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五维时空与运动力学(整理版)

2017-03-28  私有资料

五维时空与运动力学(整理版)

        黄新卫

一.狭义相对论的诞生

    十九世纪末到二十世纪初,是人类历史上科学发展最迅猛的时代。随着人类对于自然界的认识和研究不断深入,人们发现自然科学的基石物理学遭遇到一系列无法解决的难题。运动的物体质量增大、时间变慢等现象,使得牛顿力学的局限性暴露出来。为了挽救牛顿力学,洛伦兹、彭加列等人分别提出了各自的理论,试图弥补牛顿力学的缺陷。但是他们的理论都存在着这样或那样的不足之处,无法得到物理学界的共鸣。
    1905年,爱因斯坦发表了《论运动物体的电动力学》,这就是后来被世人称之为狭义相对论的原稿。狭义相对论能够用简洁的方式较好地解释现有的物理现象,如运动的物体质量增大、时间变慢、质量与能量之间的关系,突破了牛顿力学的局限性,被认为是近代物理学的奠基之作。
    但是狭义相对论在诞生之初,还不被物理学界和世人所接受和重视。后来大科学家、诺贝尔奖金获得者、量子力学的奠基人普郎克慧眼识珠,认识到狭义相对论的价值所在,在他的大力推崇下,物理学界逐渐接受了狭义相对论。因为狭义相对论的一些假设和结论能够被越来越多的实验所证实,狭义相对论能够解释许多物理现象,所以它逐渐被公认为是真理,逐渐被公认为是物理学史上最伟大的成就之一,爱因斯坦也逐渐被公认为发现了真理,从而他也逐渐被公认为是二十世纪最伟大的科学家和人类有史以来最伟大的科学家之一,不少人甚至认为他对人类所作出的贡献超过了牛顿。 
    也许是狭义相对论太高深莫测,也许是狭义相对论与经典理论差别太大,在狭义相对论诞生之初,大多数人包括物理学家仍然难以理解和接受狭义相对论。曾经流行这样一个说法:全世界只有十二个人能够真正读懂相对论。还流传这样一个故事:爱因斯坦对卓别林说,你真了不起,你的表演世人都能理解,所以你成了世界闻名的大艺术家;而卓别林对爱因斯坦说,你更了不起,你的相对论世人都不能理解,可是你却成了世界闻名的大科学家。据说曾经有300多名德国科学家在报纸上联名反对相对论,说相对论是错误的。有人将此事告诉爱因斯坦,爱因斯坦只是微微一笑,说,如果相对论真是错误的,不需要300名科学家,只要有一个人能指出就够了。
    一时人们以能够理解和接受相对论而自豪。而那些不能接受相对论的人则越来越被视为“脑袋不开窍,不够聪明,思想守旧,顽固不化,死抱经典理论不放,不能接受新知识”,那些对相对论持怀疑和反对态度的人,则越来越被斥为“不学无术,不懂装懂,标新立异,哗众取宠,企图打倒权威而扬名天下”。 就连洛伦兹、迈克尔逊等诺贝尔奖金获得者,由于不接受相对论,在后人提到他们的时候,往往要特意加上一句,他们不接受相对论,似乎他们不接受相对论就是犯了什么错误。

二.狭义相对论质疑

    相信一定会有人说,狭义相对论得到了大量实验证明,能够很好地解释现有的物理现象,有什么好质疑的,难道它错了?
    按照这种逻辑,托勒密的地球中心学说能够解释为什么每天太阳从东方升起、往西方落下等天文现象,它就没有错了。
    亚里斯多德的“力是使物体运动的原因”理论,可以用手推桌子来验证,手一推,桌子就运动,否则就停止,所以这种理论也是正确的。
    还有“重的物体比轻的物体下落更快”,用石头和羽毛来验证其正确性,也不会发现它有什么问题。
    还有历史上的“燃素学说”、“自然害怕真空”等理论,都能够得到大量实验证明,都能够很好地解释当时的物理现象,所以都不能质疑。
    相信一定会有人说,你说狭义相对论错了,错在哪里呢?
    物理学界有97个悬而未决的难题,其中的双生子佯谬、穿洞佯谬、柔绳佯谬、直角杠杆佯谬等几个难题都是狭义相对论带来的。这些佯谬已经在一定程度上反映出狭义相对论是错误的了。
    本人再列举几个自己思考的问题,让大家看看狭义相对论的问题所在。
 
