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从狭义相对论产生的历史深层背景看它的物理意义与科学价值

2018-11-23  sijin2013

司 今(jiewaimuyu@126.com)


从狭义相对论产生的历史深层背景看它的物理意义与科学价值

从内心来讲,我本人对讨论相对论议题并不感兴趣,因为我还没有能够深入了解它;虽然大学里学了一点,那也只能算是“九牛一毛”,因此,我不想把有限精力放在这个“陌生问题”上作过多言论,因为,对不太了解的东西“言多必失”!

但因受人之约,非要我谈谈对相对论的看法,碍于颜面,我也只好“应差”一下了。

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据说,爱恩斯坦最初发表相对论的时候只有两个半人能看懂,一个是爱因斯坦,另一个是爱丁顿,其余的都是一知半解,加起来算半个;这虽有点戏语,但从侧面也反映出了相对论内容深奥、晦涩难懂的特点。

一百年过去了,相对论虽作为基础物理学而被人们接受,但真正理解相对论的人还是不多。大学里,教授们在照本宣科地“念”着相对论给学生听,教授们走了,学生成了老师,于是还是照本宣科地“念”下去……可以这么说,相对论自诞生之后,并没有得到像量子力学那样大的发展,相反,它的一些假设、猜想还再延续让人困惑的传奇。

我始终认为,对相对论问题不能孤立地去看待和讨论,必须洞悉相对论产生的深层科学历史背景,必须将相对论的思想内容放到整个物理学体系中来全盘考虑,否则,那可能又是在演绎“盲人摸象”的滑稽剧!

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目前,流行的所谓挑战相对论问题,大部分也都是在“盲人摸象”!因为各种物理理论已相互交错,“牵一发而动全身”,正如王令隽教授所说:讨论与挑战相对论之难就在于相对论的一些概念和理论已深深融入到量子力学中去了。

1、狭义相对论产生的历史深层背景

认识必须从它产生的科学历史背景着手,才能真正了解这个理论所描述的物理思想脉络和应用价值;我想,认识相对论也应如此。

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十九世纪初,物理学已从宏观力学与经验电磁学转入微观粒子运动的研究,期间出现的不仅仅是“二朵乌云”,还有惯性系转换问题(从地球惯性系转入原子核惯性系)与光运动问题等。爱因斯坦正是敏锐地扑捉了这一变革契机;他开始研究布朗运动与光电效应问题,他吸纳了普朗克的量子观点,并将这一观点应用到热力学中,特别是在解决物质态变中组成粒子的能级变化与光电效应问题起到了现代物理学基础的作用。在爱因斯坦所发表的论文中,被引用最多的不是《论动体的电动力学》等,而是一篇关于布朗运动研究的论文,正是这篇论文与关于光电效应解释论文为经典量子力学的发展奠定了基础。其后,才催生了他的狭义相对论与广义相对论诞生。

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那么,是什么原因促使爱因斯坦产生建立相对论的念头?仅仅是一个迈克耳逊实验吗?

不是!是十九世纪科学基础矛盾的积累与由从宏观到微观研究差异所引出混乱的必然结果。用爱因斯坦的话说就是,“相对论的兴起是由于实际需要,是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻,而看来旧理论对这些矛盾已经没法避免了”。

如果从历史深层背景来说,就是:

1.1、麦克斯韦电磁波理论首先提出光是一种电磁波,光速是一个定值,即C=3×108m/s.

麦克斯韦光速值是依据库伦电、磁荷力公式中的引力系数比ke/km得出的结论,即√ke/km=c=3×108m/s.但我们有没有仔细想一想,此运算值真的就代表光的运动速度吗?其中蕴含的真正物理意义是什么?

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如果把电荷力与磁荷力看作相等,则有F=keq1q2/r2=kmpm1pm2/r2,因pm=qv,可得ke= v1v2km;结合ke=c2km,就会得出c2= v1v2,这说明v1或v2必定会有一个是超光速c,为什么会出现此现象呢?

