驳相对论

楼主:农村牛人1 时间:2018-05-26 19:57:58 点击:48 回复:2
脱水 打赏 看楼主 设置

字体:

边距:

背景:

还原:

  驳相对论

  文题摘自上海科技教育出版社2014年
  狭义相对论的基本公设
  追光问题的思考
  根据爱因斯坦自己的回忆,他从16岁(1895年)起就开始思考这样一个问题:“如果我以光速追光波,将会看到什么?”这个问题困扰他10年之久。
  为什么这个问题难以解决呢?这是因为:如果认为观察者看到的是一个静止不前的电磁振荡,与直觉经验不符;而如果认为看到的是一个以一定速度行进的光,则违反了速度合成法则。
  追光问题答辩
  如果我们以光速追光波将会看到什么?要回答这个问题,前题条件是看光以什么形式的速度追什么形式速度的光波。但是经典力学中,关于速度的说法比较笼统,不能说明这个问题,为此,我们不得不将速度再细分一下,引入了三种速度,①实际速度②惯性速度、③相对速度。
  ①、实际速度:把某物体零速于始点后而发生的位移与发生这段位移间的时间比值,叫这个物体的实际速度。
  ②、惯性速度:某物体在惯性系中发生的位移与惯性系自身同时发生的位移反向之差或同向之和,分别跟位移中所用的时间比值,叫某物体的惯性速度。
  ③、相对速度:a、把两个物体同时通过位移反向之和或者相向之和或同向之差,分别跟位移中所用时间的比值,叫这两个物体间的相对速度,b把两个物体同时通过的位移,且位移构成角α的两个边、当0<α≤90°时,两位移之差或当90°<α<80°时,两位移之和乘以cosa/2 ,分别跟位移中所用时间的比值,叫这两个物质间的相对速度。
  通过引入的三种速度定义来看,光或光波的实际速度不变是一样的,而他们的惯性速度或相对速度可大或者可小于实际速度,我们再回到问题中,从原问题中分析中得出,要用光的实际速度追光波,但是问题出来了,未说明光波的速度以实际速度出现,还是惯性速度出现,如果光波以实际速度出现,我们将看到光追不上光波,因为光和光波的实际速度一样,它们之间的距离不变,此时,观察者以追光为静止不前的参考系,那么他必须看到一个静止不前的光波,这与直觉经验是相符的,如果光波以惯性速度出现,当光波的惯性速度大于实际速度时,光追不上光波。如果光波的惯性速度小于实际速度,光追上光波。此时观察者以光波为参考系。那么他必然看到一个以一定速度行进的追光,对于光波的实际速度和运动惯性系速度的合成、和在相对速度中的合成是符合经典力学的。
  伽利略相对性原理
  在经典力学中,牛顿运动定律是力学规律的基础,如果牛顿运动定律在某个参考系中成立,这个参考系就叫做惯性系。相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。
  在不同的惯性系中,力学规律都是相同的。如果我们在不同的惯性系中侧物体自由下落的时间,测一个单摆的周期,研究平抛运动的规律,或研究牛顿第二定律的实验,我们会发现,所有实验现象和实验结论,都不会因惯性系的不同而有所不同,也就是说,各个惯性系都是等价的。这个观点叫做伽利略相对性原理。
  但是,如果将伽利略相对性原理推广到与光速有关的情况时,就要产生不可解决的矛盾了。
  请讨论:
  假设有一艘宇宙飞船,它的速度高达7.5×104KM/S(光速的4分之一)。你的同学带着一个激光电筒在飞船中,你带一个激光电筒站在地面上。
  1.当飞船向你飞来时,你向飞船发出一束激光,你的同学在飞船中测得的激光速度是多大?
  2.当飞船远离你而去时,你向飞船发出一束激光,你的同学在飞船中测得的激光速度是多大?
  3.当飞船向你飞来时,同学向你发出一束激光,你测得的激光速度是多大?
  根据伽利略相对性原理可算出,第1个问题的答案是3.75×105KM/S,第2个是2.25×105KM/S,第3个是3.75×105KM/S。但这些答案都是错误的,因为大量的事实证明,光的传播速度跟光源的运动情况无关,光在任何惯性系中传播的速度都是不变的。
  你是不是觉得有点不可思议?伽利略相对性原理为什么不适用于高速运动呢?
  伽利略相对性原理答辩
  我认为这种结论是错误的,大船这个惯性系里的现象,只是地球惯性系上的部分吻合,为了说明这个问题,我们先分析地球上的力学规律,在地球表面上,也就是地球惯性系的外面,决定力学规律的力的地球本身的吸引力,我们来看事例:①、一个人在北极,一个人站在南极,且他两的最短连接线通过地心,两人同时各抛一铁球,使其呈自由落体运动,两个球的运动方向是相对的,且在一条直线上,事实上,在地球表面上任何两个点,做同样实验,两铁球的运动方向归为两种现象,一种是一条线,另一种是两条线,一条线是两个铁球的运动方向是相对的且在一条直线上,两条线是指两铁球的运动方向不相对,两条方向线相交。我们再来看事例②在平时,人们不动时,感觉不到由于地球高速运动而产生的风阻,这是因为地球本身的引力,在地球的外围形成相对稳定的大气,大气相对地球是静止的。