    1.一个物体与一个观测者开始处于相对静止状态,后来观测者开始运动。按照狭义相对论,观测者将会发现物体由静止而相对运动,物体的质量将增大。那么,增大的质量从何而来呢?
    现在观测者又停止运动,恢复到与物体相对静止状态。按照狭义相对论,观测者将会发现物体由相对运动而静止,物体的质量将减小。按照狭义相对论,质量的变化必然会有能量释放出来。那么,物体释放的能量到哪里去了呢??

    2.地面上有一个很长的水平杠杆,中间支点处有两个静质量相同(均为m0)的物体A和B,同时以相同的速度v分别向杠杆左右两端运动。 
    地面上静止的观测者将会发现,A、B两物体质量都增大至M,它们在任一时刻到杠杆中间支点的距离都相等,所以杠杆始终保持平衡。 
    而另一个处于从左向右以v匀速直线运动的惯性系中的观测者看来,B是静止的,而A是运动,所以A的质量大于B的质量。 
    那么这个观测者是否发现A、B两物体在任一时刻到杠杆中间支点的距离都相等呢?按照狭义相对论,地面上的观测者将发现任一时刻A、B两物体到杠杆中间支点的距离都相等,如果运用洛伦兹变换,变换到运动的惯性系中,A、B两物体到杠杆中间支点的距离仍然相等。按照这种分析,从运动的惯性系看来,杠杆两边力矩将不一样大,杠杆将没有理由平衡。 
    有人可能会说,这样分析不符合道理,由于同时的相对性,从运动的惯性系看来,A、B两物体到杠杆中间支点的距离其实并不一样大,A的质量大,但A到杠杆中间支点的距离小,所以杠杆仍然有理由保持平衡。 
    就算这种分析是正确的吧,“从运动的惯性系看来,A、B两物体到杠杆中间支点的距离其实并不一样大,A的质量大,但A到杠杆中间支点的距离小,”那么我们进一步分析一下,当B达到杠杆右端终点时,A还没有到达杠杆左端终点,那么当B从杠杆右端滚下后,A还独自处于杠杆左臂,那么杠杆还是要失去平衡! 
    有人可能会说,这样分析也不符合道理,所谓同时的相对性只是一种视觉效应,实际上A和B还是同时到达杠杆左右两端的。那么,如果A和B是同时到达杠杆左右两端的,但从运动的惯性系看来,A、B的质量却不一样大,杠杆又有什么理由保持平衡呢?

    3.一个定滑轮,左右悬挂两个完全相同的电梯,里面各有两个完全相同的观测者。两电梯通过钢丝绳相联,可以通过定滑轮上下运动。左边的上升,右边的则同时下降。
    现在左边的电梯匀速上升,右边的电梯匀速下降。根据狭义相对论,地面静止的观测者将发现,两电梯质量同时增大为相同值,两电梯所受重力相同,电梯能保持匀速上升或下降。
    但是从左边的电梯里面的观测者看来,自己和自己乘坐的电梯是静止的,而右边的电梯和里面的观测者是运动的,右边的电梯质量增大。
    从左边的电梯里面的观测者看来,左右两边质量不相等,为什么两电梯仍能保持匀速上升或下降?

三.狭义相对论的问题出在哪里?