原来,ke与km就像与Φm与pm之间一样存在单位换算问题,如果将ke= v1v2/π与ke= c2km结合,就可得v1v2=πkmc2,即c2= v1v2/πkm,这样就不会出现v1或v2超光速问题了,同时也揭示了ke、km及它们之间相互转换的物理关系本质,说明电、磁力是同一种力,只因荷的定义不同而描述不同罢了。(注:具体推导可参阅《高斯定理的物理意义及其在场物理学中应用的得失》一文)

1.2、伽利略的速度合成律在光运动及电磁现象中应用出现问题

伽利略速度合成律是建立在牛顿惯性系中的二个平移坐标系之间坐标转换的规律,是牛顿绝对时空思想的数学体现。但它有一个显著特征,那就是:参照系相互转换时,必须用一个标准来衡量,不可以二个互为衡量标准。

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但这种坐标转换形式应用到发光体光运动速度合成问题上时,就会出现与实际不符的矛盾,这不是伽利略坐标转换本身的错误,而是伽利略忽略了一个事实:发光体发出的光子运动速度与发光体是否运动无关,它只与发光体内提供的发射光子的能量大小有关。

电磁现象之所以不符合伽利略速度合成律,那是因为我们直到现在还没有真正弄明白磁性真正的起源是什么?单个静态电子有没有磁性?单个运动电子真的就会在自己周围空间产生额外的运动磁场效应吗?我的研究是否定的!电子磁场的真正起源来自于其自旋性上,电子运动速度的增大只会削弱自旋磁场,从而使运动电子在其周围空间分布的磁场变弱。

1.3、以太风实验零结果问题

任何光速测定都离不开光源这一基点,迈克耳逊以太风实验说明:地球上沿各个方向的光从光源发出时都有相同速度,它与地球的运动状态无关;同时也否定了以太的存在,间接证明了光的粒子性。

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这个实验还有一个重要意义,那就是它揭示了伽利略坐标变换存在局限性,暴露了伽利略坐标变换存在严重缺失,即它不适于描述发光体发出的光子运动速度合成问题。

1.4、荷质比随速度变化问题

1901年考夫曼在确定镭C发生的β射线荷质比的实验中首先观察到,电子的荷质比与速度有关,他假设电子电荷不随速度而变化,则它的质量就要随速度的增大而增大。这一实验后来成了间接验证爱因斯坦光速不变假设的重要依据。

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但是,我们却忽落了这样相关事实:我们知道,质量、电量都是在牛顿力学概念下定义出来的量,它们的含义应包括二个方面:

(1)、表示质体或荷体组成的基本粒子量多少;对不同“荷”概念就要为它制定一个用于度量的基本单位量,这就是“荷”组成的基本粒子概念;如电子,质量是m=9.1× 10-31kg、电量是e=1.602× 10-19C,用它们就可以去度量一个质量体、一个电荷体中所含的电子个数多少。

(2)、表示外力对物体或“荷”改变难易程度的度量,即它们所具有的惯性大小的度量。据此按“荷量”惯性定义内涵不同,可分为质量惯性、电量惯性等。

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从上面质、荷定义的共同含义中可以看出,质量、电量都是与力有关的量,质、荷载体是由基本的质、荷粒子组成,说明它们都有量子性。物理学中如果在同一个公式里出现二个以上变量,则只可能将它们都视为常量或其中一个视为常量,不可能将它们都视为变量,因为二个量之间的转换必须要有一个“比较基”存在,至于选哪一种变量为“比较基”,不能根据我们的主观需要而定,而应根据物质运动变化中基本组成粒子量化的难易、精确度而定。例如,考夫曼将电子电量主观地定为“比较基”,在荷质比变化下才会有“质量就要随速度的增大而增大”的论断。爱因斯坦继承了这一论断,才会出现动质量概念。但是,我们别忘记了物理实验,现代物理学证明,电子在不同运动速度下其电量电场、磁量磁场的分布空间强度是有方位变化的,但我们没有看到运动电子质量场分布会有变化。

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我始终认为,荷质比变化所揭示的物理意义不在于质量变化概念本身,而在于质量所承载的惯性场大小的变化。(具体论述可参阅《物质自旋与力的形成》、《高斯定理的物理意义及其在场物理学中应用的得失》二文)。