我们再来分析比对大船上的力学规律,在船表面上,决定力学规律的是地球的吸引力,就事例①中的人,不论船表上任何地方,做同样的实验,都不会出现一条线现象,就事例(2)中的人,站在船表上,当船高速运动时,会感到风阻,这是因为决定力学规律的力还是地球的吸引力,运动的船在它的外围不能形成相对稳定的大气;在大船甲板下的主舱内,决定力学规律的力还是地球的吸引力,,因此大船内外的规律应是一样的,但是事例②在主舱内的现象和地面上的实验一样,与船外不一样,原因是大船的构造,使船舱内形成了相对封闭的环境,封闭的条件形成了相对稳定的大气,如果说没有封闭的条件,大船内外是一样的,我们再来看,如果把大船置于太空,大船内外的现象和地面上大船内外的显象都不一样,因以上事例,我认为力学规律在任何惯性系中都是等价的,是一个谬论,正确的说法应该是,决定力学规律条件相同的一切惯性系中,它们之间相比的力学规律是等价的,你看,只有水平行使的车船和低空水平飞行的飞机等之类的惯性系中,它们里面的物体同地面上某点物体受到的吸引力几乎是一样的,它们之间的力学规律是等价的,显然地球下能和它们相提并论,但是经典力学还用其原理,原因是人们平常观测到的力学现象,仅仅只是地球表面上很小的一部分,一个点而已,而地面上一切运行的惯性系中包括低空飞行的飞机,它们里面的物体同地面上物体受到的引力几乎是一样的,出于这种等同性,人们误认为他是正确的,因此我认为将修正后的相对性原理推广到与光速有关的情况时,没有矛盾。
  第一二个问题得出的答案是光的相对速度。
  第三个问题得出的答案是光的惯性速度。
  我认为这些答案是正确的,光在这几个问题中,光的实际速度也未改变,我们来验证一下,你看就第一个问题,如果你测你发出的激光的速度,答案肯定是3×105KM/S,此时光源是静止不动的,就第三个问题,如果你同学测他发出的激光速度,答案肯定是3×105KM/S,此时你看到的光源的运动的,通过验证,光的实际速度是不变的,符合事实。要谈伽利略的相对原理适用不适用高速运动,我们来分析伽利略论述,论述指出了相对地面静止或作匀速直线运动的船舱里,进行的力学实验,结果跟地面的力学实验结果是一样的,而不是让人站在地面上观测船舱里的实验结果和船舱里的实验结果对比,即就是,就出现了三种现象:①当船相对地面静止时,观测对比的现象是一样的,②当船相对于地面做匀速直线运动时,船舱里观测者认为某物未运动,速度是零,站在地面的观测者认为某物是运动的,因为船是运动的,某物体的速度不为零,③当船相对地面以某速运动时,站在地面上的观测者看到,船里的某物相对自身未动,而船在动,船里的观测者则认为船未动,某物以某速在运动,你看爱因斯坦误将后一错误对比方法②视为相对性原理,这样一来,爱因斯坦再用伽利略的原理概括自己误解的原理,很明显不适用,因此爱因斯坦错误的说伽利略的相对性原理不适用高速运动,如果按照爱因斯坦误解的原理,伽利略的相对性原理也不适用于低速运动。
  两条基本公设
  光速不变是一个重要的事实。
  爱因斯坦以他独特的思考方式,把人们看来互相矛盾的相对性原理和光速不变原理作为他的狭义相对论的基本公设:
  1.在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。这个公设通常叫做爱因斯坦相对性原理。
  2.在一切惯性系中,光在真空中传播的速度都等于c,跟光源的运动无关。
  从绝对时空观的角度看,这两条基本假设是矛盾的。所以必须抛弃经典的绝对时间、绝对空间的观念,才能使二者融洽。
  爱因斯坦是怎样解决这个矛盾的呢?他说:“我的解决办法是,分析时间这个概念,时间不能绝对定义,时间与速度之间有不可分割的联系。使用这个概念,我第一次完满地解决了整个困难。”接着,爱因斯坦用五个星期完成了他的狭义相对论。狭义相对论的出现,使得人们的时空观发生了重大的变革。
  爱因斯坦的两条基本公设只涉及无加速运动的惯性系,由此建立的相对论通常叫做狭义相对论。
  两条基本公设答辩
  第一个、既然第一个公设的基本条件源于伽利略的相对性原理,又因为伽利略相对性原理的结论是错误的,那么爱因斯坦的这个公设必然也是错误的,正确的应该是,在不同惯性参考中,只要决定物体的物理规律条件相同,他们之间对比物体的物理规律是相同的。
  第二个、这是一个有毛病的公设,没有注明光的什么速度都等于C,正确的说法是;在一切惯性系中,光在真空中传播的实际速度都等于C,跟光源运动无关,我们现在屏蔽掉爱因斯坦曲解的相对性原理,用伽利略的相对性原理应用于光的实际速度不变,用于这些事例中并不矛盾,正确的两条公设也无矛盾,所以绝对的时间、绝对的空间也适用于高速。
  爱因斯坦的时空观
  同时的相对性
  我们已初步讨论过同时性的概念。为了得到明确的结论,爱因斯坦设想有一列开得很快的火车,在它的一节车厢的正中间有一个观察者A和一台闪光器,车头和车尾各有一台光的接收器P 和Q,在站台上有另一个观察者B,如上图6-6所示。