    为什么狭义相对论会带来这么多佯谬?问题出在哪里?
    狭义相对论是建立在光速不变和相对性原理两个基本前提下的,有人说,相对性原理肯定了物理学定律在一切惯性系中都是相同的,所以也应该包括光速不变,所以狭义相对论实际上只有一个前提——相对性原理。
    而相对性原理,在初中物理学课本中就已经作为物理学基本原理提出了。书中讲述了400多年前伽利略用一艘大木船做实验,发现密封船舱中的观测者不能察觉到船是否相对河岸运动,因为密封船舱中的物理实验结果与河岸上的物理实验结果相同。于是伽利略断定,物理学定律在一切惯性系中都是相同的。
    狭义相对论要求在不同惯性系中有相同的观测结果和物理学定律,这是其理论前提——相对性原理的要求。但是我们发现,按照相对性原理的要求,在不同惯性系中分析相同的物理现象,会存在矛盾的结果。为了解决这些矛盾,物理学家们想出了种种思路,但是往往顾此失彼,按下葫芦浮起瓢,掩盖了旧矛盾,又暴露出新矛盾。
    问题究竟出在哪里呢?
    很少有人怀疑相对性原理是不是严格成立,特别是在高速运动情况下。伽利略的实验只能告诉大家,在低速运动情况下,相对性原理是近似成立的。
    有谁做过实验,一个物体静止在地球上,观测者被加速而运动,结果他发现物体的质量增大了?一个电荷静止在地球上,观测者被加速而运动,结果他发现电荷产生磁场了?我翻阅过《狭义相对论实验基础》等书,没有发现谁做过此类实验。
    如果没有谁做过此类实验,那么,相对性原理只是一种想当然原理!建立在此原理上的理论推导,如相对论电动力学的很多推导,并没有得到实验证实,其正确性值得怀疑!
    
四.五维时空与运动力学

    为了解决狭义相对论存在的种种问题,本人提出了《五维时空与运动力学》理论。该理论不需要也不承认相对性原理,所以狭义相对论带来的种种佯谬将不复存在,而且它同样可以推导出运动的物体质量增大、时间变慢、E=m×c平方等狭义相对论能够推导出的结论,而且推导过程简单得多。  
    1905年,爱因斯坦发表了狭义相对论,首次将时间与空间联系起来。1907年,明可夫斯基进一步提出了四维空间理论,认为时间也是一维空间。随着人类对于自然界认识和研究不断深入,时间与空间之间的深层次联系必然也将进一步被世人所认识。
    在此我想谈谈我对时间和空间的一点肤浅看法,纯属个人管窥之见,不为标新立异,哗众取宠,实为架桥铺路,抛砖引玉,恳请有识之士各抒己见,高明指正。
    我们已经把时间看作是一维空间,那么这一维空间究竟是什么样的呢?这样理解大概不会错吧:时间就象一条长河,从我们身边不停地流过。或者说,我们正在相对于时间长河不停地运动。人的一生路程就好比时间长河其中的一段距离,人生轨迹就是从这段距离开头,到这段距离结尾。如果有人能够减慢从头到尾的运动速度,那么他的寿命就会长一些。我们在时间长河这一维空间的运动速度如何衡量和比较呢?为此我们必须在四维空间之外建立一个独立的绝对时间来衡量和比较四维空间的运动速度,这一独立于四维空间之外的绝对时间是均匀不变、不断流逝的。四维空间再加上一维时间,合称为五维时空。
    我们已经知道了光是一种粒子,但同时具有波动性。那么实物粒子是否也具有波动性呢?德布罗意大胆提出假说,认为实物粒子也应该具有波动性。后来实验证明了这一假说。我们又知道光子在三维空间的运动速度恒为c,那么我们是否也可以假设实物粒子和光子在本质上没有太大的区别,它们在四维空间的运动速度都是恒为c呢?是否可以认为光子在三维空间的运动速度为c,而在时间这一维空间的运动速度为0,它在四维空间的运动合速度为(c平方+0平方)开方仍旧等于c呢?是否可以认为地球(其它星球可能也差不多)这一已被大量光学、电磁学实验证明相对于“以太”运动速度近似为0的星球上的静止的实物粒子在三维空间的运动速度近似为0,而在时间这一维空间的运动速度近似为c,所以在四维空间的运动合速度为(0平方+c平方)开方仍旧等于c呢?是否可以认为地球上以速度v运动的实物粒子在三维空间的运动速度为v,而在四维空间的运动合速度恒为c,所以它在时间这一维空间的运动速度为(c平方-v平方)开方呢?是否可以认为实物粒子在时间这一维空间运动也具有动量而且动量守恒定律同样也适用于四维空间呢?
    可能有人会说,三维时空、四维时空已经足够了,五维时空纯属画蛇添足。如果说仅是为了解释某种现象而提出某种难以证实的假说,那么五维时空或许确实是画蛇添足。但是,五维时空并不是本人凭空想象出来的,而是基于实物粒子和光子的类比推测出来的。

