在学习相对论的过程中.doc

07 -电联-朱武林 在学习相对论的过程中，我首先认识到的是曾今使“全世界只有十二个人能够看懂”的物理学理论的确是有其原因的。因为人们之前大多数研究的自然科学或者社会科学，都是在实际中存在眼睛能够看到，耳朵能够听到，或者能够感觉到的我们认为真实的现象。比如牛顿的经典物理力学理论，在现实生活中，的确得到了广泛的认可，并且将理论运用到实践当中，从而推动人类的进步和世界的发展。而相对论所研究的是我们正常人或者普通人不能感知而且无法验证的，而且有些理论在不了解其中的科学道理的背景下，可能被误认为是谬论和无稽之谈。这使得相对论的推广面临着极为困难的形势，而且，在爱因斯坦提出了他的相对论后，首先认同他的并不是物理学家，而是数学家。相对论被广泛接受的过程是曲折的，自然是因为这套理论所包涵的道理非常容易引发人们的反对和攻击，所以，相对论除了本身的价值之外，另外一些容易引发争议的理论推测以及一些让人回味无穷的理论应用于实践中所反应出来的事实，也是相对论带给我们普通科学爱好者的珍贵的宝物。相对论诞生后，曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题-双生子佯谬。一对双生子A和B，A在地球上，B乘火箭去做星际旅行，经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言，二人经历的时间不同，重逢时B将比A年轻。许多人有疑问，认为A看B在运动，B看A也在运动，为什么不能是A比B年轻呢?由于地球可近似为惯性系，B要经历加速与减速过程，是变加速运动参考系，真正讨论起来非常复杂，因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论。如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了，只是要用到许多数学知识和公式。在此只是用语言来描述一种最简单的情形。不过只用语言无法更详细说明细节，有兴趣的请参考一些相对论书籍。我们的结论是，无论在那个参考系中，B都比A年轻。为使问题简化，只讨论这种情形，火箭经过极短时间加速到亚光速，飞行一段时间后，用极短时间掉头，又飞行一段时间，用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响。在地球参考系中很好讨论，火箭始终是动钟，重逢时B比A年轻。在火箭参考系内，地球在匀速过程中是动钟，时间进程比火箭内慢，但最关键的地方是火箭掉头的过程。在掉头过程中，地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周，到达火箭的前方很远的地方。这是一个超光速过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾，这种超光速并不能传递任何信息，不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程，火箭与地球就不能相遇，由于不同的参考系没有统一的时间，因此无法比较他们的年龄，只有在他们相遇时才可以比较。火箭掉头后，B不能直接接受A的信息，因为信息传递需要时间。B看到的实际过程是在掉头过程中，地球的时间进度猛地加快了。在B看来，A先是比B年轻，接着在掉头时迅速衰老，返航时，A又比自己衰老的慢了。重逢时，自己仍比A年轻。也就是说，相对论不存在逻辑上的矛盾。同样的，在物理学界，也存在对相对论的反对的声音。而且举出了某些反例来推翻相对论的两个基本假设，也就是说，如果把相对论的两个基本假设推翻，那么相对论这套建立在两个基本假设的理论体系就会瞬间倒塌！ 我们来体会一下。