  火车驶过站台,在A和B相遇的瞬间,闪光器发出一次闪光,这个闪光会被车头和车尾上的两个接收器P、Q所接收。这两个接收器是同时收到闪光信号的吗?车上的观察者A和站台上的观察者B的结论是一致吗?
  观察者A认为,闪光信号以光速相对于他(即火车)进行传播,P、Q两个接收器与闪光器的距离相同,闪光信号到达P、Q的时间是相同的,即两个接收器同时收到闪光信号。
  观察者B认为,根据光速不变原理,闪光信号也以光速相对于他进行传播,但P在向前运动,当闪光信号到达P时,P已前进了一段距离,故闪光信号走过的距离长;相反,闪光信号从闪光器到达Q所走过的距离短.因此,闪光信号应先抵达Q,后抵达P,即两个接收器不是同时收到信号。
  这种不同时性,确实令人惊讶。人们原以为,地面上的人,甚至其他星球上的“人”都会有相同的“同一瞬间”,因为宇宙中存在着牛顿式的普适时间。现在从爱因斯坦的狭义相对论来看,这是错误的,不存在全宇宙普适的同时性概念。
  同时的相对性答辩
  观察者B没有遵循伽利略的原理来说事,光速相对于观察者A来说是实际速度,因为观察者A和光源处在同一惯性中,而观察者B相对光速是在运动的惯性系中光速,是光的惯性速度,而观察者B还要强调自己相对的光速和观察者A相对的光速一样,这显然错误的,如果观察者B相对于自己的光速,按照光的惯性速度这一正确的思路来看待问题,那么其结果和观察者A的认为是一样的。从以上是非中得出,宇宙中存在着普适时间。
  时空的相对性
  上面的实验说明,时间是不能绝对定义的,它与物体的运动速度有关。那么,时间、空间与物体运动的速度有怎样的关系呢?

  如图6-7所示,有A、B两个参考系,每个参考系中各有一只钟和一位观察者。设参考系A不动,参考系B以速度向右运动。
  假如有一个事件P发生,它在两参考系中的坐标如图所示,按伽利略相对性原理,因时间、空间与物质运动无关,其变换公式为


  前面已经知道,按这两个公式导出的速度关系,不符合光速不变的原理。为此,爱因斯坦认为,时间、空间与物质运动是有关的。
  他根据光速不变原理和时空的性质,导出了如下关系式