    1.关于质量增大现象的解释

    我们先分析一个问题:如图1a所示,一个静质量为m的实物粒子,受到水平向右的力F作用而运动,如图1b所示,达到水平向右的速度v,此时其质量为M。我们已经知道,M=m×c/(c平方-v平方)开方。为什么会存在这种关系呢?

    我们再分析一个问题:如图2a所示,一个动质量为m的光子,垂直向上运动,受到水平向右的力F作用,如图2b所示,达到水平向右的速度v。此时其质量M为多少呢?由于光速不变,恒等于c,所以该光子在垂直向上方向的速度为(c平方-v平方)开方。由于该光子在垂直方向未受作用力,所以在垂直方向动量守衡,于是可以得出m×c=M(c平方-v平方)开方,M=m×c/(c平方-v平方)开方。

    对比这两个问题,我们可以发现,静质量为m的实物粒子和动质量为m的光子,同样受到水平向右的力F作用,达到同样的水平向右的速度v,质量增大完全一样。这使我们不能不产生推测:静质量为m的实物粒子,是否同时在x、y、z三维空间以外的某个空间——第四维空间以速度c运动,而且它在这个由x、y、z及第四维空间组成的四维空间的速度恒等于c?
    如果是这样的话,我们就很容易解释静质量为m的实物粒子受力F作用而运动后,质量为什么会增大到M=m×c/(c平方-v平方)开方。
    假如这个第四维空间存在的话,那么它将是一个什么样子呢?联想到时间在我们身边不停地流逝,我们在时间长河里不停地运动,我们不能不产生推测:这第四维空间就是时间!
    
    2.关于时间变慢现象的解释

    我们先分析一个问题:如图3a所示,光源距黑体距离为L,光子从光源产生到达黑体被吸收,光子的寿命为t=L/c。
    现在我们把光源扭转一定角度,如图3b所示,光子在水平方向的分速度为v,那么光子的垂直向上运动的速度将由原来的c减小为(c平方-v平方)开方,光子从光源产生到达黑体被吸收,此时光子的寿命为T=L/(c平方-v平方)开方。
    比较发现,后者光子的寿命延长,T=t×c/(c平方-v平方)开方。
    我们再分析实物粒子的衰变。静止的实物粒子从诞生到衰变,寿命为t。如果用四维空间来分析,它在第四维空间——时间的运动速度为c。
    现在实物粒子从刚诞生就开始以速度v运动,那么它在第四维空间——时间的运动速度将减小为(c平方-v平方)开方。此时实物粒子的寿命为T。
    比较发现,后者实物粒子在第四维空间——时间的运动速度慢,所以它应该衰老得慢,衰变期将延长,寿命将延长,T=t×c/(c平方-v平方)开方。

    3.关于长度缩短的推导

    洛伦兹收缩尚没有得到实验证明,它究竟是一种真实存在,还是一种视觉效应,一直争论不休,并由此带来了种种佯谬,困扰了物理学界数十年。
    个人认为洛伦兹收缩不是真实存在,而是相对三维空间运动的的观测者由于时间变慢造来的误解,而在三维空间静止的观测者将不会观测到。试分析论证如下:
    一把长度为1米的直尺,从左向右相对三维空间水平运动。当它的最右端到达三维空间静止的观测者面前时,观测者开始记时。当它的最左端到达静止的观测者面前时,观测者停止记时。这段时间间隔乘以直尺的运动速度,就是直尺的长度。这段时间间隔内,静止系里衰变了N个实物粒子。
    另有一个与直尺一起相对三维空间运动的观测者,在他看来,直尺的长度等于他观测到的时间间隔乘以他与静止系的相对运动速度,此速度等于静止系中观测到的直尺的运动速度。
    由于运动系的时钟比静止系的时钟要慢,如果静止系观测到的时间间隔内衰变了N个实物粒子,那么同期运动系只能有N×(c平方-v平方)开方/C个实物粒子衰变。
    每个实物粒子的衰变过程就是一个时钟,运动系的观测者将会发现在他观测的时间间隔内衰变的粒子数少于静止系的观测结果,于是他会误解为他观测到的直尺长度缩短。

