统一波理论.doc

统一波理论-关于波速与波源产生者运动的关系中南民族大学电子信息工程学院2010级五班 陈福林阐述的内容是关于光速(c)与光源的运动状态有什麽关系的问题。首先有必要讲为什么要阐述这个问题。按牛顿力学的相对性原理和伽利略变换原则运动具有两个性质：独立性和叠加性。按这两个经典理论自然得出这样结论：一个理想化为绝对静止的参考系O和相对于O以匀速u向右运动的参考系Q如图所示,且Q上有一光源，当Q与O重合一瞬间光源产生一个波长的光（理想化），则该光速为c+u向右运动u OQxx xc + uyyxP。 但事实上并不是这样，由迈克耳孙莫雷实验证实光速不因波源的运动状态而改变，这就很使人困惑了，似乎光及麦克斯韦的电磁场理论不服从牛顿力学的相对性。这一现象自然引起轩然大波。为解释这一现象许多物理学家纷纷提出自己的观点，其中爱因斯坦提出狭义相对论，他的理论基础是两个假设：相对性假设（现在叫原理）：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表述形式，即所有的惯性参考系对运动的描述都是等效的。光速不变假设（现在叫原理）：真空中的光速是常量，它光源或观测者的运动状态无关，即不依赖于惯性系的选择。他的理论似乎能解释这一现象，由两个假设也必然推导出时间和空间变化。但真的是这样吗？这里先不做评价。为了引出我的观点，我们先讨论其他形式的波。自然界存在许多形式的波，比方说电磁波、水波、声波等。并且归纳出许多波的一般特性，如波的反射、折射、干涉和衍射。即使是归纳出的，但以被实验证实。由此可看出波的运动特性具有一般性。因为声波波速是固定的，因而推测水波波速也是固定的。我的实验结果证实是的。因而波速运动特性具有一般性可信程度又深了一步。同时发现蜻蜓点水所产生的波速并没有因为蜻蜓飞行的速度而变化，投石激起的涟漪扩散的速度没有因为石头飞行的速度而变化，舰艇飞快行驶的前方甚至没有波浪。这些现象挺奇怪的。为什么水波的波速竟与波源的产生者的运动状态无关呢？其实这一点也不奇怪。这样我们先做这样的规定：波源是由波源的产生者与介质激发时的一点（水波以及看不见的声波、光波的中心即可视为波源，此时已激发），波源与介质作用过程视为激发过程。这样一来上面的现象就好解释了，以水波为例：假设波源以速度u运动到某一点时与传播媒介的介质作用即激发时，波源将能量传递给水，此时水中的波源通过连带作用将能量以介质运动的形式即波的形式将能量扩散开，众所周知，水原子并不扩散开，而只是上下摆动。波源激发后波源的产生者仍以u运动，但波源仍在原处并不会产生速度叠加，因而波速不受它的影响。这是显而易见的。下面我将对波速与波源产生者运动之间的关系进行数学解释，首先提出两个与爱因斯坦的两个在本质上不同而形式相识的两个假设，同时也要借鉴伽利略变换式和洛伦兹变换式。假设1：物理定律在匀速运动条件下的参考系中的表现形式相同；假设2：在一定条件下波速由传播媒介的介质决定，而与波源的产生者无关。 设参考系O(以下均用O表示)静止（理想化）而参考系Q(以下均用Q表示)相对O以匀速u向右运动。当Q以速度u通过且重合于O的一瞬间光源产生者激发产生一个波长的波，波速为v，方向向左。Q相对O运动t时间后，波在P点处相对于O和Q的时空坐标分别为（x , y , z , t）和（x , y , z, t），如图。O和Q具有如下变换式：z zu OQyyx xpv O Q的变换： Q O的变换： x=k(x-ut)y,=yz=zt=tx=k(x+ut)y=yz=zt=t 如果假设1、假设2成立，则同一物理过程在不同的参考系之间转换应该是平权，即它们之间的转换是线性关系，就有k=1。证明：因为y=y=0,z=z=0又因为x=vt x=vt-ut 将相乘得xx=k2(x+ut)(x-ut) 将代入得v(v-u)tt=k2v(v-u)tt 于是得到k=1（k=-1舍去） 证毕当然在水波这一个特例的基础上得出波都具有假设2这样一般性结论是很难说明问题的，以个性推断共性是没有客观和逻辑依据的，或然性太大。但这不足以阻碍我们以此去考察其他波是否也具有这样一个特点，因为归纳方法本身是不能自证却具有指导意义。下面我们首先假设这以结论成立，并将其演绎到声波领域。我们用这一结论来解释在声波领域普遍的且具有典型意义的两个现象：第一个是早期飞机达到音速时飞机就会变得很不稳定，为什么呢？因为声波的波速不会因为飞机高速飞行而发生速度叠加，当飞机速度等于或超过音速时，声波与飞机共存一处，声波的能量无法有效的释放，使得飞机剧烈颤抖；第二个是当鸣笛的汽车向你飞速驶来时，笛声会很高亢；反之，飞速驶去时，笛声会很低沉。