  上式中,x和t为P在A参考系中的位置和时间;而x´和t´为P在B参考中的位置和时间;为B参考相对A参考系的速度,c为光速。显然,当« c时,(3)、(4)两式近似于(1)(2)两式。
  (3)(4)两式揭示了时间、空间与物质运动存在着内在的不可分割的联系。
  时空的相对性答辩
  这里的推论基础源于上面同时相对性实验,而这个实验的结论是错误的,用一个错误的结论导出另一个正确的结论,那么这个结论一定是一个错误的结论,再说错导出公式不敢代入光速,代入光速分母为零,那么正确的是时间、空间与物质运动无关。
  两个奇特的效应
  由(3)(4)两式,我们可以得出狭义相对论的两个重要结论:长度收缩效应和时间延缓效应。
  长度收缩效应
  长度的测量在经典物理学中是与参考系无关的。在某一个参考中测量棒的长度,就是测量它的两个端点在同一时刻的位置之间的距离。根据爱因斯坦的观点,既然同时是相对的,那么长度的测量也是相对的。例如你的同学在飞船上测量飞船窗口的长度L´和高度h´,而你在地面上也测量飞船窗口的长度L和高度h(图6-8),你们测得飞船窗口的高度会相同(h´= h ),但你测得的窗口长度L却比飞船上同学测量的L´要短一些。这种缩短的现象不只发生在窗口,飞船上的物体沿飞行方向的长度,在地面上测量的值都比在飞船上测量的值要小。这种情况被叫做长度收缩效应(length contraction),或尺缩效应。这个效应显示了空间的相对性。图6-9是发生尺缩效应时,长度与速度的关系。
  应当指出,尺缩效应也是一种相对效应。静止参考系中沿运动方向放置的棒,在动运的参考系中测量,其长度也要收缩。


  长度收缩效应答辩
  我认为这是移动引起视觉上的假象,与实际中长度收缩与否无关,你看,假如你站在一列火车后,看枕木间的距离,当火车行驶时,它们之间的间距变小,当火车继续提速时,枕木之间变的模糊不清,枕木几乎靠在一体,事实上,铁轨经许多轮子的碾压发热,枕木间的间距变大了,我们再来看一个事例,一个两叶吊扇,当这高速运转后,扇叶视为一体,那么它在运动方向上一旦收缩,吊扇就解体了,通过以上两事例,我认为静止参考系中沿运动方向放置的棒,在运动参考系中测量,其长度也要收缩,是错误的。
  时间的延缓效应
  一般地说,在一个相对于我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程,在我们看来,它所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长。惯性系的速度越大,我们观察到的过程所经历的时间越长。对于化学反应、生命过程等,这一结论也是正确的。这就是时间延缓效应(time dilation),又叫做钟慢效应。
  钟慢效应也是相对的,飞船上的观察者也认为地面上的时间进程比飞船上要慢一些,因为对于飞船上的观察者来说,地面正以同样的速度朝相反的方向运动着。
  时间延缓效应的实验验证
  通过观察高速运动的微观粒子,时间的相对性反复地得到了证实。例如,宇宙射线中有一种粒子叫µ子,它的寿命只有2.2µs,就是说,如果你观察一个相对于你静止的µ子,你只能观察2.2µs,之后它就发生了衰变。在高能物理实验室中,µ子可以加速到0.9966c,由公式计算出它的平均寿命为26.7µs,实验值也为约26.4µs,实验值也为约26.4µs。因此,实验完全证实了时间延缓公式。
  1971年,哈夫勒(J.C.Hafele)和基延(R.E.Keating)用喷气式飞机携带银原子钟进行环球飞行实验,证实了时钟延缓效应(图6-10)。
  时间延缓效应答辩
  我认为这种现象只是不同事物在不同条件下变化快慢而已,与普适时间无关。
  我们先来看1934年费米等人的实验,费米认为,慢中子与快中子相比较,它经过原子核附近时滞留的时间较长,因而被原子核俘获的机会要多一些,从这一现象来看,慢中子相对快中子存在的时间短,但这一结论与时间延缓无关。
  我们再来看两个运动快有利于自身变化的事例
  1、同样两块冰,在高温条件下,我们看到静止时的冰块存在的时间比运动快的慢。
  2、我们划火柴,慢慢划不易着火,快速划易着火,也就是说火柴梗运动快易变化。
  我们再来看,1971年哈夫勒和基延的实验,我认为这是地球引力和喷气式飞机中弱引力引起的正常物理变化,只是时钟变慢而已,与决对时间无冲突。如果说时间延缓正确,同理由,飞机上的人,也可认为地球是高速运动的,飞机未动,地球上的时钟应该是11:18,事实上,地球上的时钟仍为11:20,还比飞机上的人观察的时间长2分钟,时间延缓效应与这一事实不符,这一矛盾也正好是时间延缓效应错误说法的反击。
  爱因斯坦的质速公式
  1901年,德国物理学家考夫曼(W.Kaufman)在实验中发现电子的质量会随速度增大而增加。如果以m0表示电子的静止质量,m表示运动电子的质量,c表示光速,根据考夫曼的测量结果,可得到图6-11所示的曲线。他的这一工作,首次证实了电子质量随速度的改变而改变。考夫曼的实验结果与后来爱因斯坦推导出来的表述质量的公式完全一致


