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孙望之:经典物理学与狭义相对论的一致性

2015-05-09  私有资料

经典物理学与狭义相对论的一致性

经典物理学与狭义相对论的一致性

——对于迈克尔逊-莫雷实验的新解读

孙望之

摘要绝对静止坐标系是客观存在的。在此基础上,通过迈克尔逊-莫雷实验可以得到狭义相对论的结果(双程时候)。也就是说,两种理论是一脉相承的。有关单程光的论述中,狭义相对论就全部错了。

关键词:迈克尔逊-莫雷实验    时间定义    一致性

第一个问题:绝对静止坐标系是存在的。

大家都知道经典物理学是以绝对静止坐标系为基础的。但是一个世纪以来绝对静止这概念和另一个类似的概念“以太”(光传播的媒介)同时被人们抛弃了。说它们是不存在的。

这样就使新学说狭义相对论和以牛顿和伽利略为代表的经典物理学产生了根本性的对立。并且狭义相对论只能以假说的身份示人。(爱因斯坦大师称之为公设)

本来绝对静止和绝对运动是一对概念,去掉一个就很奇怪。绝对静止一词指的并非物体而是空间中的位置。

狭义相对论有两公设,其中一个公设:光在真空中的速度为C,与光源的速度无关。他这其中没有提到任何惯性坐标系。这也就是表明了这是光在绝对静止坐标系中的行为。

举个例子会更使人明确这一道理。我手中有一个打火机。打燃后,光就向外均匀传播,而形成一个球形。光球半径以每秒30万公里的速度扩大着。但是其球心是不动的一个点。它不会因为我的走动,也不会因为地球的自转和公转运动而有所移动。显然这个点就是绝对静止点,无数个点就组成了空间。这每一个点都可以作为一个绝对静止坐标系的原点。相对于绝对静止的运动,叫绝对运动。绝对运动之差为相对运动。

那么绝对静止和“以太”两个概念的厄运是因何而引起的呢?

请看下文。

 

第二个问题:对迈克耳逊—莫雷实验的新解读。

做实验所使用的叫迈克耳逊干涉仪。它曾获得了诺贝尔大奖。因为其设计精巧并且用途广泛。

一个世纪以前由迈克耳逊—莫雷合作做了这个实验。此后的半个世纪中又有多批科学家用同样构造原理,但是更加精密的干涉仪重新做了这个实验。

实验目的是为了找到地球的公转速度(或绝对速度)仪器的构造原理是这样的:(每本二教科书都有详细介绍)一束光被分成互相垂直的两路(都平行于地面)沿等长的两臂前行,并被臂顶端的平面镜反射回来,又沿两臂回到中心的一个干涉仪之中。

开始时候一个臂与地球公转方向一致。之后将仪器水平转90O。看一看转动前后两次的干涉条纹是否有移动。人们期待会产生与地球公转速度相应的移动量。

但是所有这半个世纪的实验都是没有移动,人们称之为“零结果”。

于是以爱因斯坦为代表的多数科学家认为,没有找到地球的绝对运动数值,就是因为没有绝对静止的原故。

为了解释“零结果”当时大科学家洛伦兹认为是运动方向上的臂长发生了实质性的物理性的收缩。

认为是这种收缩使得两臂光的往返双程时间在计算时相等(绝对静止坐标系中的时间)所以才会是“零结果”当时年青的爱因斯坦提出是运动方向上的空间收缩了,而非是臂长收缩了,本人以为这个仪器虽好,但用来测地球的绝对速度是用错了地方。大家计算认为两臂双程光用时间不相等,这是在绝对静止坐标系中的事。而在地球这个惯性坐标系中两臂双程时间是相等的。理由如下:

1、根据多谱勒效应:由于仪器各部件之间没有相对移动所以就没有多普勒效应。所以两臂中波长就没有变化,两臂中时间相等(惯性系中的双程时间)当然是“零结果”了。

2、迈克耳逊—莫雷实验就证明惯性系中两臂双程时间是相等的。

3、反过来推理:当两臂中双程时间相等时候,光程也相等时,才会有绝对静止系中的计算结果。因为绝对静止系中计算时候所使用的路程并非臂长,而是光程。

4、正比例关系:从绝对静止坐标系中计算可知时间与光程是正比例关系,那么到惯性坐标系中光程相等,时间也就相等了。

综上所述:

1、同时发出的两束光到达干涉仪的时间由于坐标系的不同而不同,这就是爱因斯坦讲的“同时的相对性”。

2、测地球绝对速度不可以用此仪器。

3、以此实验来否定绝对静止坐标系的存在是个很严重的误判。

4、从绝对静止坐标系出发得到迈克耳逊—莫雷实验的“零结果”是必然的。

5、惯性坐标系中双程时间与方向无关。光速相等,但说光速等于C还欠点火候。

这个极其重要的实验掀起了天大的波澜,也促使人们对时间是什么进行了深入的思考。那么如何定义惯性坐标系的时间呢?