为什么呢？于是你就会想到多普勒效应。在教材上你会看到一个奇怪的解释。上面的例子是观察者是以速度u迎着波的传播方向运动，而说车速相对于光速而言太小，相对论效应也很小，因而忽略了车速。它的公式是v+uf=-L公式中f为频率，v为波速，L为波长这就很奇怪了怎么会与车速无关呢？其实这里有一个秘密,就是无法用人静止的角度去解释。如果按照相对论来解释那势必会导致车速丢失（为了不过早的将光速扯上关系，导致有武断的嫌疑，这里暂不说明为什么）。如果按照经典运动观点的话就会有这样的解释：假设车速是u而人是静止的，波速是v,由运动的叠加原理此时该波速是v+u,而这种结论是不符合事实，因为音速是不变的仍是v.得出结果与相对论产生的原因同样令人困惑。现在依据前面的结论我们做如下解释：z zu OQyyx xpv 假设取大地为静止的参考系O,以匀速运动的车为参考系Q速度为u方向向右，如图。当Q通过且重合的一瞬间鸣笛(即激发，喇叭振动一次)并产生一个波长L的（简单化的）波周期为T并记波峰（空气比较稠密处）为P，且波速为v（vu）,Q行驶一段时间t（tT,于是频率为 1 1f=-f=- T T 证毕由此可见这个结论可以从人静止的角度解释多普勒效应，不单可以解释从车静止的角度，而且可以从相向运动的角度情况解释。证明从略。电磁波和水波也有多普勒效应。因而做出如下归纳。假设3：波都具有多普勒效应假设2不单可以解释水波而且可以解释声波。因此我们可以得出这样的结论：水波和声波的运动形式服从假设2.这样一来假设2的一般性又深刻了一步。我们知道光波、声波和水波等具有很多相似的运动特性，比如反射、折射(声波由空气传播到水中，两介质不同必然有折射)、干涉、衍射和多普勒效应等特性都有极其相同的平行关系。其实波运动形式的本质都是通过介质单位回复性的运动将能量传递给下一个介质单位，如此反复以至无穷。看到这里有人会说我的意思是光（也就是电磁波）也是由介质传播的。我肯定地说，是的。我们没有理由因为“光速问题”这个没被人弄清楚的个性，去否定那麽多个性都反映出光有介质，而取其次有一个个性“不符”，就否定光有介质。正是因为这样，有很多的人怀疑相对论，这该是其中原因之一吧。说它难懂，怕只是那些看到数学公式就怯了场，而没有认真地去理解它。其实它的一切数学推导都是建立在它的两个假设上的。它的核心思想可以用一个简单的例子来解释，即上面的例子。我们可以将车看成波源产生者，将声波看成光，然而这个光速不管是相对于大地，还是相对于运动的车其速度都是c。再加上假设1（有局限性以后会讲到）的基础上，就会有：x=ctx是Q上的点，可见x后面没有减去ut。这样一来便推导出1k=-1-(v/c)2没了ut，那上哪去了呢？这也是为什么会有时空缩短的缘故了。这是必然的结果。因此，我们做出两个大胆的归纳：假设3：电磁波的运动形式是由于介质单位通过回复性运动将能量传递给下一个介质单位的连带作用而形成的一种波。假设4：一定条件下，波都具有波速不变、反射、折射、干涉、衍射和多普勒效应等相似特性。v 这样一来我们依据假设2和假设3和假设4逻辑推导自然得出电磁波波源与波源产生者彼此的速度是独立的。为区分相对论特别做这样的规定电磁波波源与波源产生者彼此的速度是独立的，且电磁波波速相对于波源产生者的速度服从牛顿运动定律。波速相对于波源产生者的速度服从牛顿运动定律这一点在证明声波的多普勒效应时已用到，对电磁波和水波的多普勒效应也同样适用。可见电磁波的运动规律与非波物质运动既有相同之处，也有不同之处。因为多普勒效应能够充分体现电磁波的运动规律。因此再证一下光的多普勒效应，也有必要，因为它可以说明迈克耳孙-莫雷的实验从某种程度上说不可以证明什么。前面讲到光传播是有介质的，而且有一个同样解释迈克耳孙-莫雷的实验结果的理论，即光传播的介质会随物质一同运动，有这一可能性。为避免这个问题，选取地球之外的两个参考系。证明如下： xxu OypQyz z c假设宇宙中有两个相互作用力始终可忽略不计的两个物质O和Q,其中O是宇宙中位置确定的一点，而物质Q以速度u（uc）运动方向向O，Q上的光源产生者在某一点激发产生一个波长为L周期为T的波并记波峰为P，Q运动一段时间t（tT）后光源产生者在另一点处再次激发产生一个相同的波并记波峰为P，如此反复以至无穷。由假设2知此时整体上波长为：L=L-ut频率为：cf=-L-ut光的频率会因为波源产生者的运动而变化，如果波源产生者的速度u小于光速c但大于零，u越大f越大；反之，u越小f越小。当u小于零或大于c会有不同变化。因为人的视野仅限于可见光，所以上面的例子中如果u比较大的话，f会超出