以上4个十九世纪初出现的物理困惑问题都是关于速度的,而速度又是物理学中至关重要的物理参量,它的大小确定与参照系选择有直接关系;爱因斯坦相对论的本质就是建立在相对性速度合成理论上的,因此,他提出的二条公设也都是关于速度(合成)问题的。

参照系选择与速度合成问题是狭义相对论建立与讨论的起点,也是重点;爱因斯坦通过光速不变假设,将洛伦兹变换纳入了他的速度合成体系,但纵观相对论就会发现,爱因斯坦所建立的速度合成体系是混乱的,他由此推出的所谓空间收缩,时间变慢等都是这一混乱体系造成的;他的理论不是对物质运动物理机制的描述,而是在运用数学推理来编制物质运动规律。

在此,请研究、挑战相对论的朋友们注意思考速度合成与参照系选择问题,特别要搞明白伽利略变换与洛伦兹变换的本质区别。

洛伦兹变换出现的起因是,19世纪后期建立了麦克斯韦方程组,标志着经典电动力学取得了巨大成功。然而麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下并不是协变的。

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由麦克斯韦方程组可以得到电磁波的波动方程,由波动方程解出真空中的光速是一个常数。按照经典力学的时空观,这个结论应当只在某个特定的惯性参照系中成立,这个参照系就是以太。其它参照系中测量到的光速是以太中光速与观察者所在参照系相对以太参照系的速度的矢量叠加。然而1887年的迈克耳孙-莫雷实验测量不到地球相对于以太参照系的运动速度。1904年,洛伦兹提出了洛伦兹变换用于解释迈克耳孙-莫雷实验的结果。根据他的设想,观察者相对于以太以一定速度运动时,以太(即空间介质)长度在运动方向上发生收缩,抵消了不同方向上的光速差异,这样就解释了迈克耳孙-莫雷实验的零结果。

可见,洛伦兹的速度合成律是为了解决迈克耳孙-莫雷实验零结果问题而提出的一种数学游戏,但爱因斯坦却信以为真。

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洛伦兹变换是观测者在不同惯性参照系之间对物理量进行测量时所进行的转换关系,它强调的是以a参照系为标准衡量b参照系会有什么变换,再以b参照系为标准衡量a参照系又会怎样变换,然后组成一个变换方程组,它实质上是用二个标准来衡量一种运动。

伽利略变换则不同,它是用a参照系为标准来衡量b参照系的变化,从而将b参照系转换成a参照系,他实质是在遵循一个标准来衡量一种运动。

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我们常认为,爱因斯坦瓦解了牛顿时空观;但我们或许没有思考过,牛顿时空观、伽利略变换与爱因斯坦时空观、洛伦兹变换出现不同的根本原因是在于参照系选择与运用不同所引起的速度合成律不同而出现的差异结论。

我认为,不是爱因斯坦瓦解了牛顿时空观,而是爱因斯坦选择了另一套参照系转换标准而创立了不同于伽利略速度合成律的方法论罢了。

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2、狭义相对论的物理意义和科学价值

充分理解一个理论建立公设原理的内涵与外延,才能看清这个理论的物理意义和科学价值。

对狭义相对论而已,它建立的公设原理只有二个,即相对性原理和光速不变。

2.1、相对性原理

所有惯性系都是平权的,在它们之中所有的物理规律都一样。即物理定律在所有惯性系中都是相同的,即所有的关系参照系都是等价的。按照爱因斯坦这一假设可知,描述物理现象的物理定律对所有惯性参照系都应去相同的数学形式。变量在哪一个惯性系中作实验,都不能确定该惯性系的绝对运动。这就是说,对运动的描述只有相对的意义,绝对静止的参照系是不存在的。

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相对性原理应用最多的不是在物理定律的数学公式探讨上,而是在速度合成问题讨论上,虽光速不变原理可以否定伽利略速度合成律而符合洛伦兹速度合成律,但洛伦兹速度合成律只是解决迈克耳孙-莫雷实验零结果问题的一种数学描述,它并不能反应光子运动速度的真实性。整个相对论的起点与重点都是在运用相对性原理讨论坐标系变换与速度合成问题,而对物体运动形成的物理机制问题则关注较少,这是爱因斯坦相对论与其他物理学之间的最大不同,应该引起学习者们关注!

