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张文安:《揭开狭义相对论困惑之谜》序言

2016-01-14  私有资料

 张文安:《揭开狭义相对论困惑之谜》序言

 

1905年,时任瑞士伯尔尼专利局一名普通职员、年仅26岁的阿尔伯特·爱因斯坦,在当时各种假说都不能对迈克尔逊——莫雷光学实验结果做出合理解释的背景下,以《论动体的电动力学》一文首创了举世闻名的狭义相对论。这个理论不仅对现代物理学、现代科学乃至人类哲学都产生了极其重大的影响。

明年是爱因斯坦狭义相对论诞生100周年。尽管他创立的这一理论一百年来一直受到人们的质疑和争议,但他为追求科学真理而不断探索的精神,永远值得我们学习和崇敬。他在物理学诸多领域为人类科学所做的伟大贡献,永远值得我们敬仰和赞颂。

检验真理的唯一标准是实践,检验科学理论的唯一途径是实验。

美国花费7.5亿美元建造的携带高精密度实验仪器的科学探测卫星已于2004年4月20日发射升空,旨在检验爱因斯坦广义相对论的两个重要预言(即大质量物体的四周时空会弯曲和弯曲的时空会被大质量物体所拖动)是否成立。实验观测期预计为16个月,数据整理与分析另需9个月,届时会得到爱因斯坦广义相对论接受太空实验检验的结果。

    同样,对于爱因斯坦的狭义相对论,一百年来,不仅在理论物理学界,在整个科学界,甚至在世界各国的科学爱好者中,都一直在进行着有关这个理论论证中的假设、证明和推论的逻辑思考并不断提出自己的疑问。历史上几乎从没有哪个科学理论象狭义相对论这样,引起人们如此强烈的关注和如此长时间的争议。当代著名理论物理学家史蒂芬·霍金曾在其著作《果壳中的宇宙》[中文版,湖南科技出版社2003年3月第1版第11页]中说到,“1921年爱因斯坦获得诺贝尔奖时,其颂词是至关重要的,······它没有提及相对论,因为相对论被认为太过于争议性了(我仍然每周收到二至三封来信,告诉我爱因斯坦是错误的)。”

    那么,质疑狭义相对论都是由于人们未能正确理解这一理论吗?并非如此。

    作者认为,狭义相对论的确存在着重大缺陷。这缺陷不是来自其中所用的数学推导,而是由于其所依据的两个假设之间的相互矛盾和逻辑错误,以及对狭义相对论来说是最后也是最重要的“依据”——这就是被错误解释了的迈克尔逊—莫雷光学实验。

迈克尔逊——莫雷实验的直接结论是,在仪器旋转(顺时针)90°之后,没有观测到仪器旋转前已形成的干涉条纹的明显移动。当时,这一出人意料的结果引起了人们的极大困惑,并进而产生了多种假说,其中最为著名、并被爱因斯坦作为狭义相对论理论基石的就是他本人的解释——“光在运动的地球上沿各个方向等速传播”,并据此进一步推测而形成了狭义相对论的“光速不变原理”——即位于某个惯性系中的光源发出光闪,不仅在该惯性系中的观察者,而且在其它任何惯性系中的观察者都将观测到同样的光速,这显然是不正确的。

作者尝试所做的电脑模拟过程说明,迈克尔逊设想的用于实验过程中光程差的计算公式出现了失误,并因此导致他对仪器旋转后光程差的判断出现了疏漏。正是这两个因素使他(包括后来的实验者)认为,仪器旋转前、后两次观测的光程差应该相等,并因两个支路上的反光镜地位互换,所以仪器旋转前、后光程差的变化值就应为仪器旋转前两个支路上光程差的2倍。根据光程差与其产生的一组干涉条纹位置对应关系的理论计算,他据此预计,在仪器旋转后的观测中应该看到仪器旋转前已经形成的干涉条纹的明显移动(他预期的移动数值为0.4)。