其中“光速不变原理”，笔者苦苦思索了几年，从高中开始接触相对论，到现在对相对论有比较系统的学习，都没有理性的想明白光速不变原理的真谛。只是借用一些学者的资料，来看看我们比较容易理解的这个原理的某些方面。有学者认为“时间”是人类为了掌握客观事实的运动规律而使用“钟表之类物体”的“运动”做为一种参造物。爱因斯坦之所以说速度只能达到光速的原因是因为他没有意识到我所说的这样一个事实。还有就是人类不可能找到比光还要快的东西。如果超过了光速我们人就看不到了。没有了参照物又怎样确定速度呢？他以原子的运动做为其他物体的参造物。原子的运动速度就是光速，所以无法得更快的速度。我们之所以不能看到或观测到“黑洞”内物质的运动是由于我们无法观测到他，因为他们的速度太快了。我们想得到一个超光速的物体很容易。我们做一个实验就可以了。在一个高速电机上安装一根很长的棍。我们可以通过计算得出棍的末端绕中心点一圈的距离。然后我们开动电机并用原子钟计录时间。我们用机械计数器记录电机的圈数。这样我们就可以计算出棍不端的速度了。之所谓“时间”就是物体运动的一个过程。 爱因斯坦的相对论，不能说是完全的错了，只是他把速度说了一个极限值，这样就不对了 就现在的技术条件限制，上面这个“超光速的物体”说法有致命的问题：1、这个速度的加速过程怎么实现：电机上的棍子得多长？依靠什么能量，需要多少能量来达到需要的转速？如何保证棍子在加速旋转中仍然保持平直，而不是弯的？我们拿一根长点的细竹子，挥起来的时候，竹子是会弯曲起来的。2、如果说可以忽略加速过程，那么就成了这么一种悖论：先假定了一个超光速的运动的例子，然后又用这个例子来证明存在超光速的运动。有学者认为“时间”是人类为了掌握客观事实的运动规律而使用“钟表之类物体”的“运动”做为一种参造物。爱因斯坦之所以说速度只能达到光速的原因是因为他没有意识到我所说的这样一个事实。还有就是人类不可能找到比光还要快的东西。如果超过了光速我们人就看不到了。没有了参照物又怎样确定速度呢？他以原子的运动做为其他物体的参造物。原子的运动速度就是光速，所以无法得更快的速度。我们之所以不能看到或观测到“黑洞”内物质的运动是由于我们无法观测到他，因为他们的速度太快了。我们想得到一个超光速的物体很容易。我们做一个实验就可以了。在一个高速电机上安装一根很长的棍。我们可以通过计算得出棍的末端绕中心点一圈的距离。然后我们开动电机并用原子钟计录时间。我们用机械计数器记录电机的圈数。这样我们就可以计算出棍不端的速度了。之所谓“时间”就是物体运动的一个过程。 爱因斯坦的相对论，不能说是完全的错了，只是他把速度说了一个极限值，这样就不对了 就现在的技术条件限制，上面这个“超光速的物体”说法有致命的问题：1、这个速度的加速过程怎么实现：电机上的棍子得多长？依靠什么能量，需要多少能量来达到需要的转速？如何保证棍子在加速旋转中仍然保持平直，而不是弯的？我们拿一根长点的细竹子，挥起来的时候，竹子是会弯曲起来的。2、如果说可以忽略加速过程，那么就成了这么一种悖论：先假定了一个超光速的运动的例子，然后又用这个例子来证明存在超光速的运动。关于超光速还有这么一个反例：在一个密闭空间里面，一个物体在以0.9光速运动。然而，这个空间在宇宙里也在向着同样方向以同样速度运动。那么，物体相当于宇宙，是1.8光速。下面有一个用声波来模仿光波的相对论的有关实验。我们先来考虑一个实验(声秒的单位是指在某种实验用声介质中声音走一秒的距离)如果一个钟，以0.5倍声速从原点远去，我们会听到什么现象呢？ 一秒钟时，它距离原点0.5声秒距离报1秒，但这个事件我们在原点听见，需要再过0.5秒，于是我们发现，在本地钟1.5秒时，远处的钟报1秒，本地钟3秒时，远离的钟报2秒，也就是我们在忽略测量时间时，误以为远去的钟慢了。而且速度越快，钟慢得越厉害。这个现象，是否有普遍意义呢？