  上述说明,物体质量随速度的增大而增加。在高能物理学实验室中,质量随速度增大而增加是司空见惯的事。例如一个亚原子粒子可以加速到0.99c的速度,非常接近光速,相对论预言它的质量要比静止质量大几千倍,实验观察结果与预言的情况符合得十分好。
  爱因斯坦的质速公式答辩
  我认为考夫曼的实验结论是错误的,如果说正确,当时这一重大发现,考夫曼和其他物理学家为什么没有对经典力学中,惯性大小的判定,动量定理等提出缺点并加以修正,这是原因之一,原因之二,根据密度公式,ρ=M/V,如果说V不变的情况下,m的速度加大,m的质量值随着增大,ρ将会怎样,实验又没有说明,原因三,我们再来看质速公式,爱因斯坦用一个错误的理论为依据,也导出一个错误的公式,你看,当速度V达到C时,M动=M静/0这与分母不能为零相违背。
  质能关系
  物体速度增大了,它的质量增加。按照动能定理,质量的增加就意味着能量的增加。
  爱因斯坦对质量与能量的关系进行了深入研究,得出了如下关系式
  E=mc2
  上述表示,任何质量m都对应着一定的能量mc2。此式通常叫做爱因斯坦的质能关系公式。
  质能关系答辩
  质能公式建立在物体质量伴随自身速度增大而增大,这一错误的论据之上,它认定是一个错误的公式,如果说正确,我们来验证,当粒子的速度达到光速时,它居有的动能E,E=1/2MC2 ,而相对论的理论认为粒子加速到超过0.99C速度时,它的质量要比静止质量大几千倍,我们不说大几千倍,大200倍就行了,那么粒子的动能此时为E=100MC2,而质能公式为E=mc2,那么是爱因斯坦的理论错了,还是他的公式错了,再来看,质能公式为什么是动能的2倍,那也就是说粒子的速度为光速时,高速m的动能是低速m动能的2倍,这又与相对论理论不符。
  从以上事实来看,质能关系不能自圆其说。
  广义相对论
  爱因斯坦根据他所设计的理想实验推断:在一个具有均匀加速度的参考系中做物理实验,观察到的结果跟在引力场中的实验结果是没有区别的。爱因斯坦把这个推断表述为一条与侠义相对论相似的基本原理:
  每一个做加速运动的观察者者都体验到同样的自然规律。换句话说,在任何一个封闭的房间里做的实验都不能告诉你,你是在没有重力的环境中做加速运动,还是在有重力的情况下处于静止状态。
  这叫作广义相对性原理。
  广义相对论答辩
  对待这个问题,我们先看决定二者力学规律的条件是否相同,它们之间的条件明显不同,也就是不符合修改后的原理,那么我可以断定它是一个错误的推断。
  我举一例,在太空中,当参考系以任意加速运动时,在此系中,某物体呈自由落体运动的方向和参考系运动的方向相反,但是在引力场中,不管参考系如何运动,自由落体运动的方向只和引力方向一致,与参考系运动的方向无关。我们再来分析事例:你看,做加速运动的参考系,它单一运动的方向决定自由落体单一的运动方向,而在引力场中,参考系在任何方向上运动,都不能决定落体的运动方向,而是吸引力,一个单一方向能决定落体运动方向,和一个万向都不能决定落体运动方向的两个事件;显然是不同的。
  我们再来看,如果说要想这两个参考系中有相同的体验,首先考虑加速运动参考系的加速度要和引力场中、物体的重力加速度一样,但是文中连最起码的前题条件都未提及,即使是加速度相同,那也是豹身一斑与豹的关系。由以上理论和事例证明,爱因斯坦的推断是错误的,而广义相对性原理基于他的错误推断,那么它一定是一个错误的原理。

打赏

0 点赞

主帖获得的天涯分:0
举报 | | 楼主 | 埋红包
楼主发言:1次 发图:0张 | 添加到话题 |
发表回复

请遵守天涯社区公约言论规则,不得违反国家法律法规