2.2、光速不变

在所有的惯性系中测量到的真空光速都是一样的。即在真空中,光速总是等于恒定值,它不依赖于惯性系之间的运动,也与光源、观察者的运动无关。

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这里要注意领会“惯性系中测量”与“真空”问题。

惯性系有多种,如静止系、匀速系、旋转系、匀变加速系、非匀变加速系等,爱因斯坦所说的“所有”惯性系,从他对光在惯性系中的分析上来看,并不包括旋转系和非匀变加速惯性系。对他所说“惯性系中测量”,首先要明白,作为测量仪器是否在惯性系中?如果在惯性系中,那么它就要同惯性系一样运动,就不存在伽利略所总结的速度合成律。如果测量仪器不随惯性系运动,那么,他所说的“在所有的惯性系中测量到的真空光速都是一样的”阐述就有问题。

真空,指没有任何物质存在的空间,包括场,这就是说光子运动是一种绝对自由的运动。如果这个真空里包含了场,那么光子运动速度会不会不变呢?例如,二个光栅窄缝空间可以看做是真空,但光子通过它时就会产生衍射现象,这说明光子在这个有场的空间会发生速度变化,这就不能再说光速不变了,季灏老师在这方面就作了重要实验与发现。

可见,爱因斯坦光速不变原理是没有考虑空间场对光子运动的影响,即将光子看作是一个经典的自由运动粒子,但实际上光子不但有自旋且还有自旋磁矩存在,这就不同于经典粒子了。

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任何光速测量方法都离不开光源这一基本参照点,而光源发出光子时的光子运动速度却取决于光源体发出光子时对光子提供的能量大小有关,而与光源、观察者是否运动是无关的。

这里我可以举个例子:如图,一个人站在一个以速度v0运动的滑板上,左、右手均持一把手枪,当他同时扣动扳机时,左、右边飞出的子弹运动速度v只取决于枪提供的能量多少,而与人及滑板运动速度v0无关。这说明,惯性系中发射体所发射的物质运动速度与惯性系状态无关。

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再如,一个由匀速运动列车中部光源所发出的光,它到车头与车尾的传播速度是一样的,因为我们测量光速时必须选择光源作为基点,光从光源发出的瞬时速度是由光源提供发射光子的能量大小所决定,这就与列车运动速度无关了。因此说,在任何惯性系中,光向任何方向的传播速度都是一样的,当然,这个惯性空间不存在对光子有额外的场作用才可以。

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我认为,这就是爱因斯坦光速不变原理所揭示的真正物理意义所在,它严格遵守能量、动量守恒原理。

我对相对论一直有一种粗浅的看法:爱因斯坦相对论比牛顿力学更进一步的地方主要表现在对惯性系的认识与推广上;牛顿力学是建立在完全符合惯性定律基础之上的惯性系统中的,爱因斯坦突破了这种认识,将牛顿的静止或匀速惯性系推广到含有加速度的非惯性系中去。

爱因斯坦所描述的非惯性系统主要是指线加速度系统,其中并不包括旋转惯性系统(这一点,美国学者王令隽教授看得很透彻!),而旋转惯性系也是一种非惯性系,而且这种惯性系在宏观太阳系的行星运动和微观原子系的电子运动中是最普遍存在的惯性系。

那么,我们是不是有理由提出这样的问题:爱因斯坦相对论是不是缺失了对旋转惯性系统中物体运动情况的论述?如果是,那么我们在讨论相对论问题时是不是应该考虑一下:在旋转惯性系下对物体运动的描述与现在的描述有什么不同呢?

......,......,......

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爱因斯坦相对论的真正科学价值是它首先他拓展了不同惯性系下牛顿力学的应用范围,发现了牛顿惯性质量是一个与引力场和自己运动速度变化有关的量,同时指出了伽利略速度合成律的局限性(当然,他的速度合成法存在混乱),还指出了微观世界惯性质量变化与能量(主要指动能)变化是一致的(但不是物质组成摩尔数与能量守恒,而是指惯性质量是一种与引力场效应有关的量,这样才会有质能守恒存在,即质速变化存在一一对应关系)。狭义相对论不但还继承了普朗克的量子思想,而且还有许多发扬光大之处值得借鉴。

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