当声波的介质相对于测量者静止时，无论声源速度如何变化，声速不变(只改变音频)，这是著名的多普勒实验，其它所有机械波也有类似现象。而对于光速，相对论更是假设了对于任何参照系，光在真空中速度不变！因此，这个现象具有普遍意义，发生在以任何波作测量工具的时候。举例来说，运动的火车头发出的声音，相对地面还是声速(声速不变)，不是火车速度加声速，而相对火车速度是声速减火车速度(加利略变换)；而在超音速飞机内部从机尾向机头发出声音，相对飞机，还是声速(声速不变)，而相对地面，是飞机速度加声速(伽利略变换)。因此速度是相对的，相对论变换与伽利略变换并存，而不是排斥。推广到普遍的远离情况理想点以a倍光速远去，1秒钟远离a*C(光速)距离，在计时起位置要a秒传过来，到达a*C的事件将在a+1秒传到观察者，观察者认为速度为a*C/(1+a)，速度永远小于光速。a为1时看到以1/2C远离。当a远小于1时，a*C/(1+a)可近似为a*C，也就是实际速度，当a接近于无穷大时，a*C/(1+a)可近似为C，也就是远离速度远小于测量速度时，测量速度可忽略不记，测量结果约等于真实速度；当远离速度远大于测量速度，测量结果约等于测量速度，也就是测量不到超过测量速度的远离情况。再来看一下远离的尺假设有一把尺长1声秒，而我们的测量地面上有一无限长尺子固定不动，运动尺头尾各有一个探测装置，在探测到与地面某一尺刻度重合时，用声音报出该刻度，我们在地面尺原点接收声音。尺匀速运动逐渐远离，当尺尾报0声秒时，尺头已经距离我们1声秒，而这个距离，要1秒后我们才能收到；当尺尾到1声秒距离时，尺头到2声秒，还是要在我们收到尺尾报1声秒后1秒，我们才能收到尺头报2声秒，于是我们会直观的认为，尺尾先到刻度，尺头后到达它本应立刻到达的刻度，感觉好象远离的尺，缩短了。而且运动速度越快，感觉短的越厉害。看看超过声速会发生什么超过声速我们将追上钟以前发出的声音，也就是先听到钟敲3下，报3点，再听到钟敲2下，报2点，然后听到钟敲1下，报1点，这就是超过声速时间倒流现象！靠近情况无人会用爱因斯坦的方法，从物理原理上解释两参照系靠近时的相对论计算方法。下面我来解释一下应该怎样推导接近参照系的情况。理想点以0.5倍声速靠近，在距离2声秒时作为记时0点，我们听到2秒时，远处的钟报距离2声秒，2.5秒时听到钟报距离是1.5声秒，3秒时，钟报距离是1声秒，3.5秒时，钟报距离是0.5声秒，4秒，我们与运动的钟相遇，报距离0声秒。靠近的钟测量现象变快。普遍的规律是以a倍测量速度靠近的理想点，测量速度显示为a/(1-a)。当运动速度远小于测量速度，测量速度可忽略，测量结果约等于真实速度；当运动速度大于0.5倍测量速度，小于1倍测量速度，将测量到超过测量速度的运动现象；当运动速度等于测量速度，物体将和它的历史信号同时到达，我们将无法区分哪个是历史，哪个是现时，也就无法测量；当运动速度大于测量速度，我们将先收到现时信号，后收到历史信号，会感觉物体在向远方退去，这就是负号的含义，当速度无穷大，近似以测量速度远去。同理，靠近的尺测量结果也是越来越长。这才是钟慢尺缩现象的物理原理。都相对介质运动的情况当A物体以a倍测量速度离开介质原点，B物体以b倍测量速度离开介质原点，从B物体测量结果，A是以(a+b)/(1+a)速度运动的(如果不承认光传播需要介质，这个结果有待实验证实)。条件是b小于等于1，如果b=1，测量结果将不能追上测量者。分析几个关键点：b=0，相当于B静止A远离；a=0，相当于a独自运动，并测量；a远小于1，近似实际速度a+b，a趋于无穷大，接近测量速度；由于b小于1，所以a+b小于1+a，测量结果，永远小于测量速度。钟慢、尺缩、超光速时间倒流现象，都可以用声音试验做出结果，这只能证明爱因斯坦的结论有问题，他忽略了测量速度的问题，把现象当成了物理本质。照本文方法解释相对论，双生子悖论、子回出生前