    4.关于质能公式的解释
    
    我们再看看著名的质能公式E=m×c平方如何推导出来。静质量为m的实物粒子,如果全部转化为能量E,亦即转化为一个动质量为m的光子,其中包含的能量E是多少呢?或者说,该光子对外界作功W最大有多大呢?我们已经肯定了光速不变原理,假定该光子受外力F作用不断对外界作功,那么它的动质量势必不断减小直至为0,在这期间t内它运动的距离为s。于是我们可以得出E=W=F×s=F×c×t,根据动量定律,光子的动量m×c=F×t,于是我们可以推导出E=W=F×c×t=m×c×c=m×c平方。
    由此可见,E=m×c平方就是光子的动能。

    5.至于洛伦兹速度变换,由于肯定了不同参照系中光速不变原理,所以推导方法、步骤和结果与狭义相对论完全一致。

五.补充说明

    按照以上假设推导出来的结论与狭义相对论的解释并非完全一样。在狭义相对论中,质量增大、时间变慢、长度缩短都是相对的,随着观测者在不同惯性系中观测而会发生变化,与相对观测者的运动速度有关。而按照以上假设推导出来的质量增大、时间变慢、长度缩短都是相对于地球的,是绝对的,不因观测者在不同惯性系中观测而发生变化。或者说,相对性原理并不成立,地球是一个相对而言较为优越的惯性系,而从地球上加速而运动的物体或惯性系则有别于地球。
    基于这种假设及推导,狭义相对论带来的种种佯谬将不复存在。
    如质量增大问题,按照这种理论,物体只有受外力作功、吸收外界能量,才有可能质量增大,而不会随着与观测者的相对运动速度变化而变化。
    如正、负电子相互吸引,由静止而加速靠拢,最后湮灭为一对光子,这种现象,如果用狭义相对论来分析,正、负电子的质量会越来越大,最后湮灭为一对光子,光子的动质量将大于正、负电子的静质量,但事实却并非如此。
    还有电子与质子相互吸引,由静止而加速靠拢,最后组成原子并释放出光子,这种现象,如果用狭义相对论来分析,原子中的电子和质子围绕其质心旋转运动,质量都要增大,那么增大的质量从哪里来呢?
    如果用本人的理论来解释,则非常容易。正、负电子相互吸引,由静止而加速靠拢,它们不但受对方外力作功、吸收对方能量,同时也要对对方作功、提供给对方能量,吸收对方的能量等于提供给对方能量,所以它们的质量仍然不变,湮灭为一对光子后光子的动质量仍等于正、负电子的静质量。
    而电子与质子组成原子的过程中,电子的质量远小于质子的质量,在受到相同大小的吸引力下,电子对质子作功远小于质子对电子作功,所以电子吸收质子的能量远大于提供给质子的能量,所以电子质量增大,而质子质量减小。而按照狭义相对论,质子由静止而运动,其质量也要增大。
    个人认为宇宙中存在着绝对静止的参照系,其中的时钟最快。
    而地球在三维空间的运动速度显然不等于0,那么它相对于第四维空间的速度也不等于c。但是对于接近光速运动的高速物体来说,地球在三维空间的运动速度是微不足道的,所以以上质量增大、时间变慢公式对于从地球上加速而运动的物体来说仍然是近似成立的。
    也许有一天,实验物理学家能够精确地测量出质量增大、时间变慢公式与实际测量值之间的微小误差,那么,地球相对宇宙中绝对静止的参照系的绝对运动速度就可以测量出来了。

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 [2楼]  作者:清华小猪  发表时间: 2004/06/17 14:02 

 

一切问题都是因为只学了科普级相对论而产生的

……

本人再列举几个自己思考的问题,让大家看看狭义相对论的问题所在。
 
    1.一个物体与一个观测者开始处于相对静止状态,后来观测者开始运动。按照狭义相对论,观测者将会发现物体由静止而相对运动,物体的质量将增大。那么,增大的质量从何而来呢?
    现在观测者又停止运动,恢复到与物体相对静止状态。按照狭义相对论,观测者将会发现物体由相对运动而静止,物体的质量将减小。按照狭义相对论,质量的变化必然会有能量释放出来。那么,物体释放的能量到哪里去了呢??

