于是理论家们猛喝倒彩，嘘声一片。按你这么说，电磁场相对论变换不成立，电磁场运动方程就不满足洛伦兹变换对称性了！你小子没有学过量子场论和粒子物理吧，这可都是些有大量实验支持的东西。构建现代物理理论最重要一条基本原则就是，必须满足洛伦兹变换不变性。这条基本原则被破坏，理论物理还有什么活头？我说尊贵的先生们，不要性急，且听我慢慢道来。宏观电磁场还有另一种表示方式，那就是被称为四维电场势的表示方式，量子场论和粒子物理学中用到的电磁场运动方程都是以这种方式存在的。电磁场与电磁势间存在一个变换关系，它们之间不是一一对应的，存在一种被成为规范自由度的任意性。对于用四维电场势的表示的运动方程，不需要电磁场的相对论变换也能使运动方程在洛伦兹变换下保持不变。那么原来电磁场运动方程的时空相对性破缺到哪里去了？被规范自由度的任意性吸收了。在不同的参考系中，我们可以选择不同的规范条件，以保证四维电磁势运动方程在洛伦兹变换下保持不变。或者说四维电磁势运动方程的洛伦兹不变性是以洛伦兹规范条件的对称性破坏为代价的。而这样的对称性破坏是允许的，物理理论对这种对称性破坏不敏感。这好比养猴人哄猴子，早上给三个桃子晚上给四个，猴子哇哇叫。换成早上给四个，晚上给三个，猴子哈哈笑。其实物理学有时也可以哄哄，好侍候的很。 电磁场运动方程的洛伦兹不变性是狭义相对论最基本的理论支柱，这种不变性若不存在，爱因斯坦相对论大厦真的要塌下来了。但请诸位放心，它最多只塌下一半，还有一半屹立不倒。至少老兄本人无意此事，不想赶尽杀绝。还有意将塌下来的一半给补上，以谢天人。爱因斯坦狭义相对论建立在两条基本原理上，一条是相对性原理，另一条是真空光速不变原理。运动相对性原理是绝无可能的，真空光速不变原理则是应当保留的。如何将塌下来的一半补上，构造出一个更合理的时空理论，请听下回分解。但进行重组改造之前，我们要对运动相对性原理进行彻底清算。就像公司重组上市之前必须进行清算，看看还有多少资产可以为你撑腰，以使股民相信把从牙缝里省出来的钱交给你时，不会让你一卷了之。 |
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