作者通过电脑模拟得到的结果表明,在计入了地球以每秒30千米的速度相对以太运动之后,仪器顺时针旋转90°后两个支路的光程差只为迈克尔逊实验预期值的1/210,据此计算的干涉条纹移动数仅为0.04,而不是原实验者所预期的0.4。这正是这项著名的实验在仪器旋转后的观测中未见干涉条纹明显移动的真正原因(尽管后人多次重复做过类似实验)。

因此作者认为,所谓迈克尔逊—莫雷实验的“无结果”,不仅不能解释为“光在运动的地球上沿各个方向等速传播”,刚好相反,它恰恰证实了当时大多数物理学家的科学预想——地球相对以太(即绝对空间)运动的客观事实。

此外,作者依据“波速与波源运动无关”的波动学原理并运用数学方法推导得出的计算结果表明,在光源相对真空(本书中出现的“真空”,均指绝对空间)作匀速直线运动的情况下,光在光源径向上的光速cm(相对与光源一同运动且坐标原点与光源中心重合的参考系)是不一样的。即

cm=Zmc0,

式中Zm=(1-υ2/c02·sin2α)1/2 - (υ/c0)cosα,为波源运动影响系数,υ和c0分别为光源和光在真空中的运动(传播)速度。

基于上述结果作者还认为,这个光波波速公式也反映了其它类型的波动现象在同样情况下的传播规律,例如电磁波和引力波。由于电磁场(或引力场)中某点的场强与该点至电磁场(或引力场)中心距离的平方成反比,而距离又与波速成正比,因此可以得到在它们的波源运动情况下这两个场强的计算方法,即波源运动时其周围的场强等于这个波源相对真空静止时的场强乘以波源运动影响系数Zm的平方(这说明场强沿波源的环向是不均匀的)。据此作者认为,在真空中同向同速的两个点电荷之间的相互作用力和两个物体之间的万有引力分别为,

fm = Zm2f0 ,   (其中f0=k·q1q2/r2,即电学中的库仑定律)。

Fm = Zm2F0 ,   (其中F0 =G·m1m2/r2,即牛顿万有引力公式)。

由此作者个人以为,这从理论上证明了作为狭义相对论理论体系基石的两个假设——“狭义相对性原理”(即物理定律在任何惯性系中都是等价的)和“光速不变原理”(即光速是绝对的,与光源的运动和任何惯性系中观察者的观测无关)均是不正确的。

     为便于阅读、想象及理解,本书试图尽可能多地通过图示与文字相结合的方式进行表达,而尽可能少地单纯使用文字。

    作为一个建筑工程师,作者曾有十余年的手工绘图经历。如今,手工绘图早已被电脑制图所取代,这是飞速发展的科学技术使我们受益无穷。它不仅解放了我们的双手,更给予了我们思考的时间。如果没有电脑的帮助,作者不可能对迈克尔逊实验过程进行模拟,进而得到迈克尔逊本人在当时条件下未能察觉到的实验总是呈现“无结果”的真实原因,因而也就不可能完成此书的写作。为此,作者愿借本书出版的机会,向世界上所有在科学技术各个领域中从事研究、实验、教学和科普工作的职业人士,以及为科学理论的发展与完善无偿奉献自己的时间、精力与才智的业余科学爱好者,表示崇高的敬意和真诚的感谢!

作者特别希望此书能起到抛砖引玉的作用,并引起关注科学事业的人们广泛而深入的讨论与争鸣,从而促进科学理论的进一步发展和完善。

鉴于作者仅是一个普通的科学爱好者,理论水平十分有限,书中不当之处在所难免,真诚恳请专家、学者及广大的科学爱好者指正。限于时间及个人经验,书中尚有一些没有深入讨论和清晰阐明的问题,希望能与广大读者在以后的时间中一起探讨。

对本书内容有任何疑问,请将电子邮件发至zwa516@sina.com,作者非常感谢!

 

(学术动态№2998 2007/01/22  p.12870-12871)

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