[[这种困惑是你只学过科普级的相对论所致。质量或能量并非洛仑兹协变的,协变的物理量是“能量-动量张量”或“能量-动量四矢量”,观察者改变速度只是换了一个坐标系来表达同一个“能量-动量”四维矢量,“能量-动量”矢量在新的坐标系下的坐标分量当然会变,能量(在自然单位制下等于质量)只是这个四维矢量的T-坐标分量,当然要变。这时动量也变了,你为什么不置疑动量守恒定律呢?

在观察者改变速度时,能量-动量四矢量的长度(大小)是不变的。狭义相对论问世后,一切物理定律都要按狭义相对论要求改造成洛仑兹协变的,一切真实的物理量如果不是标量都要改成四维矢量或张量形式。量子力学能满足狭义相对论协变要求(两者的结合就是相对论量子场论),但还不能与广义相对论协调一致。

如果我们始终在同一个惯性系中观察世界,则原来的非协变的三维形式的物理量有些仍然可用。

你以下的问题都涉及引力,但在狭义相对论中质疑,当然会产生困惑。物理量的定义在广义相对论中要进一步改造。]]

……

    我们已经知道了光是一种粒子,但同时具有波动性。那么实物粒子是否也具有波动性呢?德布罗意大胆提出假说,认为实物粒子也应该具有波动性。后来实验证明了这一假说。我们又知道光子在三维空间的运动速度恒为c,那么我们是否也可以假设实物粒子和光子在本质上没有太大的区别,它们在四维空间的运动速度都是恒为c呢?是否可以认为光子在三维空间的运动速度为c,而在时间这一维空间的运动速度为0,它在四维空间的运动合速度为(c平方+0平方)开方仍旧等于c呢?是否可以认为地球(其它星球可能也差不多)这一已被大量光学、电磁学实验证明相对于“以太”运动速度近似为0的星球上的静止的实物粒子在三维空间的运动速度近似为0,而在时间这一维空间的运动速度近似为c,所以在四维空间的运动合速度为(0平方+c平方)开方仍旧等于c呢?是否可以认为地球上以速度v运动的实物粒子在三维空间的运动速度为v,而在四维空间的运动合速度恒为c,所以它在时间这一维空间的运动速度为(c平方-v平方)开方呢?是否可以认为实物粒子在时间这一维空间运动也具有动量而且动量守恒定律同样也适用于四维空间呢?

[[狭义相对论四维速度的大小就是恒为c的,这也是你只学了科普级相对论而重新发明轮子,但也证明你还是挺聪明的。]]

[楼主]  [3楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2004/06/17 20:24 

 

回复:托勒密的信徒是不能发现地心说的错误的!他们会认为怀疑地心学说的人没有真正理解伟大的地心说
[楼主]  [4楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2004/06/17 20:32 

 

回复:托勒密的信徒会认为地心说科普工作没有做好,一些人不知道太阳围绕地球转,所以不理解为什么太阳从东方升起、往西方落下
回复:托勒密的信徒会认为地心说科普工作没有做好,一些人不知道太阳围绕地球转,所以不理解为什么太阳从东方升起、往西方落下
[楼主]  [5楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2004/06/17 20:35 

 

回复:实际上,托勒密的信徒是没有能力从地心说中看出漏洞和隐藏的真相
五维时空与运动力学(整理版)
[楼主]  [6楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2004/06/17 22:20 

 

回复:看不出相对论错误的人当然不愿意承认相对论是错误的,如地心说信徒看不出脱勒密的错误一样
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