请看下文。

 

第三个问题:给时间一个定义。

时间是一个看似简单的,一个古老而神秘的问题。许多文章,乃至专著都力求给时间下一个定义,但是都很表面化。

我想给惯性坐标系中的时间下一个明确的定义供大家指正。时间可分为两种:一种是自有的时间和其它惯性系无关。如机械钟,如人的心跳次数。第二种时间是可以操作的两个惯性坐标系之间的信息交换用的时间。我要给这第二种时间下个定义。

举个例子,刘翔在绝对静止坐标系中用1秒钟跨过了一个栏架。信息用电磁波传给了惯性坐标系中的我们。我们认为只有收到了30万公里长的一个完整的跨栏画面才叫惯性坐标系中的1秒。如果我们是离刘翔而去(即光线与惯性坐标系同向)我们的速度每秒20万公里,那么只有在绝对静止坐标系中3秒钟我们才能收到30万公里长的光波。此时惯性坐标系的时间定义为1秒。如果我们是与刘翔相向运动,那么,绝对静止坐标系0.6秒我们时间是1秒。

设:

S0为绝对静止坐标系;S’为惯性坐标系。

US’的运动速度。

L0S0系的光程;L’S系的光程。

t0S0系的时间;t’S系的时间。

单程光可分为3种情况:

UC夹角为0°(光与S’同向);

L’=30万公里,U=20万公里/秒。

t0=L’/C-U=30/30-20=3(秒);

t’=L’/C=1(秒),(时间的定义)。

L0=t0XC=90(万公里),设β为时空变换率,

β=L’/L0=C-U/C=t’/t0=1/3

通式为:β=t’/t0=L’/L0=C-U/C

 UC夹角为180°(光与S’相向运动);

t0=L’/C U=30/30 20=0.6(秒);

L0=t0XC=18(万公里),

通式为:β=C U/C

UC夹角为90°(C的方向与U的方向垂直);

t0=L’/ 12 锛?/m:t>C2-U2<>锛?/m:t>1/2<>'>

通式为:β==t’/t0= 12锛?/m:t>1-U2/C2锛?/m:t>1/2'>

此转换率是洛伦兹(双程)变换率,同时也是原子钟(雷达钟)的变换率。所以用原子钟来测双程时候的光速一定是C

在迈克尔逊一莫雷实验中按此定义,惯性坐标系时间与绝对静止坐标系时间之比就是洛伦兹收缩率。

可见双程时候比值无方向性,单程有方向性。同样道理,两惯性系之间也如此。

至此,我们利用迈克耳逊—莫雷实验的结果,再加上时间的定义,能通过经典物理学证明了狭义相对论是正确的。使二者成了一脉相承的关系。狭义相对论成了定理。(即只有双程时候狭义相对论才是正确的。)

但是我的观点与爱因斯坦是有很大不同的。

那么一个世纪以来们对狭义相对论有什么质疑呢?

请看下文。

 

第四个问题:争议为什么会长达一个多世纪?

1、因为狭义相对论否定了绝对静止坐标系的存在,因为狭义相对论本质上只是一个假说。

2、狭义相对论混淆了两时间,认为机械钟和人的心跳次数也会因速度而改变。我认为第一种时间与运动无关。

3、钟和时间不是一回事。由于雷达钟(原子钟)原理上是双程的,所以它可以测量双程时候的光速,但是它不可以测单程光速。

狭义相对论讲的“钟慢”应当是时间变慢了,而非钟慢。并且机械钟也不会变慢。

4、尺缩问题也常引发争议。实际上直尺不会变长或变短,变化的只是时空变换率。并且在这其中根本不存在收缩,有的只是对方惯性坐标系的光程被拉长了。

5、原子钟绕地飞行实验常用来证明“钟慢”。这是不对的,因为单程中也可以“钟快”。前面讲过钟慢只是钟的事,与时间不是一回事。机械种就不会有此现象。

6、光陀螺的应用的解释:用经典物理学解释起来很容易。用狭义相对论解释很困难,这是狭义相对论的一个缺欠,但是这是单程问题。用此来全盘否定狭义相对论是不正确的。在双程中狭义相对论是定理是正确的。在单程中,狭义相对论的时空变换率仍然是和双程的一致,这就是其误区,因为洛伦兹变换的推导过程是依据光速不变的公设按双程情况计算出来的。这不可以认为是单程的时空变换关系。

7、超光速问题:测量光速要有两件工具,一是直尺,二是钟表。当我们向光源运动时候,所测到的光速肯定是大于C的。多普勒现象中的紫移就是如此。

8、宇宙大爆炸理论的根据是多普勒红移。这是令人怀疑的。因为哈勃没有证明光线在长途奔驰中能量不会损失,波长不会变化。

 

参考文献:

【1】北京大学出版社《电动力学及狭义相对论》张家燧著2013年重排本

【2】北京师范大学出版社《相对论百问》赵峥著2012年

【3】科学出版社理论物理为四册《相对论》吴大猷著1983年

【4】上海交通大学出版社《非爱因斯坦相对论研究》蔡立著2014年

【5】重庆出版社《相对论》阿尔伯特·爱因斯坦著乌蒙编辑2014年

【6】武汉大学出版社《理论物理概论》胡承正,缪灵著周详著2011年

【7】北京大学出版社《相对论的意义》阿尔伯特·爱因斯坦著,李灏译2014年

【8】四川科学技术出版社《自然外力—宇宙第一推动力》罗正大著2013年

【9】陕西科学技术出版社《绝对相对定律》张树斌著2014年

【10】江苏大学出版社《回归经典时空观》李立新著2013年

 

电话:13522016426      固定电话:87100412

                孙望之                201410月于北京





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